基于FDM的PEEK/CGF復合材料綜合力學性能優化

李久振，戰麗，李莞，袁勇超，李云鵬

(1.中國機械總院集團青島分院有限公司，山東青島 266300； 2.中國機械總院集團北京機電研究所有限公司，北京 100083)

近年來，增材制造技術發展迅速，從消費級小型桌面打印機到專用的大型工業打印機、從低溫低速打印機到高溫高速打印機，已經發展成為一大行業。

熔融沉積成型(FDM)是增材制造中應用最廣泛的技術之一，其在熱塑性樹脂基材料復雜構件一體化成型方面具有極大優勢。對于一些需要在高溫高壓等極端環境下工作的復雜零部件，為滿足輕量化、形性功能一體化的應用需求，常以高性能工程塑料作為樹脂基體。但隨著對此類功能部件力學性能的要求越來越高，純樹脂材料在一些應用場景中已經不能滿足需求，因此大量專家學者通過在樹脂材料中添加纖維增強相進而制作出纖維增強復合材料來提高樹脂材料的各項性能。其中Zhong等[1]、Wang等[2]研究了基于FDM技術下的短切碳纖維和短切玻璃纖維增強高性能聚醚醚酮(PEEK)復合材料打印件的性能表現，通過檢測微觀結構、表面質量、孔隙率和力學性能等指標可知，向PEEK樹脂中添加玻璃纖維或者碳纖維可以顯著提高拉伸強度和撓曲強度。Dickson等[3]采用短切碳纖維、短切玻璃纖維以及Kevlar纖維作為復合絲材的增強相進行3D打印，發現纖維增強尼龍(PA)復合材料的力學性能大幅提升。在此基礎上為進一步提高復合材料的力學性能，專家學者將增強相由短切纖維改為連續纖維，其中Tian等[4]，Chabaud等[5]探究了連續碳纖維、連續玻璃纖維增強復合材料在結構件上的應用，相較于短切纖維增強，連續纖維呈現出了更為優異的力學性能。於琳濤等[6]運用連續纖維增強樹脂基復合材料增材制造技術制造零部件，并將其應用在航空航天、武器制造等領域。

在FDM打印機常用的樹脂材料中，多為普通的工程塑料或者無毒無公害的低熔點塑料，比如聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料和PA等，但這種低熔點工程塑料的力學性能受限于材料本身的性質，所以其制件也無法在極端工作環境下使用。為使打印件的應用范圍更廣、力學性能更優越，需選用高性能工程塑料作為樹脂基體，輔以連續纖維增強，以提高復合材料制件的拉伸強度、彎曲強度。PEEK是一種半結晶類的熱塑性特種工程材料，其負載熱變形溫度可以達到316 ℃，能夠在260 ℃的高溫環境下連續使用。與低熔點熱塑性材料相比，PEEK具有優異的力學性能、熱物理性能、絕緣性能，此外還具有良好的生物相容性，在一些領域能夠代替陶瓷和金屬等材料[7-9]。Ding等[10]研究了連續碳纖維、連續玻璃纖維等作為增強相的復合材料力學性能，發現玻璃纖維對沖擊性能的提升較大，而碳纖維的存在反而增加了材料的脆性，所以連續玻璃纖維增強PEEK復合材料所制作的復雜功能部件的綜合性能更為優越，其耐用性更高。

PEEK熔點高，因此可以在高溫、高壓等極端環境下工作，但同樣其高熔點的特性在增材制造打印過程中也產生了很多困難，對3D打印設備的性能提出了高要求，同時對打印工藝的要求也上升了幾個臺階。Zhao等[11]研究了PEEK在FDM打印過程中的光柵角、噴嘴溫度和環境溫度等工藝參數對純PEEK材料的綜合力學性能影響因素，揭示了其斷裂機理，該團隊還研究了PEEK義肢的力學性能，為其在醫學領域提供了應用指導。Geng等[12]研究了打印過程中力與速度等對PEEK細絲結構和尺寸的影響，探測模擬了擠出機的擠出力與阻力，編制了優化控制算法，改善了擠出絲的表面粗糙度，為FDM精度控制提供了技術支持。單忠德院士團隊對連續纖維增材制造專用裝備做了大量研究[13-14]，在連續纖維增強樹脂基復合材料的成型方法、工藝及性能方面取得了很多成果，為筆者的試驗探究提供了理論及技術參考。

上述研究工作均表明了PEEK及其復合材料的增材制造技術具有極大的發展潛力，但上述研究大多以純PEEK樹脂及短切纖維增強PEEK為原材料，關于連續纖維增強PEEK復合材料的增材制造基礎工藝及工藝優化方面的研究較少。

為了進一步探究增材制造成型工藝參數對連續纖維增強PEEK復合材料力學性能的影響，筆者以連續玻璃纖維增強PEEK (PEEK/CGF)復合材料絲材作為原材料，通過拉伸強度、彎曲強度來表征其力學性能。通過文獻檢索，發現嚴春暉團隊在此方面也做了一些研究工作[15-16]，該團隊研究了連續纖維增強PEEK增材制造過程中的打印溫度、基板溫度以及熱處理等工藝參數對連續纖維增強PEEK制件力學性能的影響，找到了最優的工藝參數組合：噴頭溫度440 ℃、成型平臺溫度160 ℃、打印速度2 mm/s等，在其探究的最優工藝參數下，樣件的彎曲強度達到351.59 MPa，拉伸強度為383.75 MPa，其研究內容對筆者的試驗探究具有非常重要的指導意義。但是增材制造過程中的關鍵工藝參數不僅有嚴春暉團隊所探究的噴頭溫度、成型平臺溫度、打印速度，除此之外保溫艙溫度、打印路徑、層厚、道間距等工藝參數組合也直接關乎打印樣件力學性能的優劣，因此筆者擬設計單因素試驗、Plackett-Burman Design試驗(PB析因試驗)以及Box-Behnken Design試驗(BBD試驗)來探究保溫艙溫度、常用打印路徑、層厚、道間距等工藝參數對樣件力學性能的影響，分析工藝參數之間是否存在相互影響，進而通過BBD試驗擬合二次回歸模型并預測現有加工條件下最優工藝參數組合，最后進行試驗驗證調整得出最優工藝參數。

1 試驗準備

1.1 主要原材料

PEEK/CGF預浸絲：直徑為1.0 mm，表面光滑，玻璃纖維線密度為300 tex，預浸絲纖維體積分數約為29.3%，濱州艾克新材料科技有限公司。

1.2 主要儀器與設備

萬能材料試驗機：INSTRON 5567，美國英斯特朗公司；

連續纖維增強復合材料高溫FDM打印機：噴頭溫度0～450 ℃，成型平臺溫度0～170 ℃，保溫艙溫度0～ 90 ℃，自制。

1.3 樣件制備

本次試驗樣件均由自制連續纖維增強復合材料高溫FDM打印機制備，該打印機噴嘴外徑1.75 mm，內置1.0 mm金屬管，噴頭溫度設為440 ℃，成型平臺溫度設為160 ℃，打印速度設為2 mm/s[12]。

1.4 試驗設計

擬通過設計單因素試驗、PB析因試驗以及BBD試驗來探究保溫艙溫度、常用打印路徑、層厚、道間距等工藝參數對樣件拉伸強度、彎曲強度的影響，進而優化工藝參數。

單因素試驗采用控制變量法，目的是確定各工藝參數單獨作用時對目標性能的影響規律；PB析因試驗是在單因素試驗的基礎上進一步設計一系列試驗，目的是得到表征各工藝參數對目標性能影響程度的帕累托圖，進而明確各工藝參數之間是否存在相互作用以及相互作用的影響程度；最后通過BBD試驗擬合二次回歸模型并預測現有加工條件下最優工藝參數組合，再進行試驗驗證得出最優工藝參數。

1.5 樣件力學性能測試

拉伸試樣及拉伸強度測試方法按照GB/T 1447-2005中的規定執行，制備Ⅰ型試樣，其總長度L=180.0 mm，中間平行段長度L1=55.0 mm，中間平行段寬度b1=10.0 mm，厚度h=2.0 mm，測試時加載速度為10 mm/min，5個試樣一組取平均值；

彎曲試樣及彎曲強度測試方法按照GB/T 1449-2005中的規定執行，制備樣件厚度h=3.0 mm，寬度b=25.0 mm，總長L=60.0 mm，跨距L1=48.0 mm，測試時加載速度為10 mm/min，5個試樣一組取平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 單因素試驗

單因素試驗采用控制變量法，探究單個打印工藝參數的取值對目標性能的影響規律，因變量水平值選取依據設備及耗材規格。保溫艙溫度(A)選取50～90 ℃，通過實測，在未加保溫艙裝置時，工作艙溫度已處于40～50 ℃，試驗裝置最高保溫90 ℃，故以10 ℃為一個單位測試樣件力學性能隨溫度變化趨勢；打印路徑(B)在常用層合板直線打印(0°/0°/0°/0°)的基礎上做了最外層調整，其目的是在現有研究已取得的強度上做進一步探究，此處選取了典型的5種路徑角度；層厚(C)選取0.25～1.25 mm，依據絲材規格1.0 mm，纖維體積分數29.3%，又因為復合材料性能與纖維含量有強相關性[17]，故在纖維不堵塞噴嘴且能完成連續打印的最小尺度0.25 mm的基礎上依次疊加，探究該材料的最優層厚；道間距(D)選取0.5～2.5 mm，道間距的取值直接關系到打印件的纖維體積含量，在一定范圍內，纖維含量越高，打印件力學性能越優越，即在道間距1.0 mm恰好完全填充為界時，以0.5 mm為跨度進行打印，上下共分5組進行趨勢探索；未涉及打印參數均依據文獻[12]所得最優工藝選取，在此基礎上做進一步驗證探究，其余工藝參數則按照性能最優的原則選取，單因素試驗及結果見表1。

表1 單因素試驗及結果Tab. 1 One-way test and results

由表1單因素試驗數據可得，針對拉伸、彎曲強度性能提升，最優工藝參數組合分別如下。

拉伸強度：保溫艙溫度為90 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、層厚為1.0 mm、道間距為1.0 mm。根據現有最優工藝參數組合進行試驗驗證，拉伸強度為316.88 MPa。

彎曲強度：保溫艙溫度為90 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、層厚為0.75 mm、道間距為0.5 mm。根據現有最優工藝參數組合進行試驗驗證，彎曲強度為472.50 MPa，彎曲強度已明顯得到改善。

為進一步探究各工藝參數之間是否存在相互作用，需進一步設計PB析因試驗，根據二八法則確定各個因素以及交互因素對目標性能的影響。

2.2 PB析因試驗

PB析因試驗是依據單因素試驗提供的各影響因素的高低水平值進行試驗設計，通過該試驗設計進而繪制出描述各工藝參數對目標性能影響程度的帕累托圖。

為探究各工藝參數力學性能的影響程度，PB試驗的水平值應在單因素試驗所得趨勢內選取的范圍較大一些，以放大工藝參數對目標性能的影響程度，同時為保證試驗的準確性，則應選取峰值拐點前后對應的工藝參數水平。具體因素水平的確定如下：在單因素試驗1～5中，保溫艙溫度對樣件力學性能的影響規律較為明確，呈現出拉伸強度、彎曲強度隨保溫艙溫度的上升而上升的趨勢，由于單因素試驗保溫艙保溫范圍為50～90 ℃，考慮到PB析因試驗取值的大范圍及需取在峰值前后的要求，為兼顧二者，故在此處“小中取大”，將保溫艙溫度定位在70～90 ℃；同理典型打印路徑取0°～45°鋪層；對于層厚，在單因素試驗中拉伸強度和彎曲強度明顯出現了拐點，則根據拐點附近“小中取大”的原則，拉伸強度對應層厚的水平定為0.5～1.25 mm，彎曲強度對應層厚的水平定為0.5～1.0 mm；道間距的因素水平確定同上所述，對于拉伸強度，根據拐點附近“小中取大”的原則，水平取值0.5～1.5 mm，對于彎曲強度，中道間距水平的確定則同保溫艙溫度及打印路徑的確定原則一致，取值0.5～1.5 mm。PB析因試驗方案及結果分別見表2、表3和表4。

表2 PB析因試驗輸入值Tab. 2 PB analysis test inputs

表3 PB-拉伸試驗方案及結果Tab. 3 PB-Tensile test schemes and results

表4 PB-彎曲試驗方案及結果Tab. 4 PB-Bending test schemes and results

通過上述PB析因試驗數據，運用Design-Expert軟件繪制出表征PEEK/CGF復合材料增材制造工藝參數對目標性能的影響程度的帕累托圖，如圖1和圖2所示。由圖1可以看出，各工藝參數及其交互作用對樣件拉伸強度的影響程度排序為：B＞D＞A＞BD＞C＞AB＞CD＞AC＞AD＞BC。

圖1 拉伸強度-帕累托圖Fig. 1 Tensile strength-Pareto chart

圖2 彎曲強度-帕累托圖Fig. 2 Bending strength-Pareto chart

由圖1可知，較為顯著影響因素(取大于1%)排序為：B＞D＞A，即打印路徑＞道間距＞保溫艙溫度；PB-拉伸試驗中的第6組的層厚與道間距均不是單因素試驗中優選的最優值，但二者與保溫艙溫度、打印路徑組合后性能反而優于單因素優選的工藝，這也證明了工藝參數之間是存在關聯配合影響的。

由圖2可以看出，各工藝參數及其交互作用對樣件彎曲強度的影響程度排序為：B＞BD＞D＞A＞BC＞AB＞C＞AC＞AD＞CD。結果如圖2顯示，彎曲強度影響因素較為復雜，各個交互作用在彎曲強度的提升上也占據相當重要的地位，其顯著影響因素(取大于1%)排序為：B＞BD＞D＞A＞BC＞AB＞C，即打印路徑＞打印路徑與道間距的交互作用＞道間距＞保溫艙溫度＞打印路徑與層厚的交互作用＞保溫艙溫度與打印路徑的交互作用＞層厚。

2.3 BBD響應面試驗

2.3.1 BBD試驗設計方案及結果

BBD試驗是將單因素試驗所精選的水平值范圍與PB析因試驗所得顯著影響因素結合。根據上述PB析因試驗，影響拉伸強度和彎曲強度顯著的因素是保溫艙溫度、打印路徑和道間距，因此設計的BBD試驗的因素與水平見表5，將其導入BBD試驗設計中可得拉伸強度、彎曲強度的BBD試驗設計方案及結果，見表6。依據該試驗設計方案進行試驗，進而擬合出二次回歸模型預測現有試驗條件下最優的工藝參數組合，由于單因素試驗及PB析因試驗已確定在一定范圍內，層厚對拉伸強度及彎曲強度的影響相對于其他工藝參數效果甚微，故此BBD試驗方案中拉伸試驗層厚取單因素試驗最優參數1.0 mm，彎曲性能試驗取單因素試驗最優參數0.75 mm。

表5 BBD試驗因素水平Tab. 5 Factors and levels of Box-Behnken Design test

表6 BBD試驗設計方案及結果Tab. 6 Box-Behnken Design test schemes and results

依據表6試驗數據顯示，當噴頭溫度為440 ℃、成型平臺溫度為160 ℃[12]、打印速度為2 mm/s、層厚為1.0 mm、保溫艙溫度為80 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、道間距為0.5 mm時，拉伸強度達到最大，為347.40 MPa。

當噴頭溫度為440 ℃、成型平臺溫度為160 ℃、打印速度為2 mm/s、層厚為0.75 mm、保溫艙溫度為90 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、道間距為1.0 mm，彎曲強度達到最大，為508.36 MPa。

2.3.2 BBD試驗方差分析

將BBD試驗結果導入Design-Expert軟件進行多元回歸擬合，得到表征各工藝參數對PEEK/CGF復合材料拉伸強度、彎曲強度影響的二次回歸模型，如式(1)和式(2)所示。

式中：Y1為拉伸強度；Y2為彎曲強度。

表7為拉伸強度的BBD試驗方差分析。由表7可知，上述所建立的復合材料拉伸強度影響因素的二次回歸模型顯著(p＜0.01)，失擬項不顯著(p＞0.05)，表明復合材料拉伸強度影響因素的數據模型是合理的；模型的決定系數R2=0.932 2，校正決定系數R2Adj=0.845 1，表明該模型與試驗結果的擬合度較好，該模型可用于PEEK/CGF復合材料拉伸強度對應工藝參數的可靠分析與預測。

表7 拉伸強度的BBD試驗方差分析Tab. 7 BBD ANOVA of tensile strength

表8為彎曲強度的BBD試驗方差分析。由表8可知，上述所建立的復合材料彎曲強度影響因素的二次回歸模型顯著(p＜0.05)，失擬項不顯著(p＞0.05)，表明復合材料彎曲強度影響因素的數據模型是合理的；模型的決定系數R2=0.935 9，校正決定系數R2Adj=0.825 0，表明該模型與試驗結果的擬合度較好，該模型可用于PEEK/CGF復合材料彎曲強度對應工藝參數的可靠分析與預測。

表8 彎曲強度的BBD試驗方差分析Tab. 8 BBD ANOVA of bending strength

綜上所述，由BBD試驗設計擬合的PEEK/CGF復合材料增材制造工藝參數對目標性能的二次回歸模型，可以較好地反映各個工藝參數以及它們之間交互作用對目標性能的影響規律。

2.3.3 最佳工藝參數確定與試驗驗證

為了揭示保溫艙溫度、打印路徑、層厚、道間距4種因素對復合材料綜合力學性能的影響規律，通過PB析因試驗確定了影響樣件拉伸強度、彎曲強度的3個顯著影響因素，進一步以顯著影響因素為自變量，通過Design-Expert軟件中的BBD試驗設計分別擬合出了拉伸強度、彎曲強度對應的二次回歸模型并計算出拐點，再結合文獻[12]中探究的最佳噴頭溫度、成型平臺溫度等數據，可以預測最佳工藝參數組合為：當噴頭溫度為440 ℃、成型平臺溫度為160 ℃、打印速度為2 mm/s、層厚為1.0 mm、保溫艙溫度為81.52 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、道間距為0.7 mm時，模型預測出的最大拉伸強度為379.52 MPa；當噴頭溫度為440 ℃、成型平臺溫度為160 ℃、打印速度為2 mm/s、層厚為0.75 mm、保溫艙溫度為73 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、道間距為0.98 mm時，模型預測出的最大彎曲強度為517.48 MPa。

考慮到實際操作性，綜合調整實際成型工藝參數如下：對于拉伸樣件，噴頭溫度為440 ℃、成型平臺溫度為160 ℃、打印速度為2 mm/s、層厚為1.0 mm、保溫艙溫度為82 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、道間距為0.7 mm；對于彎曲樣件，噴頭溫度為440 ℃、成型平臺溫度為160 ℃、打印速度為2 mm/s、層厚為0.75 mm、保溫艙溫度為73 ℃、打印路徑為0°/0°/0°/0°、道間距為1.0 mm。

根據上述工藝條件制作力學樣件，按照復合材料力學樣件測試標準，測得拉伸強度為383.75 MPa，彎曲強度為510.13 MPa，考慮到實際操作時會存在誤差，所以試驗結果與模型預測結果基本吻合。

3 結論

為提升PEEK/CGF復合材料FDM打印樣件的力學性能，通過設計響應面試驗，探究了保溫艙溫度、打印路徑、層厚、道間距等工藝參數對復合材料樣件綜合力學性能的影響規律，找到了最優工藝參數組合并進行試驗驗證，得出如下結論：

(1)各工藝參數對力學性能的影響不同。拉伸性能和彎曲性能均受打印路徑的影響最大，其次是道間距，然后是保溫艙溫度，相比較而言，二者受層厚的影響較小。

(2)各工藝參數之間存在相互作用。工藝參數之間的協調匹配可以極大地改善打印件的性能，其中工藝參數的配合對彎曲強度的影響較大。

(3)通過優化保溫艙溫度、打印路徑、層厚、道間距等工藝參數的組合，最終可以將拉伸強度提升至383.75 MPa，彎曲強度提升至510.13 MPa。

本次試驗探究以增材制造中多工藝參數耦合對PEEK/CGF復合材料樣件性能的影響為出發點，旨在為復合材料增材制造技術的進一步發展提供一定的數據參考。