聚醚醚酮及其复合材料激光粉末床熔融成形的研究现状与展望

李亚洲，杨强，彭瑞龙，王富，李涤尘

聚醚醚酮及其复合材料激光粉末床熔融成形的研究现状与展望

李亚洲，杨强*，彭瑞龙，王富，李涤尘

（西安交通大学 a.机械制造系统工程国家重点实验室 b.机械工程学院，西安 710049）

聚醚醚酮（PEEK）及其复合材料因具有优异的力学性能、耐化学腐蚀性及生物相容性而受到广泛关注，然而随着对复杂结构以及个性化PEEK零件的需求日益增加，传统的注塑成形工艺显然已经难以满足高度复杂化与个性化制造的需求。激光粉末床熔融（LPBF）技术为PEEK及其复合材料的成形制造提供了一种新的方法。介绍了激光粉末床熔融工艺的基本原理与PEEK及其复合材料的激光粉末床熔融制备工艺的特点和应用，总结归纳了PEEK及其复合材料的激光粉末床熔融成形装备的发展状况与性能特点，目前的成形装备在预热温度和激光功率等参数方面已经有了很大的提升，可以保证一定的成形精度，但要形成一套成熟的高精密和大尺寸复杂成形系统仍需进一步的研究。基于已有研究，重点阐述了PEEK及其复合材料激光粉末床熔融成形工艺的研究现状，虽然通过温度场和激光参数等成形参数的优化，成形件的性能有了一定的提升，但仍然存在翘曲变形、成形力学性能较低的问题。最后对未来高性能PEEK及其复合材料激光粉末床熔融成形工艺的发展进行了展望。

激光粉末床熔融成形；聚醚醚酮；装备；工艺参数；性能

聚醚醚酮（Polyetherether-ketone，PEEK）作为一种高性能工程塑料，具有优异的热稳定性、生物相容性、耐化学腐蚀性、力学强度以及低摩擦因数，在航空航天、生物医疗、汽车和其他高端装备领域中得到了广泛应用[1-3]。随着对复杂结构以及个性化PEEK零件的需求日益增加，传统的注塑成形工艺显然已经难以满足高度复杂化和个性化制造的需求。激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）技术作为一种先进的增材制造技术，可通过逐层熔化和熔合粉末材料，实现复杂结构的三维打印成形，被广泛应用于金属、陶瓷与高分子聚合物等材料的增材制造成形中[4]，受到了工程研究领域的广泛关注，在推动制造技术革命方面具有巨大潜力[5]，也为复杂结构PEEK零件的成形提供了一种新的途径和手段。然而，不同于聚酰亚胺（PI）、尼龙（PA）等常规工程塑料，PEEK因具有较高的熔点和玻璃化转变温度，使PEEK及其复合材料的激光粉末床熔融成形面临着一系列挑战，如设备的开发、材料选择、工艺参数优化、成品质量控制等。为此，需要通过深入的研究和工程实践来推动该技术的发展和应用[6-7]。

本文对PEEK及其复合材料激光粉末床熔融成形的研究现状进行了综述，重点关注了成形工艺参数优化以及成品性能等关键问题[8]，旨在探讨该技术在PEEK及其复合材料制造方面的潜力，并展望了其未来在高性能工程领域的应用前景。根据最新的研究成果、技术应用和工程实践，分析了PEEK及其复合材料的激光粉末床熔融成形工艺的优势和局限性，并提出了改进建议，以期为该领域的研究人员提供参考，推动PEEK及其复合材料的激光粉末床熔融技术在高性能工程领域的应用。

1 激光粉末床熔融技术原理

粉末床熔融（Powder Bed Fusion，PBF）工艺在2015年被国际标准化组织ISO/TC261增材制造委员会确定为7类增材制造工艺之一[9]。其中，激光粉末床熔融（LPBF）技术是一项被广泛采用的粉末床熔融技术，能够生产几何复杂、力学性能良好的三维（3D）零件[10]。LPBF工艺原理如图1所示。常见的LPBF设备由计算机控制系统、粉末输送系统（包括供粉缸和铺粉装置）、构建平台（成形缸）、激光系统（包括激光源、激光扫描系统等）以及加热系统（包括加热装置和温度控制系统）组成[11-15]。

激光粉末床熔融的基本成形过程如下：将处理好的CAD模型导入计算机中，通过切片软件进行切片分层，同时设置激光扫描方式、激光功率、扫描速度等打印参数，生成3D打印工艺数据；将3D打印工艺数据导入激光粉末床熔融装备中，待预热温度达到预设值时，激光系统将高能量密度的激光束聚焦到粉末层的特定区域，并按照预设的扫描路径进行扫描，被激光扫描到的粉末会熔融，且在激光移动后迅速凝固与烧结；完成一层打印后，构建平台（成形缸）下降一个层高，新的一层粉末再次铺展在上方，激光扫描系统再次开始工作，根据下一层的路径，继续熔化烧结新的粉末层；通过逐层堆积，重复上述烧结过程，将每一层粉末材料黏结在一起，逐渐构建出整个模型的三维结构；打印完成后，去除掉构件表面未固化的粉末，进行打磨等后处理，即可得到最终的成形构件。

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术是激光粉末床熔融（LPBF）技术的一个重要分支，它能够制造复杂形状的零部件，且不需要支撑结构，因为未烧结的粉末可以起到支撑作用。因此，SLS是一种非常灵活和高效的增材制造技术，能够烧结成形金属、陶瓷或PEEK粉末等聚合物材料，在航空航天、汽车、电子器件、医疗等多个领域都有广泛应用[6]。

2 激光粉末床熔融用PEEK及其复合材料

激光粉末床熔融技术不仅适用于金属材料，还可以用于聚合物材料[16]。PEEK作为一种高性能的聚合物材料在工程领域有广泛的应用前景，在激光粉末床熔融成形过程中会呈现出一些独特的工艺特点。因此，本文将对PEEK及其复合材料的特点和应用情况进行总结[17]。

图1 LPBF工艺原理图

2.1 PEEK的特点及应用

PEEK是一种半结晶聚合物材料，具有相对较高的熔点（m=343 ℃）和较高的玻璃化转变温度（g=143 ℃），这意味着它在激光粉末床熔融过程中能在承受高温的同时保持稳定的化学结构。由于优异的热稳定性，PEEK在高温下不易发生分解或退化，从而适合激光加工的高温条件。PEEK还具有相对低的熔体黏度，在激光加热下能够迅速熔融并具有良好的流动性。这有助于在激光熔融过程中保证材料的均匀性和成形精度。但由于PEEK材料是一种半结晶塑料，在降温过程中会发生结晶而引起体积收缩，如果在不均匀温度场内成形就会发生较大收缩和翘曲变形。由于激光粉末床熔融的成形过程存在强烈的非平衡凝固行为，这必然会导致PEEK在激光粉末床熔融成形过程中出现较为严重的变形，为PEEK的激光粉末床熔融成形带来了挑战。

PEEK材料凭借其出色的耐高温性、耐磨性、化学稳定性，在航空航天、生物医疗、汽车和其他高端装备领域扮演着重要的角色。PEEK材料的相关应用如图2所示。在高温、高压和高湿的环境下，PEEK依然能够保持良好的电绝缘性，所以它能够在雷达天线罩、电容器外壳等电子电器领域内得到广泛应用[18]。PEEK在常温下的摩擦因数为0.48，常作为滑动轴承自润滑聚合物材料[19]。除此之外，它凭借良好的生物相容性和柔韧性在医疗器械领域也愈发重要[20-22]。随着制造工业的迅速发展，有关聚醚醚酮（PEEK）复合材料的研究也日益增多。常用填充改性、共混改性及表面改性等改性技术来进一步提升其复合材料的各项性能[23]。

2.2 PEEK复合材料的特点和应用

PEEK作为一种高性能工程塑料，具有出色的性能。通过在PEEK基础上添加不同的改性材料，如纤维、颗粒或纳米填料，来形成PEEK复合材料，可进一步拓展其应用[27]。

纤维增强改性如碳纤维增强PEEK复合材料（CF/PEEK）结合了PEEK的高温性能与碳纤维高强度、低密度的特点，并且具有优良的抗静电性能，广泛应用于航空航天、汽车和运动器材等领域[28-30]。玻璃纤维增强PEEK复合材料（GF/PEEK）具有较高的刚性、强度和耐化学性，适用于制造汽车零件、电子器件和电气绝缘件等[31]。

颗粒增强改性如羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料（HA/PEEK）具备生物活性和相容性，适用于医疗和生物医学领域。其特点包括生物活性促进骨组织再生、力学性能优越，有助于制造骨替代材料、植入物、牙科植入物以及生物医学工程设备[32-34]。

二维材料改性如石墨烯（GPE）改性可提高复合材料的自润滑性、导电性和导热性，在航空航天、核能领域有广泛应用[2]。此外，黑鳞（BP）、六方氮化硼（h-BN）和二硫化钼（MoS2）也可与PEEK进行复合，使摩擦磨损性能得到提高[35-37]。

纳米材料改性如碳纳米管/聚醚醚酮复合材料（CNT/PEEK）具有优异的力学性能、导热性、耐化学性和耐磨性，广泛应用于航空航天、医疗、电子等领域[38-39]。

PEEK作为一种优秀的工程聚合物材料，具有广阔的应用前景。随着技术的不断发展和研究的不断深入，PEEK及其复合材料的激光粉末床熔融成形将在更多领域得到应用，并推动制造业向更高性能的方向发展[40]。

图2 PEEK材料的应用

3 聚醚醚酮及其复合材料激光粉末床熔融成形工艺

3.1 PEEK激光粉末床熔融装备研究现状

由于PEEK材料的熔点较高，为避免在激光粉末床熔融过程中零件发生翘曲变形，需要保证预热温度（330 ℃左右）接近其熔点，这对装备的温控等性能有着很高的要求。适用于PEEK及其复合材料的LPBF装备率先在国外得到了应用。在德国EOS公司推出EOSINT P800之前，研究者们都是在较低粉末床温度（b）下或者在传统的粉末床熔融设备的基础上加以改造，对PEEK及其复合材料进行激光粉末床熔融成形。Sinterstation 2500（3D Systems，美国）是较早用于PEEK复合材料激光熔融的设备之一，如图3a所示，Tan等[41]在140 ℃下对PEEK复合材料进行了加工成形。由于EOSINT P380（EOS，德国）不能够在较小公差范围内进行均匀预热，Wilmowsky等[42]对其进行了改造，在其内部装配了附加红外加热器的“加热圆顶”以保证粉末层的预热温度。随着工艺的不断改进，德国EOS公司于2010年推出了世界首款商用高激光粉末床熔融设备EOSINT P800，如图3b所示，该设备能够成形高温（200 ℃以上）的高分子材料，且成形温度最高可至385 ℃[43-44]，EOS公司后续还推出了Eosint P810等类似产品。2018年Nazarov等[45]也设计开发了一套PEEK的激光粉末床熔融成形系统，如图3c所示，该设备能够将粉末床温度加热至385 ℃，并提供惰性气体保护。

我国在LPBF装备开发上起步较晚，暂无成熟的PEEK及其复合材料LPBF商用设备，更多的是高校自主研发的设备。湖南华曙高科技股份有限公司于2020年推出了用于高分子材料LPBF成形的Flight HT252P和Flight ST252P两款设备，Flight ST252P设备如图4a所示，其最高成形腔体温度能够达到280 ℃，但是仍然尚未达到PEEK材料的熔点[47]。华中科技大学团队自主研发的LPBF设备HK PK125能够将预热温度提升至400 ℃，且具有独立控温功能，如图4b所示[47]。西安交通大学一直致力于LPBF系统的自主研发，自主研发了两代LPBF成形设备，如图4c～d所示，第二代设备具有循环净化装置，可减少成形过程中由激光扫描产生的烟尘对激光镜头的污染，大大提高了设备运行的稳定性，延长了设备的使用寿命。表1列出了上述LPBF装备的各项性能指标[46,48]。

目前国内外都在加大力度开发PEEK及其复合材料的激光粉末床熔融装备，且预热温度和激光功率等参数已经有了很大提升。各高校自主研发的LPBF装备在某些性能方面取得了一定进展，保证了一定的成形精度，但要形成一套成熟的高精密成形系统仍需进一步的研究。随着材料科学和制造技术的不断发展，对PEEK及其复合材料激光粉末床熔融成形要求不断提升，LPBF装备也需要得到不断的改进和发展，其发展趋势如下：

图3 国外LPBF成形装备

图4 国内LPBF成形装备

表1 不同LPBF成形装备各项性能指标[43-48]

1）精确控制成形过程。未来的激光粉末床熔融装备将更加注重对成形过程的精确控制，通过优化激光参数、扫描策略和熔融温度等因素，可以实现更高的制造精度和表面质量，从而进一步提高PEEK制品的性能和可靠性。

2）增强热管理性能。PEEK材料在高温条件下表现出色，未来的发展将关注在高温环境下的应用，如航空航天、核能等领域，因此，激光粉末床熔融装备的发展将着重于增强PEEK制品的热管理性能，以确保材料在极端条件下的稳定性。

3）制造大型复杂聚合物构件。随着激光粉末床熔融技术的成熟，其制造能力将不局限于小型零部件，还将扩展至大型复杂聚合物构件，例如，航空航天领域需要制造复杂的结构件和组件，如飞机机身部件、引擎零件等。利用激光粉末床熔融技术可以实现这些大型构件的快速制造，减少部件的组装和连接环节，从而提高结构的整体性能和可靠性。

4）工业化应用的扩展。随着激光粉末床熔融技术的成熟，它在工业化生产中的应用将得到扩展，更高的生产速率、自动化程度以及标准化的质量控制，将使PEEK材料的激光粉末床熔融制造更适合大规模生产。

总体而言，未来PEEK材料的激光粉末床熔融装备将朝着精确控制、大型复杂聚合物制造、高温应用、可持续性和工业化生产等方面不断发展。这些趋势将推动聚合物制造技术向更高水平发展，进一步拓展PEEK及其复合材料在各个领域的应用前景。

3.2 PEEK及其复合材料的LPBF成形工艺研究现状

对于聚醚醚酮（PEEK）及其复合材料激光粉末床熔融成形工艺特点，不同的工艺参数对成形件质量和性能有着不同的影响，目前的研究重点为温度、激光参数、扫描策略等因素。

3.2.1 PEEK材料的LPBF成形工艺研究现状

由于PEEK材料具备优异的性能，其LPBF成形工艺得到了研究者们的广泛研究。德国巴伐利亚激光中心Schmidt等[49]采用LPBF技术对PEEK 150PF进行了烧结成形，探究了348 ℃和354 ℃下PEEK制件的弯曲应力以及激光能量密度对成形件密度和孔隙率的影响，但并未展示成形件力学性能、设备信息以及具体的工艺参数。英国埃克塞特大学Ghita等[50]采用EOSINT P800设备测试了EOS HP3 PEK粉末的收缩率和力学性能，他们采用的激光扫描速度为2 550 mm/s，扫描间距为0.16 mm。在和方向上，构建的激光烧结部件的拉伸强度比相同材料注塑样品的低10%，而与注塑试样相比，在方向上构建的样品强度降低了约50%，如图5a所示。除此之外，与注塑成形的力学性能相比，LPBF工艺制备样品的断裂伸长率明显较低，如图5b所示。

图5 HP3 PEK样品在x、y、z方向和注塑成型样品的拉伸强度（a）和断裂伸长率（b）[50]

德国斯图加特大学Kroh等[51]在威格斯的PEEK 450PF和PEEK 150PF两种材料中添加了不同质量分数的炭黑粉末，并采用LPBF对其进行烧结成形。烧结策略为进行双向（沿拉伸方向和垂直于拉伸方向）扫描，采用的工艺参数如下：恒定激光功率（L）为30 W，影线距离（s）为0.02 mm，激光光斑直径为30 µm。不同激光能量密度烧结系列拉伸棒试件如图6所示，对其进行力学性能测试发现，平均能量密度的增大导致所有炭黑含量试件的拉伸强度增大，但较高的能量值会造成一些试件局部被烧糊。最后得出结论如下：对于2种材料，在平均能量密度为0.35～0.45 J/mm²和炭黑质量分数为10%～15%时，其样品的抗拉强度和刚度达到最佳。

图6 在330 ℃下0.1%（质量分数）CB的PEEK 450PF的单层试样[51]

除此之外，为进一步改善力学性能，在激光扫描后立即对烧结试件的每一层进行另外的“回火”（即再次加热），如图7所示，这样在颗粒-颗粒结合处可以实现更好的扩散和烧结。结果表明，烧结时对烧结试件的每一层进行以60 s为间隔的“回火”后，试件的力学性能几乎与同材料注塑试件的相当。

针对“回火”这个成形完成后的加热过程，英国埃克塞特大学Berretta等[52]也进行了相关研究，他们使用EOSINT P800设备对PEEK 450PF（Victrex）材料进行了激光烧结，并在烧结之前对该粉末进行了热处理以改善颗粒的形状和流动性。采用激光功率为12 W、扫描间距为0.2 mm、扫描速度为2 550 mm/s的打印参数。为了获得暴露在同一层中部件的均匀熔融膜，在铺展新的新鲜粉末层之前配置了额外的加热期，称为“后烧结”（Post Sintering）阶段，在此阶段，成形腔上方的红外加热器全部打开，以保证粉末的均匀熔融。由上述工艺制备而成的样品实现了2 500 MPa的储能模量和63 MPa的拉伸强度。在“后烧结”过程持续6～15 s范围内，力学性能相似，如图8所示。

埃克塞特大学Berretta等[53]从PEEK 450PF材料特性出发为加工条件预测提供了新的结果，PEEK 450PF在380～530 ℃下稳定烧结区域的评估结果如图9所示，他们研究了能量熔化比参数对激光烧结PEEK样品力学性能的影响，并提出了一种新的粉床温度估算方法，即聚合物DSC热扫描的一阶导数曲线的最小值相当于相应的高温烧结粉床温度，研究表明，导致PEEK 450PF热降解的能量熔化比（EMR）和激光功率分别为22.7和11.4 W。

德国EOS公司在推出EOSINT P800后，开发了一种用于P800系统聚芳醚酮聚合物组的高性能材料EOS PEEK HP3[44]。英国伯明翰大学Hoskins等[54]对EOSINT P800高温烧结的EOS PEEK HP3样品进行了热性能和力学性能测试，在控制拉伸件结晶度为35%及孔隙率为4.36%条件下，达到了88.7 MPa的拉伸强度、4.2%的断裂伸长率。

随着国内一些高校对激光粉末床熔融装备的开发，对PEEK材料LPBF成形工艺也开展了研究。华中科技大学陈鹏[47]采用自主研发的LPBF设备HK PK125，对经过高温红外辐射预处理的PEEK 450PF粉末进行了加工制样，并对PEEK的激光粉末床熔融成形工艺进行了探索，包括预热过程、加工过程和降温过程。经过调试预热，对HT-SLS中所有的加热过程（预热、预铺粉及加工过程）进行了定量化处理，并对设备加工过程中的温度进行了校准，如图10a所示，由此确定成形温度为330 ℃，并对铺粉过程进行了300 ℃预热，发现此工艺可以使翘曲变形得到有效改善。除此之外，还针对激光能量输入对PEEK制件力学性能的影响进行了研究，探讨了不同能量熔融比、激光功率及激光填充速率下试件的拉伸强度及弹性模量，发现当能量熔融比（mr）为13～16时，拉伸强度达到峰值，如图10b所示。他还探究了LPBF成形过程中工艺参数对PEEK结晶行为的影响以及不同保温温度下等温结晶试件和不同冷却速率下非等温结晶试件的力学性能，并从结晶结构的角度进行了深入分析。得到的不同结晶温度和不同冷却速率下PEEK结晶度随时间变化的关系如图11所示。实验表明，在等温结晶条件下，等温结晶温度越高，结晶性越好，强度也更高。而在非等温条件下，冷却速率越高，制件强度越低，但8 ℃/min的快速冷却会使强度出现一定程度的回升，如图12所示。

图7 激光烧结过程中附加“回火”图示[51]

西安交通大学高鑫巍[48]采用自主研发的带有成形腔循环净化系统的LPBF设备对PEEK激光粉末床熔融工艺进行了研究，并实现了PEEK材料龙伯透镜的高精度成形。研究表明，采用330PF+770PF（质量比为3︰1）的混合粉末具有最佳综合性能，更利于激光熔融成形。通过调整激光参数实验得出，将熔池温度控制在370～420 ℃，可以使成形件的抗拉强度达到65 MPa以上，且拉伸断面平整无明显孔隙，如图13所示。

3.2.2 PEEK复合材料的LPBF成形工艺研究现状

在选择工艺参数和处理策略时，需全面考虑PEEK基复合材料与PEEK材料物理和化学性质的差异，以及复合材料中增强材料对热传导、热膨胀等性能的影响，以确保制造出质量优良的零件。早在2003年，通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺对PEEK复合材料进行成形就已经有了初步研究，新加坡南洋理工大学Tan等[41]为了研发生物组织支架，使用Sinterstation 2500（3D Systems，美国）分别对PEEK 150XF（Victrex，英国）以及掺杂不同比例的羟基磷灰石（HA）混合粉末进行了烧结，实验证实了LPBF在生产支架中的潜力。他们在工艺方面也进行了相关研究，他们在保持激光扫描速度恒定的条件下改变零件床身温度和激光功率，制造出了圆形试样，结果表明，较低的床身温度应辅以较高的激光功率，如图14所示，在较低零件床身温度下，激光功率设置应为16～21 W，然而他们并未给出试样的具体力学性能参数，而是侧重于生物性能方面的表征。

图9 通过结合DSC和TGA实验数据发现的PEEK 450PF的稳定烧结区域[53]

图10 加工过程的成形腔温度记录与校准（a）以及拉伸强度与Emr系散点图及其GaussAmp拟合曲线（b）[47]

图11 不同等温结晶温度下（a）以及不同冷却速率下（b）结晶度随时间的变化[47]

图12 等温和非等温HT-SLS成形制件的力学性能[47]

图13 熔池温度与力学性能关系[48]

德国埃尔朗根-纽伦堡大学Wilmowsky等[42]对EOSINT P380（EOS，德国）进行了改造，并以层厚0.15 mm、预热温度334 ℃、激光功率10 W、扫描速度4.5 m/s、扫描间距0.2 mm的参数打印了含有纳米级炭黑、β-磷酸三钙（β-TCP）和生物活性玻璃的PEEK圆盘细胞测试样品，并评估了其生物活性等性质，如图15所示。

德国埃尔朗根-纽伦堡大学的Pohle等[55]对EOSINT P380设备也进行了改造，使成形过程中的粉床温度恒定在340 ℃，打印了添加有炭黑和β-磷酸三钙（β-TCP）的PEEK不同细胞测试样品，并检查了细胞形态和增殖情况，结果表明，激光烧结PEEK植入物可以作为重建手术中的骨替代品，如图16所示。

美国德克萨斯大学Chavez等[56]使用低温选择性激光烧结（SLS）打印机制备了由聚醚醚酮（PEEK）和聚酰胺12（PA12）共混的高性能聚合物试件，研究表明，采用成形腔室温度为180 ℃、激光功率为5 W等参数打印的试样拉伸模量与PA12的相比增大了79%，并且耐热性也有所提升。美国得克萨斯大学Schultz等[57]对尼龙12-PEEK共混物进行了研究，采用0.7 W的激光功率等工艺参数研究了球磨时间和PEEK体积分数对激光烧结尼龙12-PEEK共混物微观结构和力学性能的影响，发现很难实现致密的粉末床：拉伸试件在成形的每一层中都出现了明显的裂纹。采用的实验室自制SLS设备如图17所示。

图15 激光烧结PEEK细胞测试样品[42]

图16 不同细胞测试样品[55]

图17 实验室用选择性激光烧结装置[57]

国内由于LPBF装备限制，针对PEEK复合材料激光粉末床熔融成形工艺的研究起步较晚。2016年，中南大学帅Shuai等[58]同样将羟基磷灰石（HA）作为改性材料加入聚醚醚酮/聚乙醇酸（PEEK/PGA）复合材料中，通过LPBF成形开发了复合支架，如图18所示，发现添加羟基磷灰石后，支架生物活性以及细胞附着性均得到了提高。

西安交通大学Yan等[59]采用自主研发SLS设备对CF/PEEK复合材料进行了成形，对PEEK和碳纤维（CF）进行干燥处理并混合后，按照双扫描模式，以扫描速度3 000 mm/s、扫描间隔0.12 mm的工艺参数进行打印，得到的试件最大抗拉强度达到109 MPa，比注塑纯PEEK的提高了85%。此外，他们还基于CF/PEEK复合材料的高温流变行为，对该复合材料的烧结动力学行为进行了深入分析，并定义了一种新的有效熔区，如图19所示。

晏梦雪[60]还探究了退火工艺与溶剂诱导结晶对CF/PEEK制件向强度的影响。由于PEEK是一种半结晶高分子材料，其力学性能和热性能通常与结晶度密切相关，所以其结晶区域中的分子排列更有序，较高的结晶度通常会导致更高的强度和刚度，能够更有效地承受外部载荷。不同的退火工艺会导致聚合物在结晶过程中具有不同的熔融焓，影响结晶度。他采用不同的温度对试样进行了退火处理并测定了拉伸强度，发现300 ℃为提高向性能的最佳退火温度。为进一步提高PEEK的结晶度，对制件进行二氯甲烷（CH2Cl2）溶剂诱导处理，实验发现，经溶剂诱导处理后，制件的拉伸强度较退火处理的有所提高，经溶剂诱导结晶协同退火处理后，制件向的拉伸强度最高，且此时PEEK结晶度已接近所能达到的最大结晶度。

在PEEK及其复合材料激光粉末床熔融成形近20年的研究中，研究者们依托当时最先进的设备或者自主研发设备对成形工艺进行了探索，主要围绕温度场和激光参数方面展开研究，使成形件的力学性能有大幅度的提升。但PEEK材料的特性导致它在激光粉末床熔融成形过程中面临诸多挑战，如专用的商业化PEEK激光粉末床熔融设备的研发、PEEK及其复合材料的改性、成形工艺参数的优化以及打印件的降温过程及后处理。

4 总结与展望

激光粉末床熔融成形技术为聚醚醚酮（PEEK）及其复合材料的制造提供了一种高效、精密的解决方案，通过对PEEK粉末的改性以及LPBF装备和工艺的优化，获得更适配于LPBF的PEEK基复合材料与成形工艺，以期实现高性能PEEK及其复合材料的控形控性制造。但在目前的研究中，仍然存在一些问题：

1）残余应力和变形。在PEEK材料的激光熔融过程中，由于热量的不均匀分布和快速冷却，存在强非平衡凝固现象，导致成形件内部存在较大的残余应力，进而导致成形件的翘曲、变形，影响零件的尺寸精度。

2）表面质量不佳。激光粉末床熔融成形的PEEK零件表面质量通常较粗糙，需要进行后处理才能满足高表面质量的要求。

3）成本高昂。PEEK及其复合材料是高性能工程材料，其制备成本较高，激光粉末床熔融技术本身也是一种昂贵的制造过程，导致最终产品的成本较高。

4）环境问题。激光粉末床熔融技术涉及粉尘、气体和能源的使用，可能对环境造成一定的影响，需要寻找更环保的解决方案。

虽然PEEK及其复合材料在激光粉末床熔融技术成形时存在一些问题，但是该技术在复杂结构和个性化PEEK零件的成形制造方面仍然有巨大的技术优势和有广阔的应用前景。随着技术的不断发展，可以在以下方面开展进一步的研究：

1）PEEK材料改性。未来可以继续在PEEK材料优良特性的基础上，采用改性技术继续研发更多高性能的激光粉末床熔融用PEEK基复合材料，进一步拓展其应用领域。

2）成形工艺优化。对激光粉末床熔融工艺参数进行更深入的研究和优化，以提高制造效率和零件质量，并在能制造复杂结构的基础上保证其成形精度。此外，还需要对大型复杂聚合物构件的成形装备进行深入研发。

3）多尺度建模与仿真。引入多尺度建模与仿真方法对激光粉末床熔融成形过程进行更全面、准确的模拟和预测，通过仿真研究，优化工艺参数，减少试验次数，降低成本和时间。

4）环保可持续性。在激光粉末床熔融成形中，需要处理未被熔融的粉末等副产品。未来可以研究更环保、可持续的后处理方法，减少资源浪费。

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Research Status and Prospect of Laser Powder Bed Fusion of Polyetheretherketone and Its Composites

LI Ya-zhou, YANG Qiang*, PENG Rui-long, WANG Fu, LI Di-chen

(a. State Key Laboratory of Manufacturing Systems Engineering, b. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Polyetheretherketone (PEEK) and its composites have attracted extensive attention due to their excellent mechanical properties, chemical corrosion resistance and biocompatibility. However, with the increasing demand for complex structures and personalized PEEK parts, the traditional injection molding process has obviously been difficult to meet the requirements of complex and personalized fabrication. Laser powder bed fusion (LPBF) technology provides a new method for manufacturing PEEK and its composites. In this work, the principle of LPBF process and the characteristics and applications of LPBF for PEEK and its composites were introduced. The development and performance characteristics of LPBF equipment for PEEK and its composites were summarized. The current equipment for PEEK and its composites has obtained significant improvements in parameters such as preheating temperature and laser power, guaranteeing the forming accuracy. However, the development of a mature high-precision forming system and the realization of large-sized and complex structure components still require further research. Based on the existing researches, the research status and performance of LPBF forming process for PEEK and its composites is expounded. Although optimization of forming parameters such as temperature distribution and laser parameters has led to some improvement in the performance of the formed components, problems such as warping deformation and lower mechanical properties still exist. The prospects for future development trends of LPBF process for high performance PEEK and its composites are proposed.

LPBF; PEEK; equipment; processing parameters; performance

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.006

TB332；TG665

A

1674-6457(2023)011-0046-15

2023-08-02

2023-08-02

国家重点研发计划（2022YFB4600101，2022YFB4600103）

National Key R&D Program of China (2022YFB4600101, 2022YFB4600103)

李亚洲, 杨强, 彭瑞龙, 等. 聚醚醚酮及其复合材料激光粉末床熔融成形的研究现状与展望[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 46-60.

LI Ya-zhou, YANG Qiang, PENG Rui-long, et al. Research Status and Prospect of Laser Powder Bed Fusion of Polyetheretherketone and Its Composites[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 46-60.

通信作者（Corresponding author）

责任编辑：蒋红晨