基于田口方法的碳纤维增强聚合物(CFRP)3D打印参数优化及其冲击与硬度性能分析

为解决碳纤维增强聚合物(CFRP)3D打印参数优化难题，研究人员采用田口方法系统研究了喷嘴温度、填充密度、打印速度等6个参数对材料冲击强度(1.261 J)和硬度(74.8132 Shore D)的影响。研究发现层厚度(贡献率38.23%)和填充密度(65.57%)是关键影响因素，为航空航天等领域高性能CFRP构件制造提供了参数优化框架。

　　

在增材制造技术蓬勃发展的今天，碳纤维增强聚合物(CFRP)因其卓越的强度重量比成为航空航天、汽车制造等领域的明星材料。然而，采用熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)技术打印CFRP时，工艺参数的复杂交互作用导致机械性能波动大，成为制约其工业化应用的瓶颈。传统试错法优化参数效率低下，且缺乏系统性研究揭示关键参数的影响机制。

针对这一挑战，国内某研究团队在《Results in Materials》发表了一项创新研究。研究人员选用聚乳酸(PLA)基碳纤维复合材料，运用田口实验设计方法，通过L₂₇
正交阵列系统考察了喷嘴温度(220-240°C)、填充密度(40-80%)、打印速度(60-100 mm/s)、层厚度(0.1-0.3 mm)、填充图案(直线/三角形/六边形)和打印方向(0-30°)六大参数的影响。研究采用Shore D硬度测试和Izod冲击试验评估性能，通过信号噪声比(S/N)和方差分析(ANOVA)确定最优参数组合。

关键技术方法包括：1) 采用Material Extrusion(MEX)工艺制备CFRP试样；2) 基于ASTM D6110和D785标准设计测试样件；3) 使用正交阵列减少实验次数；4) 通过S/N比分析参数敏感性；5) 采用置信区间验证优化结果。

3.1 硬度分析
研究发现最优参数组合(240°C/80%/80 mm/s/0.3 mm/三角形/30°)使硬度达76.40 Shore D。ANOVA显示层厚度贡献率最高(38.23%)，其次为填充密度(25.01%)。薄层打印增强层间结合力，而高填充密度减少内部孔隙，共同提升材料致密性。

3.2 冲击强度分析
冲击测试显示参数组合(230°C/80%/100 mm/s/0.3 mm/三角形/15°)实现最佳性能(1.164 J)。填充密度贡献率达65.57%，高密度结构有效分散冲击能量；层厚度贡献18.31%，适当增加厚度提升层间结合面积。

3.3 验证实验
验证试验证实预测值与实测值高度吻合：硬度74.8132 Shore D(预测区间37.415-38.061)，冲击强度1.261 J(预测区间0.789-2.983)，证实田口方法的可靠性。

讨论与结论
该研究突破性地量化了各参数对CFRP性能的贡献度：层厚度主导硬度提升，而填充密度决定冲击性能。三角形填充图案和15-30°打印方向的组合优化了载荷传递路径。研究建立的参数优化模型可缩短CFRP产品开发周期60%以上，为航空航天轻量化部件制造提供直接指导。

值得注意的是，该研究揭示了传统认知的差异——较厚的打印层(0.3 mm)反而获得最佳性能，这与纯聚合物3D打印经验相反，说明碳纤维的增强作用改变了参数影响机制。未来研究可拓展至连续纤维增强体系，并结合机器学习实现参数智能优化。这项成果为高性能复合材料增材制造提供了可复用的方法论框架，推动3D打印从原型制造向终端产品生产的跨越。