自主研发PC/ABS共混材料，并优化用于材料挤出方法的打印参数

本研究通过制备PC/ABS不同比例的混合材料，采用Taguchi实验设计优化热塑性3D打印参数（层厚、喷嘴温度、打印速度），结合力学性能测试和微观结构分析，揭示了材料配比与打印参数对拉伸强度、抗冲击性及断裂机制的影响规律。结果表明，70% PC与30% ABS的混合材料在层厚0.15mm、喷嘴温度280℃、打印速度50mm/s时获得最佳综合性能，其冲击强度较纯PC提升5倍，且微观结构显示优化的海岛状与互穿连续相形态

　　
本研究聚焦于熔融沉积成型（MEX）技术中聚碳酸酯（PC）与丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）的混合材料优化。通过系统性的材料配比设计、参数优化实验及微观结构分析，揭示了多组PC/ABS混合材料在力学性能与成型工艺间的平衡关系，为功能性3D打印材料的开发提供了理论支撑与实践指导。

### 材料体系与工艺优化研究
研究团队以PC和ABS为基体材料，开发了包含纯PC、纯ABS以及五组PC/ABS混合比例（90:10至50:50）的七种材料体系。通过单螺杆挤出机（3D Evo Composer 350）对原料进行预处理与造粒，重点调控了加热区温度梯度（H1-H4）、螺杆转速（250-270转/分钟）和冷却风速（20%-50%）等关键工艺参数。实验表明，当挤出温度控制在225℃时，混合材料直径波动范围可稳定在±0.05mm以内，而温度超过230℃会导致明显的热降解现象，表面出现黄变与裂纹。

### 参数优化实验设计
基于正交试验法（L9 Taguchi阵列），系统考察了层厚（0.15-0.25mm）、喷嘴温度（260-280℃）和打印速度（50-100mm/s）三个核心工艺参数对材料力学性能的影响。研究发现：1）层厚每增加0.1mm，材料抗拉强度平均下降约8%-12%；2）喷嘴温度与材料性能呈非线性关系，在PC含量＞60%时，280℃高温环境可促进分子链运动，提升界面结合强度；3）打印速度对材料性能影响显著度最低，仅占总变异因素的1.5%-3.5%。

### 力学性能与微观结构关联性
通过多维度测试（拉伸、弯曲、冲击、硬度）发现，PC/ABS混合材料的综合性能呈现梯度变化特征：当ABS含量从10%增至50%时，抗拉强度从62.5MPa降至41.6MPa，但冲击强度从11.7kJ/m2提升至59.5kJ/m2，达到纯PC材料的5.1倍。微观结构分析显示：
- **PC主导体系（90:10）**：形成"海岛"结构，PC连续基体中分散ABS颗粒，但界面结合力较弱（热力学不相容导致）
- **中配体系（70:30）**：呈现半互穿网络结构，ABS橡胶粒子有效分散于PC基体中，形成"应力陷阱"效应
- **均质体系（50:50）**：双连续相结构形成，PC与ABS交替构建三维网络，界面结合强度提升40%

### 关键工艺参数优化
最佳工艺参数组合呈现显著的材料依赖性：
1. **PC纯体系**：层厚0.15mm、喷嘴280℃、打印速度50mm/s时，抗拉强度达62.5MPa
2. **ABS纯体系**：层厚0.25mm、喷嘴280℃、打印速度100mm/s时，冲击强度达23.5kJ/m2
3. **混合体系**：
- 90:10：0.15mm层厚配合280℃高温，最大化保留PC基体的刚性（弹性模量2111MPa）
- 70:30：0.15mm层厚+270℃喷嘴温度，实现强度（49.6MPa）与韧性（2.2%）的平衡
- 50:50：0.15mm层厚+260℃喷嘴温度，牺牲部分强度（41.6MPa）换取更高冲击韧性（14.2kJ/m2）

### 现实应用价值
研究突破传统材料性能的线性叠加假设，发现当ABS含量达30%-40%时，材料体系呈现"性能拐点"现象：
- **强度-韧性协同提升**：70:30体系冲击强度达纯ABS的2.5倍，同时保持接近纯PC的弹性模量（1867MPa）
- **商业材料对比**：自制PC材料冲击强度比市售PC-C高37.6%，而ABS自制的冲击强度比市售ABS-C提升104%
- **工艺窗口扩展**：通过参数优化，使50:50体系在常规MEX设备上实现印刷速度达75mm/s，层厚0.15mm的稳定成型

### 技术局限与改进方向
研究指出当前方法存在三点局限：
1. **材料相容性限制**：PC与ABS的极性差异导致界面结合力不足，需添加相容剂（如SIS弹性体）
2. **热历史敏感性**：挤出温度波动±5℃即会导致直径变异超过10%，建议引入在线监测系统
3. **力学测试标准化**：冲击试验中未区分应变速率影响（纯PC在10mm/min应变速率下呈现脆性，而在50mm/min时韧性提升27%）

未来研究可考虑以下方向：
- **纳米改性技术**：添加纳米黏土（如蒙脱土）提升界面结合强度，预估可使抗拉强度提升15%-20%
- **多参数耦合优化**：建立包含层厚时间（0.15mm对应约3层）、冷却速率（建议控制在1-2℃/s）的完整工艺模型
- **环境稳定性研究**：针对湿度（＞60%RH时ABS韧性下降12%）、温度（＞50℃时PC脆性增加）等环境因素建立补偿算法

### 结论
本研究证实PC/ABS混合体系通过合理的工艺参数调控可实现性能的梯度优化，其中70:30比例体系在综合性能（抗拉强度49.6MPa、冲击强度59.5kJ/m2）上达到最佳平衡。通过建立材料组成-工艺参数-微观结构的三维关联模型，为后续开发高强韧3D打印材料提供了重要参考。研究推荐的层厚0.15mm+喷嘴温度梯度调控方案，已成功应用于超过2000例工业级零件生产，良品率从62%提升至89%。