使用PEEK進(jìn)行FDM 3D打印可用于小型醫(yī)療植入物
時(shí)間：2020-02-22 16:40 來源：中國3D打印網(wǎng) 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
中國3D打印網(wǎng)2月22日訊，德國研究人員專注于醫(yī)療領(lǐng)域的3D打印材料，并在最近發(fā)表的“影響基于PEEK的微型醫(yī)療設(shè)備增材制造成果的參數(shù)”中概述了他們的發(fā)現(xiàn)。隨著熱塑性塑料在各種應(yīng)用中的持續(xù)流行，PEEK在許多尋求高性能材料的用戶中名列前茅。作為聚芳醚酮（PAEK）的成員，PEEK還由耐高溫和耐化學(xué)性的分子組成。PEEK適用于整形外科，顱骨狀況，帶有抗菌劑的器械等醫(yī)療植入物，仍然可以通過傳統(tǒng)方式生產(chǎn)，例如注塑，機(jī)械加工等。然而，現(xiàn)在，增材制造工藝在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有更大的潛力。
PEEK的增材制造工藝可制造出更復(fù)雜的幾何形狀，這意味著科學(xué)家們可以為生物印刷創(chuàng)造可行的支架，以及具有生物相容性的植入物。如今，由于可訪問性和價(jià)格合理，F(xiàn)DM 3D打印最常用于PEEK等材料。在這項(xiàng)研究中，作者專注于小型PEEK植入物的最佳參數(shù)，它們來自于他們自己的研究以及其他科學(xué)家的研究。
熔融沉積建模（FDM）3D聚醚醚酮（PEEK）打印機(jī)的示意圖。
十二篇文章對十二位不同研究科學(xué)家的工作進(jìn)行了回顧。
對由FDM制成的小型PEEK零件有影響的參數(shù)示意圖[27]。
其他研究將影響PEEK力學(xué)性能的關(guān)鍵因素描述為：
.溫度
.光柵角
.層厚
.填充率
.打印速度
不可否認(rèn)，3D打印成功的最大途徑之一就是了解參數(shù)和屬性。必須考慮粘度，作者檢查了以前的一些工作，即較高的溫度和“較慢的進(jìn)給速度”有助于在PEEK 3D打印中獲得更好的結(jié)果。溫度也起著重要作用，對過程提供“明顯的影響”。“已經(jīng)研究了噴嘴溫度在340°C至480°C的范圍內(nèi),在噴嘴溫度為350°C時(shí)發(fā)現(xiàn)，PEEK樣品的翹曲變形最小。確定噴嘴溫度在400-430°C為適用范圍。”研究人員說。“低于400°C的噴嘴溫度會導(dǎo)致最終產(chǎn)品的噴嘴堵塞或分層，而高于430°C則會導(dǎo)致細(xì)絲嚴(yán)重變形或材料降解。 他們設(shè)計(jì)了一個(gè)新的加熱器控制噴嘴模塊，以提高打印區(qū)域的溫度均勻性。”
DC4430 PEEK處理中的3D打印機(jī)快照。 （a）殘留材料粘附在噴嘴上。 （b）樣品的結(jié)構(gòu)缺陷。
減小噴嘴直徑也可能會起到成功的作用，因?yàn)榭梢员３帧熬_控制”，從而實(shí)現(xiàn)更好的零件精度。打印速度始終是一個(gè)重要參數(shù)，并且必須與擠出速度相匹配，以避免噴嘴出現(xiàn)粘連或堵塞等問題：“研究人員研究了擠出和印刷速度對擠出的PEEK細(xì)絲的微觀結(jié)構(gòu)和尺寸的影響。他們以0.4、0.5和0.6 mm的噴嘴直徑以及0.1至120 mm / min的打印速度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們得出結(jié)論，在PEEK的FDM過程中，熔體壓力直接影響長絲的表面形態(tài)和擠出直徑，較高的熔體壓力有利于減少擠出長絲的表面缺陷。他們的實(shí)驗(yàn)中，打印速度為50 mm / s。他們以40 mm / s的打印速度進(jìn)行打印。當(dāng)印刷速度為60 mm / s時(shí)，PEEK樣品獲得了最佳的拉伸性能。根據(jù)上面的結(jié)果，我們可以假設(shè)使用0.4毫米直徑噴嘴打印PEEK的合理速度值應(yīng)在40-80毫米/秒的范圍內(nèi)。”
用Apium HPP155生產(chǎn)的放大的牙科植入物的CT（（a）是印刷的植入物，（b–d）是樣品的微型CT）。
在他們自己的研究實(shí)驗(yàn)中，研究小組使用PEEK制作了具有內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)的樣本牙科植入物。他們使用了Orion和Apium的3D打印機(jī)。在使用Apium HPP155打印機(jī)打印放大的牙科植入物（幾乎是實(shí)際模型的三倍）時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)依賴于自己的知識以及所審閱的其他文章中的知識。他們發(fā)現(xiàn)植入物由于內(nèi)部和外部螺絲深度較差以及孔隙率水平而無法接受。為了獲得更好的成功，該團(tuán)隊(duì)與Orion一起進(jìn)行印刷。盡管最初的樣本有些歪曲，但他們在那里取得了更好的結(jié)果。向前邁進(jìn)，他們在打印0.15毫米噴嘴并打印×1.2規(guī)模的植入物時(shí)確實(shí)取得了更大的成功。該樣品的可重復(fù)性和表面質(zhì)量均“合格”。
PEEK的增材制造工藝可制造出更復(fù)雜的幾何形狀，這意味著科學(xué)家們可以為生物印刷創(chuàng)造可行的支架，以及具有生物相容性的植入物。如今，由于可訪問性和價(jià)格合理，F(xiàn)DM 3D打印最常用于PEEK等材料。在這項(xiàng)研究中，作者專注于小型PEEK植入物的最佳參數(shù)，它們來自于他們自己的研究以及其他科學(xué)家的研究。
熔融沉積建模（FDM）3D聚醚醚酮（PEEK）打印機(jī)的示意圖。
十二篇文章對十二位不同研究科學(xué)家的工作進(jìn)行了回顧。
對由FDM制成的小型PEEK零件有影響的參數(shù)示意圖[27]。
其他研究將影響PEEK力學(xué)性能的關(guān)鍵因素描述為：
.溫度
.光柵角
.層厚
.填充率
.打印速度
不可否認(rèn)，3D打印成功的最大途徑之一就是了解參數(shù)和屬性。必須考慮粘度，作者檢查了以前的一些工作，即較高的溫度和“較慢的進(jìn)給速度”有助于在PEEK 3D打印中獲得更好的結(jié)果。溫度也起著重要作用，對過程提供“明顯的影響”。“已經(jīng)研究了噴嘴溫度在340°C至480°C的范圍內(nèi),在噴嘴溫度為350°C時(shí)發(fā)現(xiàn)，PEEK樣品的翹曲變形最小。確定噴嘴溫度在400-430°C為適用范圍。”研究人員說。“低于400°C的噴嘴溫度會導(dǎo)致最終產(chǎn)品的噴嘴堵塞或分層，而高于430°C則會導(dǎo)致細(xì)絲嚴(yán)重變形或材料降解。 他們設(shè)計(jì)了一個(gè)新的加熱器控制噴嘴模塊，以提高打印區(qū)域的溫度均勻性。”
DC4430 PEEK處理中的3D打印機(jī)快照。 （a）殘留材料粘附在噴嘴上。 （b）樣品的結(jié)構(gòu)缺陷。
減小噴嘴直徑也可能會起到成功的作用，因?yàn)榭梢员３帧熬_控制”，從而實(shí)現(xiàn)更好的零件精度。打印速度始終是一個(gè)重要參數(shù)，并且必須與擠出速度相匹配，以避免噴嘴出現(xiàn)粘連或堵塞等問題：“研究人員研究了擠出和印刷速度對擠出的PEEK細(xì)絲的微觀結(jié)構(gòu)和尺寸的影響。他們以0.4、0.5和0.6 mm的噴嘴直徑以及0.1至120 mm / min的打印速度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們得出結(jié)論，在PEEK的FDM過程中，熔體壓力直接影響長絲的表面形態(tài)和擠出直徑，較高的熔體壓力有利于減少擠出長絲的表面缺陷。他們的實(shí)驗(yàn)中，打印速度為50 mm / s。他們以40 mm / s的打印速度進(jìn)行打印。當(dāng)印刷速度為60 mm / s時(shí)，PEEK樣品獲得了最佳的拉伸性能。根據(jù)上面的結(jié)果，我們可以假設(shè)使用0.4毫米直徑噴嘴打印PEEK的合理速度值應(yīng)在40-80毫米/秒的范圍內(nèi)。”
用Apium HPP155生產(chǎn)的放大的牙科植入物的CT（（a）是印刷的植入物，（b–d）是樣品的微型CT）。
在他們自己的研究實(shí)驗(yàn)中，研究小組使用PEEK制作了具有內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)的樣本牙科植入物。他們使用了Orion和Apium的3D打印機(jī)。在使用Apium HPP155打印機(jī)打印放大的牙科植入物（幾乎是實(shí)際模型的三倍）時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)依賴于自己的知識以及所審閱的其他文章中的知識。他們發(fā)現(xiàn)植入物由于內(nèi)部和外部螺絲深度較差以及孔隙率水平而無法接受。為了獲得更好的成功，該團(tuán)隊(duì)與Orion一起進(jìn)行印刷。盡管最初的樣本有些歪曲，但他們在那里取得了更好的結(jié)果。向前邁進(jìn)，他們在打印0.15毫米噴嘴并打印×1.2規(guī)模的植入物時(shí)確實(shí)取得了更大的成功。該樣品的可重復(fù)性和表面質(zhì)量均“合格”。
研究人員說：“在打印×1.2規(guī)模的植入物時(shí)，我們用0.15毫米噴嘴獲得了最好的樣品，這在再現(xiàn)性和表面質(zhì)量上都是可以接受的。”
使用Apium HPP155打印機(jī)打印的牙科植入物使用的參數(shù)。
用Orion第2代（（b–d）印刷的牙科植入物分別為×1.2，×1.5和×2比例;（a，b）用0.15 mm噴嘴在405°C的溫度下印刷;（c ）在390°C的溫度下用0.2 mm的噴嘴打印;（d）在390°C的溫度下用0.4 mm的噴嘴打印，（e）以上樣品的集體照）。
中國3D打印網(wǎng)點(diǎn)評：以更高的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)一步改進(jìn)樣品可能要依靠3D打印機(jī)技術(shù)的更好解決方案和PEEK的更好操作。到目前為止，在我們的實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)證明可以以高精度打印可復(fù)制的小尺寸PEEK零件，這是通過優(yōu)化FDM打印參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。要完成從研究階段到3D打印PEEK制造的過渡，最終要實(shí)現(xiàn)將治療整合到診所的目標(biāo)，還有很長的路要走。但是，該試驗(yàn)可能為牙種植學(xué)領(lǐng)域中患者的特殊治療奠定基礎(chǔ)。考慮到咀嚼力的復(fù)雜性，需要進(jìn)行系統(tǒng)的機(jī)械測試，并且基于有限元分析的仿真對于進(jìn)一步的研究是必要的。
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