聚醚醚酮增材與減材復(fù)合加工對比實(shí)驗(yàn)

周浩 ，程祥 ，閆新華 ，鄭光明 ，姜秀麗 ，董瑞春 ，李陽

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255000； 2.諾伯特智能裝備(山東)有限公司，山東聊城 252022；3.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250031)

聚醚醚酮(PEEK)材料具有無毒、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、高強(qiáng)度、高韌性、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于臨床，取得了良好的臨床療效和廣泛的認(rèn)可[1]。增減材復(fù)合加工技術(shù)是將傳統(tǒng)數(shù)控(CNC)技術(shù)與增材制造(AM)技術(shù)相結(jié)，一方面規(guī)避了AM技術(shù)的尺寸偏差、臺階效應(yīng)、表面質(zhì)量不佳等問題；另一方面能夠充分發(fā)揮CNC技術(shù)高精度和高表面質(zhì)量的優(yōu)勢[2]。增減材復(fù)合加工技術(shù)在PEEK材料研究領(lǐng)域的應(yīng)用，滿足了人們對人工植入物的個性化制造需求。熔融沉積成型(FDM)技術(shù)成本低、操作簡單，廣泛應(yīng)用于復(fù)合制造的增材部分。但由于FDM打印逐層堆積成型過程中，材料冷卻快、結(jié)合面溫差大，導(dǎo)致擠出單根材料的層間結(jié)合強(qiáng)度差，如圖1所示。其中單根材料的結(jié)合層間又分為水平層間和豎直層間，豎直層間結(jié)合強(qiáng)度只達(dá)到水平層間的40%～50%[3]。因此FDM打印材料的整體力學(xué)性能和可加工性均小于注塑材料[4]，其豎直方向表現(xiàn)出最差的力學(xué)性能[5-6]。由于PEEK材料的熔點(diǎn)比一般復(fù)合材料更高，這一問題更加顯著。在復(fù)合加工時，銑削表面會出現(xiàn)毛刺多、層間分離和凹坑等問題[7]，阻礙了PEEK材料復(fù)合制造的應(yīng)用。

圖1 FDM打印層間結(jié)合原理圖

關(guān)于提升PEEK材料復(fù)合加工質(zhì)量的研究，呂福順等[8]以尺寸誤差為指標(biāo)，選取層厚、打印速度和噴嘴溫度三個因素展開優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，選取合適的銑削參數(shù)，提高了打印PEEK的表面精度。王鵬等[9]以水平方向的整體拉伸強(qiáng)度和打印表面粗糙度為指標(biāo)，優(yōu)化了打印工藝參數(shù)，以銑削表面粗糙度為指標(biāo)，優(yōu)化了平面銑削工藝參數(shù)。劉徽等[10-11]以打印時間、打印材料消耗量、儲能模量為響應(yīng)值，優(yōu)化了打印工藝參數(shù)，以表面粗糙度為響應(yīng)值，優(yōu)化了平面和曲面銑削工藝參數(shù)。趙廣賓等[12]、於天鵬等[13]、史長春等[14]、李莎莎[15]和趙峰[16]都以水平方向的力學(xué)性能為指標(biāo)，研究了PEEK材料FDM打印的工藝參數(shù)。結(jié)合目前的研究來看，減材部分的研究均以加工表面粗糙度為指標(biāo)，平面和曲面銑削的研究較為成熟；對增材部分的研究主要以打印尺寸誤差、表面粗糙度、水平方向力學(xué)性能等為指標(biāo)。但是對于復(fù)合制造來說，增材過程所造成的表面精度問題最后都會通過減材部分消除，所以增材部分的尺寸誤差和表面粗糙度對最后的表面加工質(zhì)量影響不大。以水平方向的力學(xué)性能為指標(biāo)，提高了整體力學(xué)性能，但忽略了結(jié)合強(qiáng)度最差的豎直層間。銑削過程銑削力方向和大小分布復(fù)雜多變，必然先破壞結(jié)合最薄弱的豎直層間，即便使用優(yōu)化后的銑削參數(shù)，加工后的力學(xué)性能和表面質(zhì)量相比注塑材料還是有較大差距。這表明目前關(guān)于PEEK材料復(fù)合制造增材部分的研究還不夠全面，尚缺乏針對兩種層間結(jié)合部分對復(fù)合制造質(zhì)量影響的研究。

鑒于此，筆者把沿不同堆積方向打印的兩組模型，分別沿橫、縱兩個方向走刀銑削，結(jié)合FDM打印材料的微觀結(jié)構(gòu)和層間結(jié)合力分布特點(diǎn)，綜合分析銑削力、加工表面形貌和表面粗糙度等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究了打印PEEK材料的水平層間結(jié)合部分和豎直層間結(jié)合部分對銑削質(zhì)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PEEK線材：PEEK5600G，直徑1.75 mm，熱變形溫度≥151℃，江蘇君華特種工程塑料制品有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

熔融增材與銑削減材復(fù)合加工機(jī)床：ASM-03型，增材部分的噴頭溫度可達(dá)450℃，熱床溫度可達(dá)260℃，減材部分的主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)10 000 r/min，山東博創(chuàng)機(jī)械科技有限公司；

三向測力儀：Kistler9257B型，瑞士奇石樂公司；

粗糙度儀：TR200型，常州三豐儀器科技有限公司；

電子顯微鏡：F210型，深圳卓創(chuàng)富科技有限公司。

1.3 試樣制備

(1)增材加工試樣制備。

使用三維軟件Solidworks繪制曲面模型并以STL格式導(dǎo)入U(xiǎn)ltimaker Cura軟件進(jìn)行切片。分別按銑削面垂直、平行于堆積方向打印兩組試樣，如圖2所示，每組分別打印2個試樣，分別用a1，a2和b1，b2表示。打印工藝參數(shù)設(shè)置為：噴頭溫度為370℃，熱床溫度為230℃，層高為0.3 mm，填充方式為直線，填充角度為±45°。

圖2 曲面模型及堆積方向

(2)減材加工試樣制備。

使用球頭銑刀對曲面進(jìn)行銑削加工，每組的2個試樣分別沿X向橫向走刀、沿Y向縱向走刀，如圖3所示。減材部分采用PEEK材料最優(yōu)的銑削工藝參數(shù)，使用2 mm的球頭銑刀進(jìn)行銑削加工，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為3 500 r/min、切削深度為0.2 mm、每齒進(jìn)給量為 0.06 mm[10-11，17]。

圖3 試樣減材加工方案

1.4 性能測試

在每個試樣的曲面上選取6個位置點(diǎn)，如圖2a所示，使用三向測力儀測量這6個位置點(diǎn)銑削時的受力情況，使用粗糙度儀測量銑削后的表面粗糙度平均值(Ra)及表面形貌，結(jié)合材料成型結(jié)構(gòu)綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

使用電子顯微鏡觀察加工試樣的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 銑削力測試

三向測力儀數(shù)據(jù)記錄界面如圖4所示。由圖4可以看出，無論哪個方向走刀銑削，在銑削過程中X，Y向的銑削力都在0 N上下正負(fù)方向交替變化，Z向的銑削力始終在正方向范圍內(nèi)波動。筆者研究了銑削力對打印試樣的微觀破壞情況，X，Y，Z向的銑削力只取銑刀經(jīng)過測量位置點(diǎn)時段內(nèi)的最大力數(shù)值。依照此方法，沿曲面輪廓選取試樣在如圖2a所示的6個位置點(diǎn)，對其在X，Y，Z三方向的銑削力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖5所示。

圖4 三向測力儀數(shù)據(jù)記錄界面

圖5 三向銑削力對比

從圖5可以看出，在兩種走刀方式下，X向的銑削力大小相差不大，整體在5～15 N之間；Y向的銑削力也相差不大，整體在5～10 N之間。但是，Z向的銑削力相差較大，沿X向橫向走刀時，Z向的銑削力在60～100 N之間，沿Y向縱向走刀時，Z向的銑削力在6～20 N之間。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)檠豗向縱向走刀銑削時，銑刀的高度和銑刀與銑削面的接觸角度不變化，Z向的銑削力較小。而沿X向橫向走刀銑削時，銑刀的高度和銑刀與銑削面的接觸角度變化較大，Z向的銑削力較大。

2.2 加工表面質(zhì)量測試

加工試樣的整體外觀形貌如圖6所示。從圖6可以看出，復(fù)合加工后的試樣整體質(zhì)量相比僅增材制造試樣有較大提高。

圖6 加工試樣的整體外觀形貌

對復(fù)合加工后兩組試樣的表面進(jìn)行觀察，復(fù)合加工后a組試樣的表面質(zhì)量如圖7所示。從圖7可以看出，a1，a2試樣表面都有大量毛刺和白色斑點(diǎn)，經(jīng)測量得到其Ra分別為3.620，3.546 μm，表面質(zhì)量相差不大，故選取a1試樣進(jìn)行加工表面形貌分析。

圖7 復(fù)合加工后a組試樣的表面質(zhì)量

復(fù)合加工后a1試樣的表面形貌如圖8所示。觀察圖8可發(fā)現(xiàn)，其表面缺陷類型主要分為3種：較小毛刺集中在位置點(diǎn)1，3區(qū)域；較大毛刺、整條材料脫落集中出現(xiàn)在位置點(diǎn)2區(qū)域；白色斑點(diǎn)較多，整個銑削曲面上都有分布。仔細(xì)觀察這些毛刺(圖8中虛線)可發(fā)現(xiàn)，其走向與Y向呈±45°，最大寬度約為0.4 mm。而模型打印過程中的填充角度為±45°，噴頭直徑為0.4 mm，與毛刺尺寸和走向?qū)?yīng)。說明毛刺和材料脫落，實(shí)際上是噴頭擠出的單根材料層間結(jié)合強(qiáng)度不足，受銑削力作用造成的，白色斑點(diǎn)則是豎直層間已經(jīng)分離，但還未翹起的毛刺。

圖8 復(fù)合加工后a1試樣的表面形貌

復(fù)合加工后b組試樣的表面質(zhì)量如圖9所示。從圖9可以看出，b1，b2試樣表面幾乎無毛刺和白色斑點(diǎn)，經(jīng)測量得到其Ra分別為1.220，1.393 μm，表面質(zhì)量相差不大，故選取b1試樣進(jìn)行加工表面形貌分析。

圖9 復(fù)合加工后b組試樣的表面質(zhì)量

復(fù)合加工后b1試樣的表面形貌如圖10所示。從圖10可以看出，b1試樣表面光滑，加工質(zhì)量明顯優(yōu)于a1試樣，加工表面從下往上出現(xiàn)了越來越明顯的橫線(圖10中虛線)。這些橫線在半透明的PEEK表層之下，沒有影響到Ra和光澤度，可見并不是銑削加工造成的。這些橫線沿堆積打印方向呈平行分布，兩線間距為0.3 mm，與打印層高相同，說明這些線即為豎直層間結(jié)合線。圖10中向下為熱床底板的方向，隨著打印高度的增加，熱量傳遞越來越差，上下兩層溫差變大，豎直層間結(jié)合強(qiáng)度下降，所以出現(xiàn)了橫線紋路越來越明顯的現(xiàn)象。

圖10 復(fù)合加工后b1試樣的表面形貌分析示意圖

通過對比以上表面形貌和粗糙度可以看出，相同堆積方向打印的a1，a2試樣銑削表面質(zhì)量相似，b1，b2試樣銑削表面質(zhì)量相似。不同堆積方向打印的a，b兩組試樣銑削表面質(zhì)量出現(xiàn)了較大差異，b組表面質(zhì)量明顯優(yōu)于a組。

2.3 試樣對比分析

結(jié)合銑削力和表面質(zhì)量，對比分析a1，a2試樣可知，X，Y向銑削力大小大致相同，Z向的銑削力大小有明顯差異，但最后的表面加工質(zhì)量差別不大。說明Z向銑削力對FDM打印試樣的銑削質(zhì)量影響作用不明顯。對比分析a1，b1試樣可知，銑削方式相同，所受銑削力情況類似，但最后的銑削加工質(zhì)量卻出現(xiàn)了明顯差異。說明對于PEEK材料來說，增材加工過程形成的材料自身特性對復(fù)合加工質(zhì)量產(chǎn)生的影響大于減材加工對復(fù)合加工質(zhì)量產(chǎn)生的影響。增材加工材料的自身特性為主要影響因素，而a，b兩組銑削試樣增材加工過程形成的特性主要存在兩點(diǎn)不同：

(1)熱床底板對試樣的影響不同。熱床底板距銑削面距離不同導(dǎo)致層間結(jié)合強(qiáng)度不同。a組模型的銑削面距離熱床底板的最遠(yuǎn)距離為20 mm，其Ra=3.583 μm；最近距離為 10 mm，其Ra=3.362 μm。b組試樣的銑削面距熱床底板的距離為0～10 mm，但其Ra沿高度的變化并不明顯，其Ra=1.2 743 μm。a，b兩組試樣中，距離熱床底板高度都為10 mm的銑削面，其Ra卻相差較大，可見熱床底板距銑削面高度不同所產(chǎn)生的影響不是造成a，b組試樣銑削質(zhì)量產(chǎn)生差異的主要原因。

(2)堆積方向不同，擠出單根材料所受主要影響銑削力的部分不同。a1，a2試樣的對比已經(jīng)證明Z向的銑削力對最后加工質(zhì)量的影響很小，影響最后銑削質(zhì)量的是水平剪切力(即X，Y向的銑削力合力)和試樣自身受力結(jié)構(gòu)。a組試樣堆積方向垂直銑削面向上，b組試樣是沿銑削模型的側(cè)面堆積打印，堆積方向平行于銑削面。a組試樣銑削時豎直層間結(jié)合面與水平方向的剪切力相平行，剪切力正好作用在擠出單根材料結(jié)合強(qiáng)度最弱的豎直層間結(jié)合部分。而b組試樣銑削時，水平方向銑削力主要作用在單根材料的水平層間結(jié)合部分。因?yàn)椴牧系呢Q直層間的結(jié)合強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于水平層間的結(jié)合強(qiáng)度，所以才會出現(xiàn)相比于b組試樣，a組試樣表面質(zhì)量明顯較差的現(xiàn)象，可以說明豎直層間結(jié)合強(qiáng)度較差是影響復(fù)合加工質(zhì)量的主要因素。

3 結(jié)論

對沿不同堆積方向打印的兩組曲面模型進(jìn)行銑削對比實(shí)驗(yàn)。通過對材料結(jié)構(gòu)、銑削力和加工表面質(zhì)量的分析，得出如下結(jié)論：

(1)在實(shí)驗(yàn)確定的銑削工藝參數(shù)下，橫向走刀和縱向走刀對FDM打印試樣銑削加工質(zhì)量的影響不大。

(2)打印試樣的層間結(jié)合強(qiáng)度隨試樣距底板熱床的高度增加而減小，但不是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要因素。

(3)擠出單根材料的層間結(jié)合強(qiáng)度不足會大大降低銑削質(zhì)量，其中豎直層間結(jié)合強(qiáng)度過低是主要影響因素。需進(jìn)一步提高打印材料的豎直層間結(jié)合強(qiáng)度，以提高PEEK材料復(fù)合加工的質(zhì)量。