PEEK是一种性能优异的工程塑料，具有耐高温性、自润滑性、化学稳定性、耐辐射和电气性能，以及具有优异的机械性能，可用于机械制造和航空制造中。在生物医学领域，聚醚醚酮具有优良生物相容性，和金属材料的植入体相比，其弹性模量和人骨弹性模量更接近，大大降低了由于金属材料和人体骨骼弹性模量差距过大而造成的应力遮挡、骨吸收、骨发炎、二次手术等 问题，聚醚醚酮植入物的力学性能能够满足人体正常的生理需要，因此PEEK是一种良好的骨科植入物材料。
关于PEEK在FDM 3D打印技术方面的进展，在国际上，Roboze公司推出了可打印医疗级PEEK线材的FDM 3D打印机，INDMATEC也推出了桌面级的FDM 3D打印机用于PEEK的打印。
PEEK之前多用的打印方式是SLS和3DP技术，那么，国内企业在PEEK 通过FDM 技术的3D打印领域有哪些进展呢？本期，3D科学谷特通过两个案例与谷友一起了解一下国内PEEK 3D打印的发展情况。
解决熔点高的问题
PEEK可作为3D打印材料制造机械零部件以及骨科植入物,但由于PEEK材料具有较高熔点，多数3D打印机喷头工作性能不足以更好的熔化PEEK材料，这个问题给PEEK的3D打印特别是FDM 3D打印带来一定难度。
陕西恒通智能机器有限公司研发了PEEK材料3D打印机，PEEK材料具有较高熔点和玻璃化转变温度，连续使用温度为260℃，针对于PEEK材料的熔点高的问题，陕西恒通研发出适用于PEEK材料耐高温3D打印机喷头，喷头温度可达400℃（误差±2℃）。
图片：陕西恒通3D打印的PEEK样件
典型的FDM打印机主要由散热块、喉管、加热块、喷嘴组成，打印头利用摩擦力作为动力，将后方未融化的材料向前推进，从而将前段融化的材料从喷嘴挤出。由于喉管内径大于丝材直径，在打印中如喉管散热不及时，前段熔化的材料不但会从喷嘴挤出，还将在喉管和丝材的间隙形成倒流，从而使丝材与喉管之间的摩擦力增大，甚至导致材料从喉管后端溢出，造成不出丝。
由于丝材从喷嘴挤出时依靠的是后方未融化材料向前的推力，随着打印时间的增长，若喉管后端的温度达到材料玻璃化温度以上，丝材软化，向前的推力变小，则吐丝量减小，丝材挤出宽度变窄，使得零件精度降低。尤其对于PEEK、聚酰亚胺等高性能聚合物，一方面材料黏度大，可容忍的间隙倒流距离本身就短于ABS、PLA，又加之材料熔点高，喷嘴打印温度一般在350℃以上，传统的散热块散热难以使喉管后端温度降低至材料玻璃化温度以下，因此常常出现“堵头”现象。
对于PEEK、聚酰亚胺等高熔点、高黏度材料，现有的打印头结构无法满足喉管的散热要求，不能实现该类材料的长时间连续精细打印。陕西恒通研发的一种流体循环控温熔融沉积成形打印头，通过在打印头中增加流体循环控温系统可及时降低喉管温度，改善高温打印过程中的间隙倒流，在长时间连续打印过程中保持稳定的打印精度。
3D打印定制化PEEK植入物
如果通过注塑或机械加工等传统加工PEEK植入物，那么对于不同的植入物需要制造不同的模具，这就增加了制造成本，特别是定制化的PEEK植入物，制造的模具无法再次利用，这是一种资源的浪费。同时，由于开模具需要很长的时间，对于急需植入人工骨的患者来说需要等待的时间过长，不仅如此，对于一些形状复杂的定制化植入物，制造难度就更大了。吉林大学通过3D打印机实现了定制化PEEK 植入物的快速制造。
PEEK植入物的3D打印制造方法包括：获取患者待植入部位的医学图像数据、从获取的医学图像数据中提取出所需要的骨组织数据、建立仿生人工骨的三维数字模型、对人工骨三维数字模型进行格式转化、将人工骨数字模型输入吉林大学自制的聚醚醚酮3D打印系统进行植入物的三维实体制造，在完成制造之后进行细胞毒性试验、动物试验、临床试验。
在打印时，首先将直径为1.6mm的PEEK丝用烘干箱干燥12小时，通过自制温控系统将3D打印系统喷头、铝合金、打印室进行预热。接下来，通过控制系统将打印喷嘴调整至打印平台，随后双齿轮送丝机构将直径为1.6mm的PEEK丝材以匀速送入已经预热的喷头，3D打印系统喷头根据分层软件生成的植入物轨迹逐层进行PEEK植入物的打印。为了减轻PEEK 植入物在成形过程中的因内应力导致的脆 断、分层、翘曲等问题，将打印室温度逐渐冷却到室温，然后取出PEEK植入物。
吉林大学实现了熔点高、粘度大、流动性差、结晶类聚合物生物相容性材料PEEK植入物的3D打印制造，省去了制造模具的时间和成本，大幅缩短了制造周期，可以根据造型软件的设定来随时调整零件形状，可满足患者对植入物的个性化需求。
参考资料：
专利：流体循环控温熔融沉积成形打印头
专利：聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法
专利：HIGH-DENSITY COMPOUNDS FOR 3D PRINTING
