3D打印工艺参数对聚醚醚酮（PEEK）介电性能的影响

摘 要：为研究3D打印工艺对聚醚醚酮（PEEK）介电性能的影响，基于熔融沉积成型技术，选择多种工艺参数进行单因素实验，针对喷头温度、基板温度、打印速度、层厚、腔室温度等工艺进行研究。实验结果表明：在喷头温度400 ℃、基板温度140 ℃、打印速度30 mm/s、层厚0.1 mm、腔室温度120 ℃时PEEK样件介电常数最低；1～100 MHz频段内频率对介电常数无影响；1～40 MHz频率内，各工艺参数测试得到的PEEK介电损耗角正切均大幅波动；在40～100 MHz频率内，PEEK介电损耗角正切均呈现波动上升的趋势。该研究结果将为天线PEEK介质层的结构设计和制造提供依据。

关键词：3D打印；工艺参数；聚醚醚酮；介电性能

中图分类号：TH164文献标志码：B文章编号：1671-5276（2024）03-0070-04

Effect of 3D Printing Process Parameters on Dielectric Properties of PEEK

Abstract：In order to study the influence of 3D printing process on the dielectric properties of PEEK， multiple process parameters were chosen to perform a single factor experiment by fused deposition molding technology， and the technologies of nozzle temperature， substrate temperature， printing speed， layer thickness and chamber temperature etc. were studied. The experiment results show that the dielectric constant of PEEK products is the lowest when the nozzle temperature is 400 ℃， the substrate temperature is 140 ℃， the printing speed 30 mm/s， the layer thickness 0.1 mm， and the chamber temperature 120 ℃. The frequency in the 1100 MHz frequency band has no effect on the dielectric constant.Within the frequency of 140 MHz， the dielectric loss tangent of PEEK measured by each process parameter fluctuates drastically， and within the frequency of 40100 MHz， the fluctuation of dielectric loss tangent of PEEK goes up. The research results provide a basis for the structural design and manufacture of the PEEK dielectric layer of antenna.

Keywords：3D printing; process parameters; PEEK; dielectric properties

0 引言

随着电子设备的不断发展，各种类型共形天线的需求量越来越大，同时各种飞行器外形曲面不断变化，传统印制电路和结构机械加工的工艺精度不足，缺乏灵活度，难以满足制造需求。3D打印技术的出现则为共形天线的制造提供了一种新的思路［1］。

共形电路3D打印常用的材料包含介电油墨、光敏树脂、金属纳米颗粒油墨等［2］，其中介质层材料不仅对材料的强度有一定要求，而且要求材料有低的介电性能，以减少对天线功能的影响。VESELY＇ 等［3］对ABS、PLA、PETG 3种材料以FDM形式打印样件，并评估了打印层厚对其介电性能的影响。除ABS外，其余材料介电常数随层厚增加上升而降低，介电损耗无明显相关性。GOULAS 等［4］研究了不同打印参数如线宽、层高和填充等对Premix Oy材料（ABS中填入陶瓷材料）介电常数和介电损耗的影响，发现这些参数主要影响了实际打印后的材料密度，存在空气气隙会显著降低介电常数。

聚醚醚酮（PEEK）是一种特种高分子材料，具有机械强度高、耐高温、良好的绝缘性、无毒耐腐蚀等优点，常用于航空工业、汽车制造、医疗康复等领域。虽然其介电常数高于ABS，但拥有高强度和高熔点，在航空航天电子领域有较好的应用前景。

本文基于熔融沉积成型（FDM）3D打印技术，采用单因素实验法，研究3D打印工艺参数对PEEK介电性能的影响，为天线结构设计和制造提供依据。

1 3D打印PEEK样件制备

1.1 实验原料及设备

东莞某公司PEEK丝材：1.75mm，由吉林某公司的550G颗粒拉制成丝。

东莞某公司3D打印机： MAGIC-HT-PRO。

介电性能测试：Agilent 4294A，美国某公司。

1.2 实验设计

在熔融沉积成型3D打印过程中，许多工艺参数会对其介电性能产生影响。在本研究中，选择了5种工艺参数（喷头温度、基板温度、打印速度、打印层厚、腔室温度），采用单因素实验法，研究打印工艺参数对介电性能的影响，如表1所示。考虑天线使用工况，介电性能测试频段为1～100MHz。

1.3 样件制备

样件尺寸为20mm×20mm×1.5mm，使用SolidWorks三维建模软件设计出三维模型，导出为STL格式文件。用IEMAI 3D V1.4.7切片软件进行参数设置并进行切片处理，转换成Gcode文件导入3D打印机，对测试样件进行打印。

2 制备工艺对样件介电性能的影响研究

2.1 喷头温度对介电性能的影响

喷头温度指的是3D打印过程中喷头的加热温度，其与材料的熔点相关。不同喷头温度下得到的PEEK样件介电常数如图1所示，介电损耗角正切如图2所示。通过实验可见，喷头温度在420℃时，打印出的样件介电常数最高，保持在7.9左右；在400℃最低，保持在2.0左右。在测试频率段内，每个参数下介电常数随频率变化均保持稳定。

随着喷头温度的上升，介电损耗角正切有一定下降的趋势。在1～5MHz时介电损耗角正切随频率增加大幅度下降，在5MHz后保持稳定。

2.2 基板温度对介电性能的影响

基板温度指的是3D打印过程中材料沉积基板的加热温度。不同基板温度下得到的PEEK样件介电常数如图3所示，介电损耗角正切如图4所示。通过实验可见，介电常数随基板温度的提高而下降，在基板温度140℃时最低，稳定在3.5左右；在基板温度60℃时最高，稳定在6.9左右。在测试频率段内，每个参数下介电常数随频率变化均保持稳定。介电损耗在基板温度140℃时最高，100℃和60℃时较为接近，随频率增加则呈现出先降后升的趋势；在5～25MHz内介电损耗存在大幅度的波动，在25～100MHz时呈现波动上升的趋势。

2.3 打印速度对介电性能的影响

打印速度指3D打印过程中喷头扫描界面轮廓的速度，主要影响样件的打印效率和精度。不同打印速度下得到的PEEK样件的介电常数如图5所示，介电损耗角正切如图6所示。通过实验可见，介电常数随打印速度的提高呈现先降后升的趋势，在打印速度10mm/s时最高，稳定在6.0左右；在打印速度30mm/s时最低，稳定在2.1左右。在测试频率段内，每个参数下介电常数随频率变化均保持稳定。

介电损耗角正切在1～30MHz的频率范围内各工艺参数测试结果接近且均大幅度波动，在30～100MHz时，呈现波动上升的趋势。

2.4 打印层厚对介电性能的影响

打印层厚指的是材料切片时的分层厚度，主要影响表面精度和打印效率。不同打印层厚下得到的PEEK样件介电常数如图7所示，介电损耗角正切如图8所示。

通过实验可见，介电常数随打印层厚的提高呈现先升后降的趋势，在打印层厚0.1mm时最低，稳定在4.1左右；在打印层厚0.2mm时最高，稳定在6.5。在测试频率段内，每个参数下介电常数随频率变化均保持稳定。介电损耗角正切在1～35MHz的频率范围内各工艺参数测试结果接近且均大幅度波动，在35～100MHz时，呈现缓慢波动上升的趋势。

2.5 腔室温度对介电性能的影响

腔室温度指的是打印过程中腔室内的环境温度，腔室温度升高可以有效降低PEEK的翘曲形变。不同腔室温度下得到的PEEK样件介电常数如图9所示，介电损耗角正切如图10所示。通过实验可见，介电常数随腔室温度的升高而降低，在60℃时最高，稳定在5.5左右；在120℃时最低，稳定在4.3左右。在测试频率段内，每个参数下介电常数随频率变化均保持稳定。

介电损耗角正切在1～50MHz的频率范围内各工艺参数测试结果接近且均大幅度波动；在50～100MHz时，呈现缓慢波动上升的趋势。

2.6 结果讨论与分析

对于3D打印工艺来说，在材料没有进行改性情况下，3D打印工艺对其的影响主要是分子结构上影响结晶度，宏观层面影响孔隙率，从而影响介电常数。温度参数主要影响材料熔融状态和挤出后的结晶状态。此外腔室温度在一定程度上影响了样件中孔隙的空气密度，从而最终影响了材料的介电性能。打印速度、层厚主要影响材料挤出时的气泡数和打印后的孔隙率，打印速度过快，材料挤出后易产生气泡，同时还存在拉丝等现象；而打印速度过慢，会影响层间的黏合性，同时还会导致严重的翘曲现象。

对于介电损耗来说，测试频率对其的影响要大于工艺参数的影响。在低频段下，PEEK材料的介电损耗角正切随频率增加出现大幅度波动的情况；在高频段时，随着频率升高，开始呈现波动上升的趋势。

3 结语

1）3D打印工艺参数对介电常数的影响较大，在喷头温度400℃、基板温度140℃、打印速度30mm/s、层厚0.1mm、腔室温度120℃时PEEK样件介电常数最低，合理选择工艺参数可以有效降低对天线传输的干扰。

2）在所选的1～100MHz内，各工艺参数下PEEK样件介电常数随频率变化均保持稳定，仅在10～20MHz段内均有微小波动，说明该范围内频率对介电常数无影响。

3）在1～40MHz频率内，各工艺参数测试得到的PEEK介电损耗角正切均在大幅度波动；在40～100MHz频率内，各工艺参数测试得到的PEEK介电损耗角正切均呈现波动上升的趋势。在1～40MHz内，PEEK介电损耗角正切受频率的影响更大，此频率段内的天线使用PEEK材料应更着重考虑介电损耗的影响情况。

参考文献：

［1］ 杜睿，严厚伟，张晓庆. 3D打印技术在天线及天线罩制作方面的应用［J］. 舰船电子对抗，2020，43（5）：82-87，107.

［2］ 刘秀利，苑博，孙凤林. 3D打印在智能蒙皮天线中的应用发展［J］. 电子工艺技术，2020，41（6）：311-313，332.

［3］ VESELY′ P，TICHY′T，EFL O，et al. Evaluation of dielectric properties of 3D printed objects based on printing resolution［J］. IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2018，461：012091.

［4］ GOULAS A，ZHANG S Y，CADMAN D，et al. The impact of 3D printing process parameters on the dielectric properties of high permittivity composites［J］. Designs，2019，3（4）：50.