使用基于颗粒的3D打印机优化回收聚丁酸琥酯（PBS）的3D打印参数

《Polymer Testing》：Optimization of 3D Printing Parameters for Recycled Polybutylene Succinate (PBS) using a Granule-Based 3D Printer

3D打印中使用回收聚丁二烯 succinate（PBS）优化打印速度（15-65 mm/s）和铺层角度（±45°, ±30°, 0/90°），通过Design of Experiment（DoE）和统计分析发现，±45°结合低速（15 mm/s）时机械性能最佳， tensile strength达27.44-30.87 MPa， Charpy冲击强度10.24-8.08 kJ/m2，且结晶度均匀，孔隙率低于5%。采用FGF技术直接加工 granules，降低生产成本，验证了回收PBS在3D打印中的可行性和经济性。

　　近年来，随着环境问题的日益严峻和化石资源的枯竭，社会对可持续发展和循环经济的关注逐渐增加。这促使了工业界对传统材料的替代探索，特别是在增材制造（Additive Manufacturing, AM）领域，使用可再生或可回收材料成为一种关键策略。3D打印作为一种快速原型制造技术，因其在创造复杂几何结构、减少材料浪费以及实现定制化生产方面的优势，正逐步改变传统制造业的格局。然而，如何在保持3D打印性能的同时，实现材料的可持续利用，仍然是一个重要的研究方向。

本研究首次探讨了回收聚丁二酸丁二醇酯（Polybutylene Succinate, PBS）在增材制造中的应用潜力，特别是通过采用一种特殊的3D打印技术——粒料融合制造（Fused Granulate Fabrication, FGF）来实现这一目标。FGF技术与传统的Fused Filament Fabrication（FFF）技术不同，它直接使用粒料作为原料，跳过了丝材制备的中间步骤，这不仅降低了生产成本，也拓宽了回收材料在3D打印中的应用范围。同时，这种技术也提升了打印过程的可持续性，因为它减少了对原始资源的依赖，并有助于实现循环经济的目标。

在3D打印过程中，参数的优化对于最终产品的性能至关重要。本研究重点分析了打印速度和栅格角度对回收PBS打印件机械性能的影响。打印速度的增加通常会导致较低的机械强度，这主要是由于在高速打印过程中，材料在层间融合时缺乏足够的热能，导致层间结合力下降，从而产生更多的孔隙和弱化结构。另一方面，栅格角度的选择也对材料性能产生重要影响。研究发现，±45°的栅格配置能够有效平衡机械性能、各向异性以及孔隙率，使得打印件在强度和韧性方面表现良好。相比之下，0°/90°的配置则因为层间方向差异较大，导致打印件的机械性能相对较弱。

为了全面评估回收PBS的性能，本研究采用了多种机械、热学和微观结构表征方法。在机械性能方面，进行了拉伸、弯曲和冲击测试，以评估材料在不同条件下的强度表现。结果显示，虽然拉伸强度和冲击强度随打印速度的增加而下降，但这些参数的变化趋势与栅格角度的影响相比并不显著。这表明，在某些情况下，材料的内部结构和整体性能可能对这些特性产生更直接的影响。此外，拉伸模量和弯曲模量对打印参数的变化不敏感，主要由材料本身的性质决定。

热学分析进一步揭示了回收PBS在不同打印配置下的结晶行为。通过差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC），研究人员发现，随着打印速度的提高，材料的结晶度会略有下降。这是由于高速打印过程中，材料冷却时间缩短，导致聚合物链的重排和结晶过程受到限制。然而，PBS具有快速的结晶动力学特性，即使在较高的打印速度下，其结晶度仍然能够保持在一个较高的水平。这种特性使得回收PBS在3D打印过程中能够维持较高的结构稳定性，从而减少各层之间的热应力差异。

微观结构表征则通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）对打印件的表面和内部结构进行了详细观察。结果显示，较高的打印速度会导致打印层表面更加粗糙，并且在层间产生更多的缺陷。这些缺陷不仅影响打印件的外观质量，也对机械性能产生负面影响。相比之下，±45°的栅格配置在高速打印条件下仍然能够保持较高的层间结合质量，从而维持较好的机械性能。此外，通过使用“brim”（边缘支撑结构），可以有效缓解由于材料收缩导致的翘曲问题，从而提升打印件的尺寸稳定性。

在环境和经济层面，回收材料的使用为3D打印提供了重要的可持续性优势。首先，回收材料的利用有助于减少工业废弃物的产生，同时降低对新原料的需求，从而减少资源开采和加工过程中的环境影响。其次，通过直接使用回收材料进行打印，可以显著降低丝材生产的成本，这对于推动3D打印技术在工业和日常应用中的普及具有重要意义。然而，回收材料在3D打印过程中仍面临一些挑战，如材料性能的不稳定性、打印参数的优化需求以及打印过程中可能出现的缺陷问题。

为了应对这些挑战，研究人员采用了一种系统性的方法，结合统计分析和实验设计（Design of Experiment, DoE），对打印参数进行了优化。通过改变打印速度和栅格角度，研究人员能够更精确地控制打印件的孔隙率和层间结合质量，从而实现更好的机械性能。研究还发现，回收PBS的孔隙率与打印速度密切相关，而栅格角度则在一定程度上能够影响孔隙的分布。因此，通过合理选择打印参数，可以在保证材料性能的同时，最大限度地减少资源浪费。

本研究的结果表明，回收PBS在3D打印中具有广阔的应用前景。其出色的生物降解性和加工性能，使其成为一种理想的可持续材料。通过FGF技术，回收PBS能够在不依赖传统丝材制备的情况下，直接用于打印过程，从而提升材料的利用率和打印效率。此外，回收PBS的高结晶度和快速结晶特性，使其在打印过程中能够维持较高的结构稳定性，减少因热应力引起的变形问题。

从长远来看，回收材料在3D打印中的应用不仅有助于推动可持续制造的发展，还可能对传统制造业的转型产生深远影响。通过优化打印参数和材料处理工艺，回收PBS可以实现与原始材料相当的性能，从而为工业界提供一种低成本、低能耗且环保的制造解决方案。这不仅符合全球范围内的环保政策和可持续发展目标，也为未来的智能制造和循环经济模式提供了新的思路。

此外，研究还指出，虽然回收材料在3D打印中表现出色，但其在生命周期结束时的处理方式仍需进一步探讨。例如，将回收材料视为唯一终末处理方式（如生物降解）可能会对环境产生不利影响，如土壤污染、潜在的基因毒性以及微塑料的生成。因此，研究建议在考虑材料的终末处理时，应更加注重其可回收性，以确保整个生命周期的环境友好性。

总体而言，本研究为回收PBS在3D打印中的应用提供了重要的理论和实践基础。通过系统分析打印参数对材料性能的影响，研究人员不仅验证了回收材料的可行性，也为未来的研究指明了方向。未来的工作可以进一步探索回收材料在不同打印技术中的表现，以及如何通过改进材料配方和打印工艺，提升回收材料的性能和适用性。此外，还可以研究回收材料在不同应用场景下的表现，如建筑、医疗和汽车工业等，以推动其在更广泛领域的应用。