1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1 研究背景
增材制造(additive manufacturing，AM)技术俗称3D打印技术，是近几十年来快速发展的先进制造技术[1]。该技术是通过CAD设计数据或通过逆向工程设计采集数据，并采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除(切削加工)技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。自上世纪80年代末，增材制造技术逐步发展，期间也被称为“材料累加制造”(material increse manufacturing)、“快速原型”(rapid prototyping)、“分层制造”(layered manufacturing)、“实体自由制造”(solid free－form fabrication)、“3D打印技术”(3D printing)等[2]。名称各异的称呼分别从不同侧面体现了该技术的特点。
近年来，随着“2025中国制造”的提出，3D打印技术取得了迅速的发展，并在各个领域都取得了广泛的应用，如在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等[3]。3D打印技术单件或小批量的快速制造这一技术特点决定了3D打印技术在产品创新中具有显著的作用。
现今3D打印技术主要成型工艺有：立体光刻，分层实体制造，选择性激光烧结，熔融沉积成型，激光工程化净成型，无模铸型制造等。
其中，熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)，也有资料译成混合沉积建模、熔融挤出成型。这种工艺由美国学者在1988年首次提出，美国Stratasys公司在1992年开发推出第一台商业机型。其工艺过程是以热塑性成型材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向向上运动一段微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是使用、维护简单，制造成本低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，且无污染。
现今，市场上较为成熟的FDM打印机主要以ABS、PLA等材料为原料进行打印。这种方式已经逐步成熟，并向更深的方向发展，因此，其对设备性能，材料种类以及材料性能有着越来越高的要求。
聚醚醚酮(PEEK)材料以其优越的性能为众人所关注。它是一种具有耐高温、自润滑、易加工、高机械强度和生物相容性等优异性能的特种工程塑料。且医用PEEK材料是通过美国食品和药物管理局（FDA）认证的“最佳长期骨移植”材料。现代医疗中聚醚醚酮可以作为人工骨骼的移植材料[4]。主要有两方面原因：
(1) 良好的生物相容性，这是聚醚醚酮可作为人工移植的最关键原因，其良好的生物相容性使得植入后人体不会发生排异反应，并且多孔PEEK材料粗糙的表面可以使人体细胞更好的附着，帮助病患恢复；
(2) 杨氏模量与人体骨骼相近，现代医疗一般采用的钛合金作为人工骨骼，但是钛合金作为金属，其杨氏模量远大于人体骨骼。正因如此，当其移植到人体后短期内可以帮助人体恢复和骨骼修养，但是长期却会产生应力遮蔽现象(即，当两种不同杨氏模量的材料共同受载，杨氏模量较大的材料将承受大部分载荷的现象)，使得与钛合金接触受载的骨骼会引起骨质酥松，进而容易二次受伤[5]。而纯PEEK的杨氏模量为（3.86±0.72）GPa，经碳纤维增强可至（21.1±2.3)GPa，与人骨的杨氏模量最为接近，可以有效避免植入后与人骨产生的应力遮蔽以及松动现象。
虽然PEEK可作为优良的骨骼移植材料，但是由于PEEK材料的耐高温和材料成本高导致其不易加工，而且医疗人工骨骼的特征多样形状复杂，导致传统的制造工艺难以满足不同患者需求[6]，[7]。现在较为先进的方法是通过SLS技术来完成的，但成本较高，不易于推广。因此一种基于FDM技术的PEEK 3D打印机亟待推出，而针对PEEK材料的FDM打印机最关键的部分在于其高温喷头的设计。
1.2 国内外现状
1.2.1 国内研究现状
自上20世纪90年代开始，我国快速成型研究开始起步，发展至今，在快速成型方向有着极大的发展。近几年伴随着“2025中国制造”的提出，增材制造进入到了高速发展的时期。随着基础FDM打印机的不断成熟和产业化，对FDM 3D打印机提出了新的要求。高温PEEK3D打印机便是其中一项。
而今，国内大多数高校研究机构等对于高温PEEK 3D打印机的研究还处于实验室阶段。
2015年，陕西恒通智能机器有限公司推出了一款高温工业级3D打印机，其成型机采用全金属分离式喷头，可在400℃高温下连续工作48h，保证高熔点聚合物的顺利融化和挤出；采用高温密闭成型腔和金属加热基板，通过精确控制环境温度（最高可达200℃，误差≤±5℃）以及成型基板温度（最高可达300℃，误差≤±2℃）减小材料在成型过程中以及冷却过程中产生的翘曲变形；支持Cura、Replicator G等数据处理软件，也可根据需要编辑路径文件进行打印，方便零件成型以及材料工艺试验。
其具体性能参数如下表1。
表1 恒通公司高温3D打印机性能表
| 性能 | 参数 | |
| 打印材料 | 尼龙（PA）、聚酰亚胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）等 | |
| 参数可调 | 温度、速度等参数可调，适合材料试验及小批量生产 | |
| 兼容性 | 支持Cura、Replicator G等，也可自行编辑路径文件 | |
| 维护简单 | 底板可快速更换，节省成本 | |
| 成型尺寸 | 240mm*240mm*200mm | |
| 精度 | ±2%（≤100mm） | |
| 喷头温度 | 室温—400℃（误差≤±0.5℃，连续工作48小时） | |
注：该表格总结于该公司官网对产品特征描述。
1.2.2 国外研究现状
自1984年Chrales Hull初步提出了增材制造技术的雏形，国外增材制造技术便不断地研究，与国内相比各方面研究相对更为先进[8]。在高温PEEK 3D打印机的研究上也走在了我国的前面。
在2015年，INDMATEC公司研发的INDMATEC 3D打印机，采用全金属的热端挤出机，可以获得高达400℃的温度，目前是有报道的全球唯一一家可采用FDM技术打印PEEK的公司。该公司采用封闭式腔体结构，保证恒定的工作环境；特制的加热快和喷头能够承受400℃ 的高温，全金属喷头结构；特制的热床保证PEEK材料的最小翘曲。实现了PEEK材料的打印。
图1 INDMATEC公司研发的INDMATEC 3D打印机
1.3 研究意义
随着3D打印技术不断的成熟和普及，它越来越多的被运用到生产生活，以及医疗行业之中。对医生来说，3D打印技术的应用，更具精准度和前瞻性。仿真模型可以发现大量隐藏的信息，方便医生进行术前评估、诊断、选择手术路径、精确手术部位及决定手术方案。同时，3D打印技术突破传统制造思维的局限，配合诸如PEEK的材料等高性能材料，能完成复杂的人体骨骼制造，为患者提供“个性化定制”的人工骨骼，能更好的帮助病患治疗和恢复。
本课题为面向医用PEEK材料的3D打印机喷头热分析及实验研究，旨在对医用PEEK高温3D打印机的喷头进行设计仿真分析。实现PEEK 3D打印机关键部位——喷头的设计并结合仿真进行优化，打破现在医用PEEK材料的加工难，“个性化定制”难的问题，将PEEK打印机更进一步推向实际应用。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 研究内容及目标
本课题主要研究内容有：
(1) 设计一种适应于PEEK 3D打印机的喷头机构
(2) 对PEEK 3D打印机喷头所在的恒温腔体环境进行稳定温度场分析
(3) 对高温PEEK 3D打印机喷头进行热-结构耦合分析
(4) 进行样品打印实验，通过样品的各类性能，评定喷头的合理性。
2.1.1 喷头机构改进设计
主要工作：
(1) 查询《现代机械师手册》等完成喷头的基础设计；
(2) 通过SolidWorks软件完成喷头的三维虚拟模型的建立；
(3) 在相关仿真分析验证设计合理后，通过机械手册等，绘制零件图纸；
(4) 加工零件，并装配进行实验。
2.1.2 腔体温度场分析
主要工作：
(1) 通过热力学知识，完成腔体温度场模型的建立；
(2) 通过SolidWorks软件及ANSYS软件完成联合建模；
(3) 通过ANSYS进行温度场分析，得到腔体温度场云图；
(4) 结合恒温场云图进行分析。
2.1.3 喷头热耦合分析
主要工作：
(1) 将SolidWorks软件完成的三维模型转化到ANSYS之中；
(2) 设置喷头的相关热学状态；
(3) 借助ANSYS进行喷头的热-结构耦合分析计算，得到云图；
(4) 对云图进行分析得到喷头的热变形及温度梯度情况。
2.1.4 实验研究
对设计的喷头进行实验研究，主要针对：(1) 喷头的材质；(2) 喷头的口径；(3) 喷头的进丝方式；(4) 丝材直径等。通过以上四个因素进行变量控制，对打印出的材料进行考察分析，主要针对：(1)拉伸性能；(2)表面质量(粗糙度等)；(3) 翘曲程度；(4) 填充质量。通过比较以上相关参数找到最合适PEEK的打印的喷头设计
2.2 拟采用的研究方案及措施
2.2.1 医用PEEK材料特性
聚醚醚酮(PEEK)材料作为一种高性能的工程塑料[9]，[10]，[11]。其具有优秀的理化性能，包括：1耐腐蚀、抗老化；2 抗溶解性；3 高温高频高压电性能条件；4 韧性和刚性兼备；5耐辐照耐磨、耐腐蚀条件；6 耐水解，高温高压下仍可保持优异特性；7 轻量取代金属作光纤元件；8 耐磨损、抗静电电绝缘性能好；9 机械强度要求高部件；10 低烟尘和毒气排放性等。下表2是PEEK材料的理化性能表。
表2 PEEK材料理化性能表
| 基本参数 | 标准 | 单位 | PEEK |
| 密度 (ρ) | ISO 1183 | g/cm3 | 1.32 |
| 吸水率 | DIN 53495 | % | 0.5 |
| 化学抵抗性 | DIN 53476 |
| ---- |
| 连续使用温度 |
| ℃ | 260 |
| 温度上限（短时） |
| ℃ | 310 |
| 温度下限（短时） |
| ℃ | -40 |
|
|
|
|
|
| 力学性能 | 标准 | 单位 | PEEK |
| 屈服抗拉强度(σs) | ISO 527 | MPa | 97 |
| 屈服拉应变(εs) | ISO 527 | % | 4.9 |
| 极限抗拉强度(σR) | ISO 527 | MPa | ---- |
| 极限拉应变(εR) | ISO 527 | % | 60 |
| 抗冲击韧度(an) | ISO 179 | kJ/m2 | * |
| 缺口冲击韧度(ak) | ISO 179 | kJ/m2 | 8.2 |
| 洛氏法球压硬度(Hk) /Rockwell | ISO 2039-1 | MPa | M 99 |
| 抗弯强度(Et) | ISO 527 | MPa | 3660 |
|
|
|
|
|
| 热学性能 | 标准 | 单位 | PEEK |
| 维卡软化温度 VST/B/50 | ISO 306 | ℃ | 250 |
| VST/A/50 |
| ℃ | ---- |
| 热畸变温度 HDT/B | ISO 75 | ℃ | 240 |
| HDT/A |
| ℃ | 152 |
| 热线性膨胀系数(α) | DIN 53752 | K-1x 10-4 | 0.47 |
| 热导率20(λ) | DIN 52612 | W/(m*K) | 0.25 |
|
|
|
|
|
| 其他性能 | 标准 | 单位 | PEEK |
| 粘接性 |
|
|
|
| 无毒无害性 | EEC 90/128 |
|
|
| 燃烧性能 | DIN 53375 |
| 0.34 |
2.2.2 喷头的选材
由于PEEK材料的熔点为343℃，远高于一般的工程塑料，且具备良好的隔热效果，因此，往往作为3D打印机的喷头隔热材料。也正因如此传统的FDM喷头无法满足PEEK材料的打印温度要求。故借鉴国内外最新研究结果，喷头的材料预将采用全金属制造[6]。下表3、表4是常用金属的特性表格和热线性膨胀系数(α)：
表3 金属特性表格
| 名称 | 熔点 /℃ | 导热率 /W·m-1·K | 比热容 /J·Kg-1·K-1 |
| 紫铜 | 1083 | 407 | 418 |
| 黄铜 | 1083 | 109 | 377 |
| 铝 | 658 | 238 | 902 |
| 不锈钢 | ---- | 15.2 | 460 |
表4 热线性膨胀系数(α)
| 材料 | 温度范围/℃ | |||||
| 20 | 20~100 | 20~200 | 20~300 | 20~400 | 20~600 | |
| 紫铜 |
| 17.2 | 17.5 | 17.9 |
|
|
| 黄铜 |
| 17.8 | 16.8 | 20.9 |
|
|
| 铝 |
| 22.0~24.0 | 23.4~12.2 | 24.0~25.9 |
|
|
| 铬钢 |
| 11.2 | 11.8 | 12.4 | 13 | 13.6 |
注：表格数据来自《常用金属特性手册》
通过上表数据分析,紫铜导热率407 W·m-1·K、比热容418 J·Kg-1·K-1较其他材料而言，更适合作为喷头材料[12]。
因此，将采用紫铜作为喷头的喉管和喷头，利用铝作为喷头的散热片及加热块。
2.2.3 喷头模型建立
熔融沉积成型(FDM)技术的关键在于喷头的设计，一般的喷头主要由加热结构，进丝机构，和喷嘴等组成(如图3)，其中连接加热部分和支撑构件之间主要用隔热材料连接，如PEEK，聚乙亚胺等[13]。但现在由于打印材料为医用PEEK材料，进而无法沿用之前的隔热方式。
图2 FDM喷头简化原理模型
样机采用宁波速美科技有限公司SMART 2.0 FDM 3D打印机作为原型机改进。在喷头的加热部分，将采用紫铜及铝合金设计制造。用铝合金散热片来取代之前的隔热PEEK部分。
喷头的初始建模将采用精确建模软件SolidWorks软件完成，并配合手册通过机械设计和优化仿真完成喷头的设计[14],[15]。
2.2.4 热分析方案
由于PEEK材料不同于以往材料的特性，对喷头的温度有非常高的要求，故在完成喷头的设计时有必要对喷头的受热情况及所处恒温加热腔体的温度场情况进行分析[16]。
对于加热腔体的温度场将近似处理为稳定温度场[17]。通过热力学定律建立温度场数学模型。并通过ANSYS进行运算处理，得到理论分析结果，为喷头热-结构耦合打下基础。
在喷头部分，将进行热-结构耦合分析，得到在高温环境下，喷头的应力情况及温度分布，作为理论基础进一步优化喷头结构[18]。
2.2.5 实验设计
在完成喷头设计分析后，将对喷头进行加工组装和实验研究。
在实验研究中将研究的对象设为喷头的打印样品，由样品的相关特性间接的反应喷头的优化结果。
在实验研究中将采用控制变量法，现今暂设主要自变量有四个：(1) 喷嘴的材质；(2) 喷嘴的口径；(3) 喷头的进丝方式；(4) 丝材直径等。与之相对的应变变量为：(1)力学性能；(2)表面质量；(3) 翘曲程度；(4) 填充质量等。
实验数据表格初步拟定如下表5实验数据记录拟表
表5 实验数据记录拟表
| 自变量 | 因变量 | ||||
| 力学性能 | 表面质量 | 翘曲程度 | 填充质量 | ||
| 喷嘴材质 | 紫铜 |
|
|
|
|
| 黄铜 |
|
|
|
| |
| 喷嘴口径 (mm) | 0.3 |
|
|
|
|
| 0.4 |
|
|
|
| |
| 0.5 |
|
|
|
| |
| 0.6 (可加) |
|
|
|
| |
| 丝材直径(mm) | 1.75 |
|
|
|
|
| 3 |
|
|
|
| |
| 进丝方式 | 近端进丝 |
|
|
|
|
| 远端进丝 |
|
|
|
|
3. 研究计划与安排
为了更合里的安排毕业设计的时间，我做了如下表6的规划。
表6 毕设时间进度安排
| 时间 | 论文进度 | 知识补充 | 分析进度 | 试验进度 | 文献准备 |
| 前期准备 | 暂无 | PEEK材料及打印机相关知识互补 | 暂无 | 暂无 | 文献查阅 |
| 第一周 2月28日 | |||||
| 第二周 3月4日 | 热力学分析相关论文查阅及喷头资料 | ||||
| 第三周 3月11日 | 撰写背景部分 | 热力学知识补充，初步学习ANSYS | |||
| 第四周 3月18日 | 进行温度场建模分析 | 设计喷头模型 | |||
| 第五周 3月25日 | 撰写第二章分头结构设计部分 | ||||
| 第六周 4月1日 | 进行热-结构耦合分析 | 查阅相关喷头设计及实验研究的论文资料 | |||
| 第七周 4月8日 | 完成论文第三章温度场分析撰写 | 学习实验研究方法设计实验 | 暂无 | ||
| 第八周 4月15日 | 完成论文第四章喷头热-结构耦合分析撰写 | 暂无 | 实验研究 | ||
| 第九周 4月22日 | 撰写实验报告 | 暂无 | 暂无 | ||
| 第十周 4月29日 | |||||
| 第十一周 5月6日 | 整理撰写第五章，结语及参考文献 | 暂无 | |||
| 第十二周 5月13日 | 整理成完成论文初稿 | 缓冲时间 | 缓冲时间 | 缓冲时间 | 缓冲时间 |
| 第十三周 5月20日 | 修改论文 | ||||
| 第十四周 5月27日 | 缓冲 |
4. 参考文献（12篇以上）
4 参考文献（其中近五年外文文献不少于3篇）
[1] 陈定方, 尹念东. 国际先进制造技术发展现状[j]. 黄石理工学院学报, 2006, 04: 5-7
[2] 卢秉恒, 李涤尘, 增材制造(3d打印)技术发展[j]. 机械制造与自动化, 2013, 42(4) : 1-4
