熔融沉积成型3D打印椰木-聚乳酸复合材料的力学性能优化研究及其工业应用价值

本研究针对FDM（熔融沉积成型）3D打印中工艺参数与材料性能的复杂关联性问题，系统探究了PLA（聚乳酸）及PLA/椰木(CT.W)复合材料在不同填充模式（网格、八边形螺旋、直线、蜂窝、同心）和填充率（25%/50%/75%）下的力学表现。结果表明：75%填充密度与同心填充模式的试样在拉伸、弯曲和冲击性能中能量吸收最优，为个性化医疗器械和环保材料开发提供参数优化依据。

　　

在制造业数字化转型浪潮中，3D打印技术正从原型开发迈向规模化生产。其中熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)因设备成本低、操作简便成为市场主流，但如何平衡工艺参数与成品质量始终是行业痛点。尤其当引入椰木纤维等生物基填料时，材料异质性会导致力学性能预测偏差。现有研究多聚焦单一参数优化，缺乏对复合材料多目标性能的系统评估。

针对这一瓶颈，研究人员在《International Journal of Polymer Analysis and Characterization》发表论文，通过设计五类填充模式（网格/octagram螺旋/rectilinear/蜂窝/concentric）与三档填充率（25%/50%/75%）的组合实验，采用万能材料试验机和冲击测试仪量化PLA及PLA/Ct.W复合材料的能量吸收特性。样本制备严格遵循ASTM标准，确保数据可比性。

研究结果揭示三个关键发现：

1. 填充密度主导能量吸收：75%填充率使PLA拉伸强度提升40%，PLA/Ct.W因木质颗粒界面缺陷导致强度降低12%，但冲击韧性改善显著。
2. 同心填充的优化效应：该模式在弯曲测试中展现最高应力分布均匀性，比传统网格结构能量吸收效率提高28%。
3. 生物填料尺寸效应：CT.W颗粒>200μm时引发应力集中，证实填料粒径控制对复合材料性能的关键影响。

结论部分强调，该研究首次建立FDM工艺-生物填料-力学性能的三元关系模型，为医疗植入物等需高能量吸收的场景提供参数选择指南。讨论指出未来应探索纳米级木质纤维改性，以突破复合材料强度-韧性此消彼长的传统局限。论文数据支撑"绿色制造"理念，推动3D打印从通用塑料向可持续生物基材料的产业升级。