西交大：高性能聚醚醚酮3D打印拉絲缺陷自適應路徑工藝優化
聚醚醚酮等高黏度、低流動性材料在熔融擠出成形過程中由于材料凝固不充分，隨噴頭移動帶來的拉絲問題嚴重影響成形質量。西安交通大學研究團隊在《聚醚醚酮3D打印拉絲缺陷自適應路徑工藝優化》一文中提出了一種基于自適應路徑的聚醚醚酮熔融擠出成形拉絲優化方案，通過材料黏度與打印參數、工藝路徑的智能匹配，實現了高黏度材料的質量可控制造，為高黏度材料的熔融擠出成形提供了解決方案。本期谷.專欄將進行分享。
研究背景
高性能聚醚醚酮（PEEK）由于具有強度高、耐高溫、耐腐蝕和抗溶解等優異性能，可制造加工成各種機械零部件，因而在各領域得到了廣泛應用。傳統的聚醚醚酮成形方式主要有擠出成形、注塑成形和模壓成形，但由于模具設計與制造工藝限制，無法滿足某些復雜結構的成形需求，然而高性能聚醚醚酮現可通過熔融擠出成形（3D打印技術）用于制造結構復雜的零部件，已廣泛應用于前沿裝備制造領域。
在復雜結構的熔融擠出成形過程中，打印頭需要頻繁跳轉以完整打印當前層結構，但對于高性能聚合物尤其是半結晶聚合物材料，在結晶相變過程中，由高溫瞬間降至室溫，由于噴嘴的快速移動導致熔融材料凝結不充分，進而產生絲狀材料并附著在打印結構表面。對于高黏度材料，該絲狀材料呈現不均勻、不一致性，材料中間直徑為1/10至1/2噴嘴孔徑，材料端部直徑與噴嘴孔徑相近，此外，由于絲狀材料難以拉斷，且聚醚醚酮相較于ABS等低黏度結晶型聚合物產生的拉絲更難去除，導致成形質量較差。綜上，高性能聚合物材料在熔融擠出成形過程中的這類拉絲導致的問題已成為影響航天飛機機翼、高精密武器等裝配質量的重要因素。
針對熔融擠出成形中拉絲質量問題，國內外已開展了相關研究，目前主要通過工藝參數優化、打印路徑優化、打印頭結構設計及優化等方法來改善。潘俊峰等進行了工藝參數優化改善拉絲質量的研究，通過改變切片中的相關參數，最終篩選出改善拉絲的最佳參數。葉總一等進行了打印路徑優化改善拉絲的研究，通過合理安排擠出路徑提高產品的表面工藝質量，減少打印過程中的空走路徑降低拉絲現象。此外，研究人員還進行了打印頭結構的設計優化對拉絲現象的改善研究。FU等提出了一種新的噴嘴結構，在散熱管和中空喉管之間嵌入了硅膠密封套，使絲材回抽時噴嘴口處形成負壓以改善拉絲。LI等對擠出噴嘴進行了合理改進，在噴嘴孔徑不變的條件下加長噴嘴前端，通過增加材料與噴嘴內壁摩擦力以改善拉絲。以上針對拉絲現象改善的研究中，均采用ABS或PLA作為材料，二者均屬于結晶型聚合物材料，成形溫度較低，不會出現嚴重的拉絲現象，通過調控工藝參數帶來拉絲現象改善的效果有限；然而，對于成形溫度高且具有高黏度特性的半結晶聚合物聚醚醚酮，其冷卻至室溫時間長、冷卻中始終保持較高黏度，在熔融擠出成形過程中，相比于以上兩種材料更易出現拉絲現象，必須加以解決。
論文將材料黏度與打印工藝相匹配，通過材料黏度設置相應的打印速度、跳轉速度、打印溫度等工藝參數，并進行工藝路徑優化，形成打印結構與材料黏度相匹配的拉絲改善工藝，旨在解決噴嘴區域未完全結晶材料微溢后的快速消除問題，并改善高黏度材料的拉絲現象，以實現高性能聚合物材料的高質量熔融擠出成形。
01 熔融擠出成形拉絲原理與工藝路徑優化
1.1 熔融擠出成形拉絲原理
在打印頭跳轉前，由于回抽不充分，噴嘴口會產生熔融材料微溢出，高溫狀態下材料由噴嘴擠出后并不能及時冷卻固化，在打印頭進行跳轉時，噴嘴將這一部分材料拉長形成細絲，冷卻固化后形成具有一定長度及徑向尺寸的絲狀結構。圖1是打印中較為常見的三種拉絲類型，分別是跳轉路徑橫跨多個結構單元所形成的長距離跳轉拉絲、跳轉路徑在一個單元內部所形成的短距離跳轉拉絲及細絲在打印頭空駛過程中拉斷形成單側懸空跳轉拉絲。對于高性能的PEEK材料，當使用0.4 mm孔徑噴嘴打印時，拉絲絲徑可達0.03~0.21 mm，若不采取改善措施，將對打印零件質量帶來重大影響。
1.2 拉絲改善工藝路徑優化方法
高性能PEEK在打印溫度400 ℃時，熔融指數可達1.69 g/min，屬于高黏度材料。在聚醚醚酮的熔融擠出成形過程中，由于回抽操作無法完全避免熔融材料由噴嘴口溢出，本研究通過工藝路徑優化來解決材料溢出噴嘴后續的拉絲問題，基本原理為：在空駛前的上一條路徑材料沉積完成后，使打印頭沿相同路徑進行與該條路徑沉積方向相反的移動，以將噴嘴處的溢料通過擦嘴的方式再次沉積至上一條已打印路徑上，直到將溢料全部粘接至該條路徑上，最后進行空駛操作移動至下一打印線段起點。如圖2所示，由于溢料相對噴嘴正常沉積移動時的出絲量少，故將打印頭相對上一條已打印路徑抬升一段高度，給材料留有一定的二次沉積空間。
圖3是工藝路徑優化流程圖。與未進行工藝路徑優化相比，該流程中增添了打印頭抬升、增加的空駛路徑及打印頭下降操作，其中增加的空駛路徑終點為與打印頭當前所在位置有一定距離的上一條已成形路徑的起點。
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