3D打印工藝參數對聚醚醚酮（PEEK）介電性能的影響

摘 要：為研究3D打印工藝對聚醚醚酮（PEEK）介電性能的影響，基于熔融沉積成型技術，選擇多種工藝參數進行單因素實驗，針對噴頭溫度、基板溫度、打印速度、層厚、腔室溫度等工藝進行研究。實驗結果表明：在噴頭溫度400 ℃、基板溫度140 ℃、打印速度30 mm/s、層厚0.1 mm、腔室溫度120 ℃時PEEK樣件介電常數最低；1～100 MHz頻段內頻率對介電常數無影響；1～40 MHz頻率內，各工藝參數測試得到的PEEK介電損耗角正切均大幅波動；在40～100 MHz頻率內，PEEK介電損耗角正切均呈現波動上升的趨勢。該研究結果將為天線PEEK介質層的結構設計和制造提供依據。

關鍵詞：3D打印；工藝參數；聚醚醚酮；介電性能

中圖分類號：TH164文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）03-0070-04

Effect of 3D Printing Process Parameters on Dielectric Properties of PEEK

Abstract：In order to study the influence of 3D printing process on the dielectric properties of PEEK， multiple process parameters were chosen to perform a single factor experiment by fused deposition molding technology， and the technologies of nozzle temperature， substrate temperature， printing speed， layer thickness and chamber temperature etc. were studied. The experiment results show that the dielectric constant of PEEK products is the lowest when the nozzle temperature is 400 ℃， the substrate temperature is 140 ℃， the printing speed 30 mm/s， the layer thickness 0.1 mm， and the chamber temperature 120 ℃. The frequency in the 1100 MHz frequency band has no effect on the dielectric constant.Within the frequency of 140 MHz， the dielectric loss tangent of PEEK measured by each process parameter fluctuates drastically， and within the frequency of 40100 MHz， the fluctuation of dielectric loss tangent of PEEK goes up. The research results provide a basis for the structural design and manufacture of the PEEK dielectric layer of antenna.

Keywords：3D printing; process parameters; PEEK; dielectric properties

0 引言

隨著電子設備的不斷發展，各種類型共形天線的需求量越來越大，同時各種飛行器外形曲面不斷變化，傳統印制電路和結構機械加工的工藝精度不足，缺乏靈活度，難以滿足制造需求。3D打印技術的出現則為共形天線的制造提供了一種新的思路［1］。

共形電路3D打印常用的材料包含介電油墨、光敏樹脂、金屬納米顆粒油墨等［2］，其中介質層材料不僅對材料的強度有一定要求，而且要求材料有低的介電性能，以減少對天線功能的影響。VESELY＇ 等［3］對ABS、PLA、PETG 3種材料以FDM形式打印樣件，并評估了打印層厚對其介電性能的影響。除ABS外，其余材料介電常數隨層厚增加上升而降低，介電損耗無明顯相關性。GOULAS 等［4］研究了不同打印參數如線寬、層高和填充等對Premix Oy材料（ABS中填入陶瓷材料）介電常數和介電損耗的影響，發現這些參數主要影響了實際打印后的材料密度，存在空氣氣隙會顯著降低介電常數。

聚醚醚酮（PEEK）是一種特種高分子材料，具有機械強度高、耐高溫、良好的絕緣性、無毒耐腐蝕等優點，常用于航空工業、汽車制造、醫療康復等領域。雖然其介電常數高于ABS，但擁有高強度和高熔點，在航空航天電子領域有較好的應用前景。

本文基于熔融沉積成型（FDM）3D打印技術，采用單因素實驗法，研究3D打印工藝參數對PEEK介電性能的影響，為天線結構設計和制造提供依據。

1 3D打印PEEK樣件制備

1.1 實驗原料及設備

東莞某公司PEEK絲材：1.75mm，由吉林某公司的550G顆粒拉制成絲。

東莞某公司3D打印機： MAGIC-HT-PRO。

介電性能測試：Agilent 4294A，美國某公司。

1.2 實驗設計

在熔融沉積成型3D打印過程中，許多工藝參數會對其介電性能產生影響。在本研究中，選擇了5種工藝參數（噴頭溫度、基板溫度、打印速度、打印層厚、腔室溫度），采用單因素實驗法，研究打印工藝參數對介電性能的影響，如表1所示。考慮天線使用工況，介電性能測試頻段為1～100MHz。

1.3 樣件制備

樣件尺寸為20mm×20mm×1.5mm，使用SolidWorks三維建模軟件設計出三維模型，導出為STL格式文件。用IEMAI 3D V1.4.7切片軟件進行參數設置并進行切片處理，轉換成Gcode文件導入3D打印機，對測試樣件進行打印。

2 制備工藝對樣件介電性能的影響研究

2.1 噴頭溫度對介電性能的影響

噴頭溫度指的是3D打印過程中噴頭的加熱溫度，其與材料的熔點相關。不同噴頭溫度下得到的PEEK樣件介電常數如圖1所示，介電損耗角正切如圖2所示。通過實驗可見，噴頭溫度在420℃時，打印出的樣件介電常數最高，保持在7.9左右；在400℃最低，保持在2.0左右。在測試頻率段內，每個參數下介電常數隨頻率變化均保持穩定。

隨著噴頭溫度的上升，介電損耗角正切有一定下降的趨勢。在1～5MHz時介電損耗角正切隨頻率增加大幅度下降，在5MHz后保持穩定。

2.2 基板溫度對介電性能的影響

基板溫度指的是3D打印過程中材料沉積基板的加熱溫度。不同基板溫度下得到的PEEK樣件介電常數如圖3所示，介電損耗角正切如圖4所示。通過實驗可見，介電常數隨基板溫度的提高而下降，在基板溫度140℃時最低，穩定在3.5左右；在基板溫度60℃時最高，穩定在6.9左右。在測試頻率段內，每個參數下介電常數隨頻率變化均保持穩定。介電損耗在基板溫度140℃時最高，100℃和60℃時較為接近，隨頻率增加則呈現出先降后升的趨勢；在5～25MHz內介電損耗存在大幅度的波動，在25～100MHz時呈現波動上升的趨勢。

2.3 打印速度對介電性能的影響

打印速度指3D打印過程中噴頭掃描界面輪廓的速度，主要影響樣件的打印效率和精度。不同打印速度下得到的PEEK樣件的介電常數如圖5所示，介電損耗角正切如圖6所示。通過實驗可見，介電常數隨打印速度的提高呈現先降后升的趨勢，在打印速度10mm/s時最高，穩定在6.0左右；在打印速度30mm/s時最低，穩定在2.1左右。在測試頻率段內，每個參數下介電常數隨頻率變化均保持穩定。

介電損耗角正切在1～30MHz的頻率范圍內各工藝參數測試結果接近且均大幅度波動，在30～100MHz時，呈現波動上升的趨勢。

2.4 打印層厚對介電性能的影響

打印層厚指的是材料切片時的分層厚度，主要影響表面精度和打印效率。不同打印層厚下得到的PEEK樣件介電常數如圖7所示，介電損耗角正切如圖8所示。

通過實驗可見，介電常數隨打印層厚的提高呈現先升后降的趨勢，在打印層厚0.1mm時最低，穩定在4.1左右；在打印層厚0.2mm時最高，穩定在6.5。在測試頻率段內，每個參數下介電常數隨頻率變化均保持穩定。介電損耗角正切在1～35MHz的頻率范圍內各工藝參數測試結果接近且均大幅度波動，在35～100MHz時，呈現緩慢波動上升的趨勢。

2.5 腔室溫度對介電性能的影響

腔室溫度指的是打印過程中腔室內的環境溫度，腔室溫度升高可以有效降低PEEK的翹曲形變。不同腔室溫度下得到的PEEK樣件介電常數如圖9所示，介電損耗角正切如圖10所示。通過實驗可見，介電常數隨腔室溫度的升高而降低，在60℃時最高，穩定在5.5左右；在120℃時最低，穩定在4.3左右。在測試頻率段內，每個參數下介電常數隨頻率變化均保持穩定。

介電損耗角正切在1～50MHz的頻率范圍內各工藝參數測試結果接近且均大幅度波動；在50～100MHz時，呈現緩慢波動上升的趨勢。

2.6 結果討論與分析

對于3D打印工藝來說，在材料沒有進行改性情況下，3D打印工藝對其的影響主要是分子結構上影響結晶度，宏觀層面影響孔隙率，從而影響介電常數。溫度參數主要影響材料熔融狀態和擠出后的結晶狀態。此外腔室溫度在一定程度上影響了樣件中孔隙的空氣密度，從而最終影響了材料的介電性能。打印速度、層厚主要影響材料擠出時的氣泡數和打印后的孔隙率，打印速度過快，材料擠出后易產生氣泡，同時還存在拉絲等現象；而打印速度過慢，會影響層間的黏合性，同時還會導致嚴重的翹曲現象。

對于介電損耗來說，測試頻率對其的影響要大于工藝參數的影響。在低頻段下，PEEK材料的介電損耗角正切隨頻率增加出現大幅度波動的情況；在高頻段時，隨著頻率升高，開始呈現波動上升的趨勢。

3 結語

1）3D打印工藝參數對介電常數的影響較大，在噴頭溫度400℃、基板溫度140℃、打印速度30mm/s、層厚0.1mm、腔室溫度120℃時PEEK樣件介電常數最低，合理選擇工藝參數可以有效降低對天線傳輸的干擾。

2）在所選的1～100MHz內，各工藝參數下PEEK樣件介電常數隨頻率變化均保持穩定，僅在10～20MHz段內均有微小波動，說明該范圍內頻率對介電常數無影響。

3）在1～40MHz頻率內，各工藝參數測試得到的PEEK介電損耗角正切均在大幅度波動；在40～100MHz頻率內，各工藝參數測試得到的PEEK介電損耗角正切均呈現波動上升的趨勢。在1～40MHz內，PEEK介電損耗角正切受頻率的影響更大，此頻率段內的天線使用PEEK材料應更著重考慮介電損耗的影響情況。

參考文獻：

［1］ 杜睿，嚴厚偉，張曉慶. 3D打印技術在天線及天線罩制作方面的應用［J］. 艦船電子對抗，2020，43（5）：82-87，107.

［2］ 劉秀利，苑博，孫鳳林. 3D打印在智能蒙皮天線中的應用發展［J］. 電子工藝技術，2020，41（6）：311-313，332.

［3］ VESELY′ P，TICHY′T，EFL O，et al. Evaluation of dielectric properties of 3D printed objects based on printing resolution［J］. IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2018，461：012091.

［4］ GOULAS A，ZHANG S Y，CADMAN D，et al. The impact of 3D printing process parameters on the dielectric properties of high permittivity composites［J］. Designs，2019，3（4）：50.