熔融沉积成型3D打印工艺参数与材料选择对构件力学性能的影响机制研究

本研究针对FDM（熔融沉积成型）3D打印中材料与工艺参数对构件力学性能的协同影响问题，通过Taguchi L9正交实验设计，系统评估了PLA、ABS、PLA-CF、PETG和PAHT-CF五种材料的拉伸、压缩和弯曲性能。研究发现PAHT-CF在各项测试中表现最优，喷嘴直径是最关键工艺参数，为高精度工业应用和生物医学支架的优化设计提供了数据支撑。

　　

3D打印技术正在重塑现代制造业格局，其中熔融沉积成型(FDM)因其成本低、操作简便成为最普及的增材制造技术。然而，打印构件的力学性能高度依赖材料选择和工艺参数配置，传统研究多聚焦于单一材料或局部参数优化，缺乏系统性比较。尤其在生物医学领域，如何平衡可降解性(如PLA)与机械强度(如PAHT-CF)仍是未解难题。

针对这一挑战，来自中国的研究团队在《Hybrid Advances》发表最新成果，通过多维度实验揭示了材料-工艺协同作用机制。研究采用Taguchi L9正交实验设计，以喷嘴直径(0.4-0.8mm)、层高(0.08-0.56mm)、填充密度(20%-80%)和填充图案(三角六边形/矩形/螺旋)为变量，对五种热塑性材料进行力学测试，结合SEM电镜开展断口形貌分析。

材料与方法
实验选用Bambu Lab生产的标准直径(1.75±0.03mm)丝材，通过Shimadzu AGX-V2万能试验机进行ASTM标准测试。采用Minitab软件设计L9正交阵列，通过ANOVA分析参数显著性。

3.1 拉伸测试
PAHT-CF7(0.8mm喷嘴+80%填充)展现最高拉伸强度(62.77MPa)，较PLA提升87.18%。大喷嘴直径通过减少孔隙率提升层间结合力，碳纤维增强使PLA-CF模量提升14.55%。

3.2 压缩测试
PAHT-CF6(0.6mm喷嘴+20%填充)获最高压缩应力(106.81MPa)，但PLA模量(2.24GPa)最优。不规则断裂曲线揭示ABS和PAHT-CF存在层间剥离现象。

3.3 弯曲测试
PAHT-CF7弯曲强度达132.66MPa，螺旋填充图案通过三重周期最小表面结构均匀分散应力。PLA-CF以4.00GPa模量成为最刚性材料。

3.5 断口分析
SEM显示PLA-CF存在纤维脱粘微孔，而PAHT-CF纤维断裂为主，证实其更强界面结合力。PETG呈现表层延性/芯部脆性双模断裂特征。

结论与展望
研究确立喷嘴直径为核心影响参数(ANOVA p=0.017)，PAHT-CF综合性能最优，特别适合承重植入物等高温场景。PLA-CF在刚度敏感应用中优势显著，而PETG韧性适合可变形结构。未来可拓展至聚碳酸酯(PC)等工程塑料研究，并探索动态力学性能优化。该成果为航空航天轻量化构件和个性化医疗植入物的精准制造提供了理论依据。