聚醚醚酮及其復合材料激光粉末床熔融成形的研究現狀與展望

李亞洲，楊強，彭瑞龍，王富，李滌塵

聚醚醚酮及其復合材料激光粉末床熔融成形的研究現狀與展望

李亞洲，楊強*，彭瑞龍，王富，李滌塵

（西安交通大學 a.機械制造系統工程國家重點實驗室 b.機械工程學院，西安 710049）

聚醚醚酮（PEEK）及其復合材料因具有優異的力學性能、耐化學腐蝕性及生物相容性而受到廣泛關注，然而隨著對復雜結構以及個性化PEEK零件的需求日益增加，傳統的注塑成形工藝顯然已經難以滿足高度復雜化與個性化制造的需求。激光粉末床熔融（LPBF）技術為PEEK及其復合材料的成形制造提供了一種新的方法。介紹了激光粉末床熔融工藝的基本原理與PEEK及其復合材料的激光粉末床熔融制備工藝的特點和應用，總結歸納了PEEK及其復合材料的激光粉末床熔融成形裝備的發展狀況與性能特點，目前的成形裝備在預熱溫度和激光功率等參數方面已經有了很大的提升，可以保證一定的成形精度，但要形成一套成熟的高精密和大尺寸復雜成形系統仍需進一步的研究。基于已有研究，重點闡述了PEEK及其復合材料激光粉末床熔融成形工藝的研究現狀，雖然通過溫度場和激光參數等成形參數的優化，成形件的性能有了一定的提升，但仍然存在翹曲變形、成形力學性能較低的問題。最后對未來高性能PEEK及其復合材料激光粉末床熔融成形工藝的發展進行了展望。

激光粉末床熔融成形；聚醚醚酮；裝備；工藝參數；性能

聚醚醚酮（Polyetherether-ketone，PEEK）作為一種高性能工程塑料，具有優異的熱穩定性、生物相容性、耐化學腐蝕性、力學強度以及低摩擦因數，在航空航天、生物醫療、汽車和其他高端裝備領域中得到了廣泛應用[1-3]。隨著對復雜結構以及個性化PEEK零件的需求日益增加，傳統的注塑成形工藝顯然已經難以滿足高度復雜化和個性化制造的需求。激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）技術作為一種先進的增材制造技術，可通過逐層熔化和熔合粉末材料，實現復雜結構的三維打印成形，被廣泛應用于金屬、陶瓷與高分子聚合物等材料的增材制造成形中[4]，受到了工程研究領域的廣泛關注，在推動制造技術革命方面具有巨大潛力[5]，也為復雜結構PEEK零件的成形提供了一種新的途徑和手段。然而，不同于聚酰亞胺（PI）、尼龍（PA）等常規工程塑料，PEEK因具有較高的熔點和玻璃化轉變溫度，使PEEK及其復合材料的激光粉末床熔融成形面臨著一系列挑戰，如設備的開發、材料選擇、工藝參數優化、成品質量控制等。為此，需要通過深入的研究和工程實踐來推動該技術的發展和應用[6-7]。

本文對PEEK及其復合材料激光粉末床熔融成形的研究現狀進行了綜述，重點關注了成形工藝參數優化以及成品性能等關鍵問題[8]，旨在探討該技術在PEEK及其復合材料制造方面的潛力，并展望了其未來在高性能工程領域的應用前景。根據最新的研究成果、技術應用和工程實踐，分析了PEEK及其復合材料的激光粉末床熔融成形工藝的優勢和局限性，并提出了改進建議，以期為該領域的研究人員提供參考，推動PEEK及其復合材料的激光粉末床熔融技術在高性能工程領域的應用。

1 激光粉末床熔融技術原理

粉末床熔融（Powder Bed Fusion，PBF）工藝在2015年被國際標準化組織ISO/TC261增材制造委員會確定為7類增材制造工藝之一[9]。其中，激光粉末床熔融（LPBF）技術是一項被廣泛采用的粉末床熔融技術，能夠生產幾何復雜、力學性能良好的三維（3D）零件[10]。LPBF工藝原理如圖1所示。常見的LPBF設備由計算機控制系統、粉末輸送系統（包括供粉缸和鋪粉裝置）、構建平臺（成形缸）、激光系統（包括激光源、激光掃描系統等）以及加熱系統（包括加熱裝置和溫度控制系統）組成[11-15]。

激光粉末床熔融的基本成形過程如下：將處理好的CAD模型導入計算機中，通過切片軟件進行切片分層，同時設置激光掃描方式、激光功率、掃描速度等打印參數，生成3D打印工藝數據；將3D打印工藝數據導入激光粉末床熔融裝備中，待預熱溫度達到預設值時，激光系統將高能量密度的激光束聚焦到粉末層的特定區域，并按照預設的掃描路徑進行掃描，被激光掃描到的粉末會熔融，且在激光移動后迅速凝固與燒結；完成一層打印后，構建平臺（成形缸）下降一個層高，新的一層粉末再次鋪展在上方，激光掃描系統再次開始工作，根據下一層的路徑，繼續熔化燒結新的粉末層；通過逐層堆積，重復上述燒結過程，將每一層粉末材料黏結在一起，逐漸構建出整個模型的三維結構；打印完成后，去除掉構件表面未固化的粉末，進行打磨等后處理，即可得到最終的成形構件。

選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）技術是激光粉末床熔融（LPBF）技術的一個重要分支，它能夠制造復雜形狀的零部件，且不需要支撐結構，因為未燒結的粉末可以起到支撐作用。因此，SLS是一種非常靈活和高效的增材制造技術，能夠燒結成形金屬、陶瓷或PEEK粉末等聚合物材料，在航空航天、汽車、電子器件、醫療等多個領域都有廣泛應用[6]。

2 激光粉末床熔融用PEEK及其復合材料

激光粉末床熔融技術不僅適用于金屬材料，還可以用于聚合物材料[16]。PEEK作為一種高性能的聚合物材料在工程領域有廣泛的應用前景，在激光粉末床熔融成形過程中會呈現出一些獨特的工藝特點。因此，本文將對PEEK及其復合材料的特點和應用情況進行總結[17]。

圖1 LPBF工藝原理圖

2.1 PEEK的特點及應用

PEEK是一種半結晶聚合物材料，具有相對較高的熔點（m=343 ℃）和較高的玻璃化轉變溫度（g=143 ℃），這意味著它在激光粉末床熔融過程中能在承受高溫的同時保持穩定的化學結構。由于優異的熱穩定性，PEEK在高溫下不易發生分解或退化，從而適合激光加工的高溫條件。PEEK還具有相對低的熔體黏度，在激光加熱下能夠迅速熔融并具有良好的流動性。這有助于在激光熔融過程中保證材料的均勻性和成形精度。但由于PEEK材料是一種半結晶塑料，在降溫過程中會發生結晶而引起體積收縮，如果在不均勻溫度場內成形就會發生較大收縮和翹曲變形。由于激光粉末床熔融的成形過程存在強烈的非平衡凝固行為，這必然會導致PEEK在激光粉末床熔融成形過程中出現較為嚴重的變形，為PEEK的激光粉末床熔融成形帶來了挑戰。

PEEK材料憑借其出色的耐高溫性、耐磨性、化學穩定性，在航空航天、生物醫療、汽車和其他高端裝備領域扮演著重要的角色。PEEK材料的相關應用如圖2所示。在高溫、高壓和高濕的環境下，PEEK依然能夠保持良好的電絕緣性，所以它能夠在雷達天線罩、電容器外殼等電子電器領域內得到廣泛應用[18]。PEEK在常溫下的摩擦因數為0.48，常作為滑動軸承自潤滑聚合物材料[19]。除此之外，它憑借良好的生物相容性和柔韌性在醫療器械領域也愈發重要[20-22]。隨著制造工業的迅速發展，有關聚醚醚酮（PEEK）復合材料的研究也日益增多。常用填充改性、共混改性及表面改性等改性技術來進一步提升其復合材料的各項性能[23]。

2.2 PEEK復合材料的特點和應用

PEEK作為一種高性能工程塑料，具有出色的性能。通過在PEEK基礎上添加不同的改性材料，如纖維、顆粒或納米填料，來形成PEEK復合材料，可進一步拓展其應用[27]。

纖維增強改性如碳纖維增強PEEK復合材料（CF/PEEK）結合了PEEK的高溫性能與碳纖維高強度、低密度的特點，并且具有優良的抗靜電性能，廣泛應用于航空航天、汽車和運動器材等領域[28-30]。玻璃纖維增強PEEK復合材料（GF/PEEK）具有較高的剛性、強度和耐化學性，適用于制造汽車零件、電子器件和電氣絕緣件等[31]。

顆粒增強改性如羥基磷灰石/聚醚醚酮復合材料（HA/PEEK）具備生物活性和相容性，適用于醫療和生物醫學領域。其特點包括生物活性促進骨組織再生、力學性能優越，有助于制造骨替代材料、植入物、牙科植入物以及生物醫學工程設備[32-34]。

二維材料改性如石墨烯（GPE）改性可提高復合材料的自潤滑性、導電性和導熱性，在航空航天、核能領域有廣泛應用[2]。此外，黑鱗（BP）、六方氮化硼（h-BN）和二硫化鉬（MoS2）也可與PEEK進行復合，使摩擦磨損性能得到提高[35-37]。

納米材料改性如碳納米管/聚醚醚酮復合材料（CNT/PEEK）具有優異的力學性能、導熱性、耐化學性和耐磨性，廣泛應用于航空航天、醫療、電子等領域[38-39]。

PEEK作為一種優秀的工程聚合物材料，具有廣闊的應用前景。隨著技術的不斷發展和研究的不斷深入，PEEK及其復合材料的激光粉末床熔融成形將在更多領域得到應用，并推動制造業向更高性能的方向發展[40]。

圖2 PEEK材料的應用

3 聚醚醚酮及其復合材料激光粉末床熔融成形工藝

3.1 PEEK激光粉末床熔融裝備研究現狀

由于PEEK材料的熔點較高，為避免在激光粉末床熔融過程中零件發生翹曲變形，需要保證預熱溫度（330 ℃左右）接近其熔點，這對裝備的溫控等性能有著很高的要求。適用于PEEK及其復合材料的LPBF裝備率先在國外得到了應用。在德國EOS公司推出EOSINT P800之前，研究者們都是在較低粉末床溫度（b）下或者在傳統的粉末床熔融設備的基礎上加以改造，對PEEK及其復合材料進行激光粉末床熔融成形。Sinterstation 2500（3D Systems，美國）是較早用于PEEK復合材料激光熔融的設備之一，如圖3a所示，Tan等[41]在140 ℃下對PEEK復合材料進行了加工成形。由于EOSINT P380（EOS，德國）不能夠在較小公差范圍內進行均勻預熱，Wilmowsky等[42]對其進行了改造，在其內部裝配了附加紅外加熱器的“加熱圓頂”以保證粉末層的預熱溫度。隨著工藝的不斷改進，德國EOS公司于2010年推出了世界首款商用高激光粉末床熔融設備EOSINT P800，如圖3b所示，該設備能夠成形高溫（200 ℃以上）的高分子材料，且成形溫度最高可至385 ℃[43-44]，EOS公司后續還推出了Eosint P810等類似產品。2018年Nazarov等[45]也設計開發了一套PEEK的激光粉末床熔融成形系統，如圖3c所示，該設備能夠將粉末床溫度加熱至385 ℃，并提供惰性氣體保護。

我國在LPBF裝備開發上起步較晚，暫無成熟的PEEK及其復合材料LPBF商用設備，更多的是高校自主研發的設備。湖南華曙高科技股份有限公司于2020年推出了用于高分子材料LPBF成形的Flight HT252P和Flight ST252P兩款設備，Flight ST252P設備如圖4a所示，其最高成形腔體溫度能夠達到280 ℃，但是仍然尚未達到PEEK材料的熔點[47]。華中科技大學團隊自主研發的LPBF設備HK PK125能夠將預熱溫度提升至400 ℃，且具有獨立控溫功能，如圖4b所示[47]。西安交通大學一直致力于LPBF系統的自主研發，自主研發了兩代LPBF成形設備，如圖4c～d所示，第二代設備具有循環凈化裝置，可減少成形過程中由激光掃描產生的煙塵對激光鏡頭的污染，大大提高了設備運行的穩定性，延長了設備的使用壽命。表1列出了上述LPBF裝備的各項性能指標[46,48]。

目前國內外都在加大力度開發PEEK及其復合材料的激光粉末床熔融裝備，且預熱溫度和激光功率等參數已經有了很大提升。各高校自主研發的LPBF裝備在某些性能方面取得了一定進展，保證了一定的成形精度，但要形成一套成熟的高精密成形系統仍需進一步的研究。隨著材料科學和制造技術的不斷發展，對PEEK及其復合材料激光粉末床熔融成形要求不斷提升，LPBF裝備也需要得到不斷的改進和發展，其發展趨勢如下：

圖3 國外LPBF成形裝備

圖4 國內LPBF成形裝備

表1 不同LPBF成形裝備各項性能指標[43-48]

1）精確控制成形過程。未來的激光粉末床熔融裝備將更加注重對成形過程的精確控制，通過優化激光參數、掃描策略和熔融溫度等因素，可以實現更高的制造精度和表面質量，從而進一步提高PEEK制品的性能和可靠性。

2）增強熱管理性能。PEEK材料在高溫條件下表現出色，未來的發展將關注在高溫環境下的應用，如航空航天、核能等領域，因此，激光粉末床熔融裝備的發展將著重于增強PEEK制品的熱管理性能，以確保材料在極端條件下的穩定性。

3）制造大型復雜聚合物構件。隨著激光粉末床熔融技術的成熟，其制造能力將不局限于小型零部件，還將擴展至大型復雜聚合物構件，例如，航空航天領域需要制造復雜的結構件和組件，如飛機機身部件、引擎零件等。利用激光粉末床熔融技術可以實現這些大型構件的快速制造，減少部件的組裝和連接環節，從而提高結構的整體性能和可靠性。

4）工業化應用的擴展。隨著激光粉末床熔融技術的成熟，它在工業化生產中的應用將得到擴展，更高的生產速率、自動化程度以及標準化的質量控制，將使PEEK材料的激光粉末床熔融制造更適合大規模生產。

總體而言，未來PEEK材料的激光粉末床熔融裝備將朝著精確控制、大型復雜聚合物制造、高溫應用、可持續性和工業化生產等方面不斷發展。這些趨勢將推動聚合物制造技術向更高水平發展，進一步拓展PEEK及其復合材料在各個領域的應用前景。

3.2 PEEK及其復合材料的LPBF成形工藝研究現狀

對于聚醚醚酮（PEEK）及其復合材料激光粉末床熔融成形工藝特點，不同的工藝參數對成形件質量和性能有著不同的影響，目前的研究重點為溫度、激光參數、掃描策略等因素。

3.2.1 PEEK材料的LPBF成形工藝研究現狀

由于PEEK材料具備優異的性能，其LPBF成形工藝得到了研究者們的廣泛研究。德國巴伐利亞激光中心Schmidt等[49]采用LPBF技術對PEEK 150PF進行了燒結成形，探究了348 ℃和354 ℃下PEEK制件的彎曲應力以及激光能量密度對成形件密度和孔隙率的影響，但并未展示成形件力學性能、設備信息以及具體的工藝參數。英國埃克塞特大學Ghita等[50]采用EOSINT P800設備測試了EOS HP3 PEK粉末的收縮率和力學性能，他們采用的激光掃描速度為2 550 mm/s，掃描間距為0.16 mm。在和方向上，構建的激光燒結部件的拉伸強度比相同材料注塑樣品的低10%，而與注塑試樣相比，在方向上構建的樣品強度降低了約50%，如圖5a所示。除此之外，與注塑成形的力學性能相比，LPBF工藝制備樣品的斷裂伸長率明顯較低，如圖5b所示。

圖5 HP3 PEK樣品在x、y、z方向和注塑成型樣品的拉伸強度（a）和斷裂伸長率（b）[50]

德國斯圖加特大學Kroh等[51]在威格斯的PEEK 450PF和PEEK 150PF兩種材料中添加了不同質量分數的炭黑粉末，并采用LPBF對其進行燒結成形。燒結策略為進行雙向（沿拉伸方向和垂直于拉伸方向）掃描，采用的工藝參數如下：恒定激光功率（L）為30 W，影線距離（s）為0.02 mm，激光光斑直徑為30 μm。不同激光能量密度燒結系列拉伸棒試件如圖6所示，對其進行力學性能測試發現，平均能量密度的增大導致所有炭黑含量試件的拉伸強度增大，但較高的能量值會造成一些試件局部被燒糊。最后得出結論如下：對于2種材料，在平均能量密度為0.35～0.45 J/mm2和炭黑質量分數為10%～15%時，其樣品的抗拉強度和剛度達到最佳。

圖6 在330 ℃下0.1%（質量分數）CB的PEEK 450PF的單層試樣[51]

除此之外，為進一步改善力學性能，在激光掃描后立即對燒結試件的每一層進行另外的“回火”（即再次加熱），如圖7所示，這樣在顆粒-顆粒結合處可以實現更好的擴散和燒結。結果表明，燒結時對燒結試件的每一層進行以60 s為間隔的“回火”后，試件的力學性能幾乎與同材料注塑試件的相當。

針對“回火”這個成形完成后的加熱過程，英國埃克塞特大學Berretta等[52]也進行了相關研究，他們使用EOSINT P800設備對PEEK 450PF（Victrex）材料進行了激光燒結，并在燒結之前對該粉末進行了熱處理以改善顆粒的形狀和流動性。采用激光功率為12 W、掃描間距為0.2 mm、掃描速度為2 550 mm/s的打印參數。為了獲得暴露在同一層中部件的均勻熔融膜，在鋪展新的新鮮粉末層之前配置了額外的加熱期，稱為“后燒結”（Post Sintering）階段，在此階段，成形腔上方的紅外加熱器全部打開，以保證粉末的均勻熔融。由上述工藝制備而成的樣品實現了2 500 MPa的儲能模量和63 MPa的拉伸強度。在“后燒結”過程持續6～15 s范圍內，力學性能相似，如圖8所示。

埃克塞特大學Berretta等[53]從PEEK 450PF材料特性出發為加工條件預測提供了新的結果，PEEK 450PF在380～530 ℃下穩定燒結區域的評估結果如圖9所示，他們研究了能量熔化比參數對激光燒結PEEK樣品力學性能的影響，并提出了一種新的粉床溫度估算方法，即聚合物DSC熱掃描的一階導數曲線的最小值相當于相應的高溫燒結粉床溫度，研究表明，導致PEEK 450PF熱降解的能量熔化比（EMR）和激光功率分別為22.7和11.4 W。

德國EOS公司在推出EOSINT P800后，開發了一種用于P800系統聚芳醚酮聚合物組的高性能材料EOS PEEK HP3[44]。英國伯明翰大學Hoskins等[54]對EOSINT P800高溫燒結的EOS PEEK HP3樣品進行了熱性能和力學性能測試，在控制拉伸件結晶度為35%及孔隙率為4.36%條件下，達到了88.7 MPa的拉伸強度、4.2%的斷裂伸長率。

隨著國內一些高校對激光粉末床熔融裝備的開發，對PEEK材料LPBF成形工藝也開展了研究。華中科技大學陳鵬[47]采用自主研發的LPBF設備HK PK125，對經過高溫紅外輻射預處理的PEEK 450PF粉末進行了加工制樣，并對PEEK的激光粉末床熔融成形工藝進行了探索，包括預熱過程、加工過程和降溫過程。經過調試預熱，對HT-SLS中所有的加熱過程（預熱、預鋪粉及加工過程）進行了定量化處理，并對設備加工過程中的溫度進行了校準，如圖10a所示，由此確定成形溫度為330 ℃，并對鋪粉過程進行了300 ℃預熱，發現此工藝可以使翹曲變形得到有效改善。除此之外，還針對激光能量輸入對PEEK制件力學性能的影響進行了研究，探討了不同能量熔融比、激光功率及激光填充速率下試件的拉伸強度及彈性模量，發現當能量熔融比（mr）為13～16時，拉伸強度達到峰值，如圖10b所示。他還探究了LPBF成形過程中工藝參數對PEEK結晶行為的影響以及不同保溫溫度下等溫結晶試件和不同冷卻速率下非等溫結晶試件的力學性能，并從結晶結構的角度進行了深入分析。得到的不同結晶溫度和不同冷卻速率下PEEK結晶度隨時間變化的關系如圖11所示。實驗表明，在等溫結晶條件下，等溫結晶溫度越高，結晶性越好，強度也更高。而在非等溫條件下，冷卻速率越高，制件強度越低，但8 ℃/min的快速冷卻會使強度出現一定程度的回升，如圖12所示。

圖7 激光燒結過程中附加“回火”圖示[51]

西安交通大學高鑫巍[48]采用自主研發的帶有成形腔循環凈化系統的LPBF設備對PEEK激光粉末床熔融工藝進行了研究，并實現了PEEK材料龍伯透鏡的高精度成形。研究表明，采用330PF+770PF（質量比為3︰1）的混合粉末具有最佳綜合性能，更利于激光熔融成形。通過調整激光參數實驗得出，將熔池溫度控制在370～420 ℃，可以使成形件的抗拉強度達到65 MPa以上，且拉伸斷面平整無明顯孔隙，如圖13所示。

3.2.2 PEEK復合材料的LPBF成形工藝研究現狀

在選擇工藝參數和處理策略時，需全面考慮PEEK基復合材料與PEEK材料物理和化學性質的差異，以及復合材料中增強材料對熱傳導、熱膨脹等性能的影響，以確保制造出質量優良的零件。早在2003年，通過激光粉末床熔融（LPBF）工藝對PEEK復合材料進行成形就已經有了初步研究，新加坡南洋理工大學Tan等[41]為了研發生物組織支架，使用Sinterstation 2500（3D Systems，美國）分別對PEEK 150XF（Victrex，英國）以及摻雜不同比例的羥基磷灰石（HA）混合粉末進行了燒結，實驗證實了LPBF在生產支架中的潛力。他們在工藝方面也進行了相關研究，他們在保持激光掃描速度恒定的條件下改變零件床身溫度和激光功率，制造出了圓形試樣，結果表明，較低的床身溫度應輔以較高的激光功率，如圖14所示，在較低零件床身溫度下，激光功率設置應為16～21 W，然而他們并未給出試樣的具體力學性能參數，而是側重于生物性能方面的表征。

圖9 通過結合DSC和TGA實驗數據發現的PEEK 450PF的穩定燒結區域[53]

圖10 加工過程的成形腔溫度記錄與校準（a）以及拉伸強度與Emr系散點圖及其GaussAmp擬合曲線（b）[47]

圖11 不同等溫結晶溫度下（a）以及不同冷卻速率下（b）結晶度隨時間的變化[47]

圖12 等溫和非等溫HT-SLS成形制件的力學性能[47]

圖13 熔池溫度與力學性能關系[48]

德國埃爾朗根-紐倫堡大學Wilmowsky等[42]對EOSINT P380（EOS，德國）進行了改造，并以層厚0.15 mm、預熱溫度334 ℃、激光功率10 W、掃描速度4.5 m/s、掃描間距0.2 mm的參數打印了含有納米級炭黑、β-磷酸三鈣（β-TCP）和生物活性玻璃的PEEK圓盤細胞測試樣品，并評估了其生物活性等性質，如圖15所示。

德國埃爾朗根-紐倫堡大學的Pohle等[55]對EOSINT P380設備也進行了改造，使成形過程中的粉床溫度恒定在340 ℃，打印了添加有炭黑和β-磷酸三鈣（β-TCP）的PEEK不同細胞測試樣品，并檢查了細胞形態和增殖情況，結果表明，激光燒結PEEK植入物可以作為重建手術中的骨替代品，如圖16所示。

美國德克薩斯大學Chavez等[56]使用低溫選擇性激光燒結（SLS）打印機制備了由聚醚醚酮（PEEK）和聚酰胺12（PA12）共混的高性能聚合物試件，研究表明，采用成形腔室溫度為180 ℃、激光功率為5 W等參數打印的試樣拉伸模量與PA12的相比增大了79%，并且耐熱性也有所提升。美國得克薩斯大學Schultz等[57]對尼龍12-PEEK共混物進行了研究，采用0.7 W的激光功率等工藝參數研究了球磨時間和PEEK體積分數對激光燒結尼龍12-PEEK共混物微觀結構和力學性能的影響，發現很難實現致密的粉末床：拉伸試件在成形的每一層中都出現了明顯的裂紋。采用的實驗室自制SLS設備如圖17所示。

圖15 激光燒結PEEK細胞測試樣品[42]

圖16 不同細胞測試樣品[55]

圖17 實驗室用選擇性激光燒結裝置[57]

國內由于LPBF裝備限制，針對PEEK復合材料激光粉末床熔融成形工藝的研究起步較晚。2016年，中南大學帥Shuai等[58]同樣將羥基磷灰石（HA）作為改性材料加入聚醚醚酮/聚乙醇酸（PEEK/PGA）復合材料中，通過LPBF成形開發了復合支架，如圖18所示，發現添加羥基磷灰石后，支架生物活性以及細胞附著性均得到了提高。

西安交通大學Yan等[59]采用自主研發SLS設備對CF/PEEK復合材料進行了成形，對PEEK和碳纖維（CF）進行干燥處理并混合后，按照雙掃描模式，以掃描速度3 000 mm/s、掃描間隔0.12 mm的工藝參數進行打印，得到的試件最大抗拉強度達到109 MPa，比注塑純PEEK的提高了85%。此外，他們還基于CF/PEEK復合材料的高溫流變行為，對該復合材料的燒結動力學行為進行了深入分析，并定義了一種新的有效熔區，如圖19所示。

晏夢雪[60]還探究了退火工藝與溶劑誘導結晶對CF/PEEK制件向強度的影響。由于PEEK是一種半結晶高分子材料，其力學性能和熱性能通常與結晶度密切相關，所以其結晶區域中的分子排列更有序，較高的結晶度通常會導致更高的強度和剛度，能夠更有效地承受外部載荷。不同的退火工藝會導致聚合物在結晶過程中具有不同的熔融焓，影響結晶度。他采用不同的溫度對試樣進行了退火處理并測定了拉伸強度，發現300 ℃為提高向性能的最佳退火溫度。為進一步提高PEEK的結晶度，對制件進行二氯甲烷（CH2Cl2）溶劑誘導處理，實驗發現，經溶劑誘導處理后，制件的拉伸強度較退火處理的有所提高，經溶劑誘導結晶協同退火處理后，制件向的拉伸強度最高，且此時PEEK結晶度已接近所能達到的最大結晶度。

在PEEK及其復合材料激光粉末床熔融成形近20年的研究中，研究者們依托當時最先進的設備或者自主研發設備對成形工藝進行了探索，主要圍繞溫度場和激光參數方面展開研究，使成形件的力學性能有大幅度的提升。但PEEK材料的特性導致它在激光粉末床熔融成形過程中面臨諸多挑戰，如專用的商業化PEEK激光粉末床熔融設備的研發、PEEK及其復合材料的改性、成形工藝參數的優化以及打印件的降溫過程及后處理。

4 總結與展望

激光粉末床熔融成形技術為聚醚醚酮（PEEK）及其復合材料的制造提供了一種高效、精密的解決方案，通過對PEEK粉末的改性以及LPBF裝備和工藝的優化，獲得更適配于LPBF的PEEK基復合材料與成形工藝，以期實現高性能PEEK及其復合材料的控形控性制造。但在目前的研究中，仍然存在一些問題：

1）殘余應力和變形。在PEEK材料的激光熔融過程中，由于熱量的不均勻分布和快速冷卻，存在強非平衡凝固現象，導致成形件內部存在較大的殘余應力，進而導致成形件的翹曲、變形，影響零件的尺寸精度。

2）表面質量不佳。激光粉末床熔融成形的PEEK零件表面質量通常較粗糙，需要進行后處理才能滿足高表面質量的要求。

3）成本高昂。PEEK及其復合材料是高性能工程材料，其制備成本較高，激光粉末床熔融技術本身也是一種昂貴的制造過程，導致最終產品的成本較高。

4）環境問題。激光粉末床熔融技術涉及粉塵、氣體和能源的使用，可能對環境造成一定的影響，需要尋找更環保的解決方案。

雖然PEEK及其復合材料在激光粉末床熔融技術成形時存在一些問題，但是該技術在復雜結構和個性化PEEK零件的成形制造方面仍然有巨大的技術優勢和有廣闊的應用前景。隨著技術的不斷發展，可以在以下方面開展進一步的研究：

1）PEEK材料改性。未來可以繼續在PEEK材料優良特性的基礎上，采用改性技術繼續研發更多高性能的激光粉末床熔融用PEEK基復合材料，進一步拓展其應用領域。

2）成形工藝優化。對激光粉末床熔融工藝參數進行更深入的研究和優化，以提高制造效率和零件質量，并在能制造復雜結構的基礎上保證其成形精度。此外，還需要對大型復雜聚合物構件的成形裝備進行深入研發。

3）多尺度建模與仿真。引入多尺度建模與仿真方法對激光粉末床熔融成形過程進行更全面、準確的模擬和預測，通過仿真研究，優化工藝參數，減少試驗次數，降低成本和時間。

4）環保可持續性。在激光粉末床熔融成形中，需要處理未被熔融的粉末等副產品。未來可以研究更環保、可持續的后處理方法，減少資源浪費。

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Research Status and Prospect of Laser Powder Bed Fusion of Polyetheretherketone and Its Composites

LI Ya-zhou, YANG Qiang*, PENG Rui-long, WANG Fu, LI Di-chen

(a. State Key Laboratory of Manufacturing Systems Engineering, b. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Polyetheretherketone (PEEK) and its composites have attracted extensive attention due to their excellent mechanical properties, chemical corrosion resistance and biocompatibility. However, with the increasing demand for complex structures and personalized PEEK parts, the traditional injection molding process has obviously been difficult to meet the requirements of complex and personalized fabrication. Laser powder bed fusion (LPBF) technology provides a new method for manufacturing PEEK and its composites. In this work, the principle of LPBF process and the characteristics and applications of LPBF for PEEK and its composites were introduced. The development and performance characteristics of LPBF equipment for PEEK and its composites were summarized. The current equipment for PEEK and its composites has obtained significant improvements in parameters such as preheating temperature and laser power, guaranteeing the forming accuracy. However, the development of a mature high-precision forming system and the realization of large-sized and complex structure components still require further research. Based on the existing researches, the research status and performance of LPBF forming process for PEEK and its composites is expounded. Although optimization of forming parameters such as temperature distribution and laser parameters has led to some improvement in the performance of the formed components, problems such as warping deformation and lower mechanical properties still exist. The prospects for future development trends of LPBF process for high performance PEEK and its composites are proposed.

LPBF; PEEK; equipment; processing parameters; performance

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.006

TB332；TG665

A

1674-6457(2023)011-0046-15

2023-08-02

2023-08-02

國家重點研發計劃（2022YFB4600101，2022YFB4600103）

National Key R&D Program of China (2022YFB4600101, 2022YFB4600103)

李亞洲, 楊強, 彭瑞龍, 等. 聚醚醚酮及其復合材料激光粉末床熔融成形的研究現狀與展望[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 46-60.

LI Ya-zhou, YANG Qiang, PENG Rui-long, et al. Research Status and Prospect of Laser Powder Bed Fusion of Polyetheretherketone and Its Composites[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 46-60.

通信作者（Corresponding author）

責任編輯：蔣紅晨