Evaluation of process parameters for the manufacture of tiny biomedical devices via 3D printing of PEEK

Objectives: The experiments were designed to optimize the combinations of 3D-printing parameters for PEEK with a fused filament fabrication (FFF) process and to quantitatively evaluate the quality of 3D printed small parts, with the ultimate objective to 3D print small PEEK parts such as personalized dental implants. Methods: This research was conducted using an experimental FFF 3D printer and PEEK filament. Standard PEEK parts were 3D printed for bending and compression tests. Based on the Box-Behnken design, a three factors based experiment was designed using Response Surface Methodology (RSM). Nozzle diameter, nozzle temperature and printing speed were involved. The density and dimensional accuracy of these printed parts were evaluated, and the bending and compression tests were conducted. With the optimized parameters, dental implants were printed with the same printing system. Results: The nozzle diameter was found to be the most significant parameter affecting the bending and compression performance of the printed PEEK samples, followed by printing speed and nozzle temperature. The highest accuracy in sample width was obtained with a 0.6 mm nozzle while the most accurate diameter was obtained with a 0.4 mm nozzle. A combination of 0.4 mm nozzle diameter, 430 °C nozzle temperature and printing speed of 5 mm/s was beneficial to get the densest samples and therefore the best bending strength; reduced internal defects were possible with a 0.2 mm nozzle, a higher nozzle temperature of 440 ℃ and slower printing speed thus performed better bending modulus. The best compression properties were achieved with 0.6mm nozzles, with relatively low influence of the other parameters. Dental implants printed with 0.15 mm nozzle were achieved in our experiment. Conclusions: Optimal parameter combinations have been found to get the best bending or compression properties. The optimized parameters for better dimension accuracy were also obtained depending on the shape of the specimens. Dental implants made from PEEK were printed for the first time.Die Experimente wurden entwickelt, um die Kombinationen von 3D-Druckparametern für PEEK mit einem FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication) zu optimieren und die Qualität von 3D-gedruckten Kleinteilen quantitativ zu bewerten, mit dem Ziel, kleine PEEK-Teile wie zum Beispiel personalisierte dentale Implantate in 3D zu drucken. Methoden: Diese Forschung wurde unter Verwendung eines experimentellen FFF-3D-Druckers und eines PEEK-Filaments durchgeführt. Standard-PEEK-Teile wurden für Biege- und Drucktests in 3D gedruckt. Basierend auf dem Box-Behnken-Design wurde ein auf drei Faktoren basierendes Experiment unter Verwendung der Response Surface Methodology (RSM) entworfen. Düsendurchmesser, Düsentemperatur und Druckgeschwindigkeit waren beteiligt. Die Dichte und Maßgenauigkeit dieser gedruckten Teile wurden bewertet und die Biege- und Kompressionstests wurden durchgeführt. Mit den optimierten Parametern wurden Zahnimplantate mit demselben Drucksystem gedruckt. Ergebnisse: Es wurde festgestellt, dass der Düsendurchmesser der wichtigste Parameter ist, der die Biege- und Kompressionsleistung der gedruckten PEEK-Proben beeinflusst, gefolgt von der Druckgeschwindigkeit und der Düsentemperatur. Die höchste Genauigkeit der Probenbreite wurde mit einer 0,6 mm-Düse erzielt, während der genaueste Durchmesser mit einer 0,4 mm-Düse erzielt wurde. Eine Kombination aus 0,4 mm Düsendurchmesser, 430 °C Düsentemperatur und Druckgeschwindigkeit von 5 mm / s war vorteilhaft, um die dichtesten Proben und damit die beste Biegefestigkeit zu erhalten; Reduzierte innere Defekte waren mit einer 0,2 mm-Düse, einer höheren Düsentemperatur von 440 °C und einer langsameren Druckgeschwindigkeit möglich, wodurch ein besserer Biegemodul erzielt wurde. Die besten Kompressionseigenschaften wurden mit 0,6-mm-Düsen bei relativ geringem Einfluss der anderen Parameter erzielt. In unserem Experiment wurden Zahnimplantate mit einer 0,15 mm Düse erhalten. Schlussfolgerungen: Es wurden optimale Parameterkombinationen gefunden, um die besten Biege- oder Kompressionseigenschaften zu erzielen. Die optimierten Parameter für eine bessere Maßgenauigkeit wurden auch in Abhängigkeit von der Form der Proben erhalten. Zum ersten Mal wurden Zahnimplantate aus PEEK gedruckt