采用PLA、ABS和HIPS材料，通过多喷嘴熔融沉积成型技术制造的多材料夹层结构的拉伸性能研究

《Results in Engineering》：Tensile Performance of Multi-material Sandwich Structures Fabricated by Multi-nozzle Fused Deposition Modeling Using PLA, ABS, and HIPS

抗拉强度最优的APA多材料夹层结构及其工艺参数优化研究，基于正交实验设计分析层厚度、打印方向等7个参数对力学性能的影响，发现45°和90°打印角度配合0° build orientation可显著提升结构强度，APA在48.03 MPa下展现最佳综合性能，其优势源于PLA与ABS的协同效应及紧密层间融合，微观SEM证实低缺陷率。该成果为轻量化应用（无人机框架、保护性结构件等）提供理论支撑。

　　本研究旨在探讨六种多材料夹层结构（APA、PAP、HPH、PHP、AHA 和 HAH）的拉伸性能及层间结合特性，这些结构由聚乳酸（PLA）、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）和高抗冲聚苯乙烯（HIPS）制成，并在多喷嘴熔融沉积成型（FDM）打印机上制造。通过系统地改变七个工艺参数（层厚、栅格角度、构建方向、栅格宽度、打印速度、填充密度和芯材比例），研究采用正交实验设计中的 Taguchi L27 矩阵，对夹层结构的性能进行了评估。研究发现，APA 配置在所有结构中表现出最高的拉伸强度（48.03 MPa）和模量（796.17 MPa），比 PAP（42.07 MPa）和 HPH（38.07 MPa）分别高出约 10-15%，这归因于更优的层间融合和平衡的材料协同效应。栅格角度设置为 45° 和 90°，特别是在构建方向为 0° 且栅格宽度适中的情况下，进一步提升了机械性能，特别是在基于 PLA 和 ABS 的结构中。显微镜和断裂表面观察进一步支持这些发现，揭示了 APA 具有更密集的层间融合和更少的界面空隙，从而提高了结构完整性。由于 PETG 在相似条件下与 PLA 和 ABS 的粘附性较差，因此被排除在研究之外。

### 材料与方法

本研究使用了 SOVOL SV04 3D 打印机，该设备配备了一个双独立喷嘴（IDEX）系统，能够同时打印不同性质的热塑性材料，如 PLA、ABS 和 HIPS。通过这种技术，研究人员可以在同一打印过程中实现定制的材料配置，从而减少组装或后期处理的需求。研究中使用了 SolidWorks 2021 进行 CAD 模型设计，并通过 Ultimaker Cura 软件进行切片和路径规划。这种软件允许研究人员控制所有成型过程，包括喷嘴路径设置，以确保重复性和一致性。此外，为了确保实验的可重复性，每个参数组合进行了五次测试，所有测试均在同一台机器和操作员下进行，并定期校准系统。

为了评估材料组合和工艺参数对夹层结构拉伸性能的影响，研究选择了三个不同的材料比例：15/70/15、25/50/25 和 35/30/35。其中，15/70/15 比例用于观察外层材料对结构性能的影响，而 35/30/35 比例则用于观察内层材料对整体性能的贡献。为了确保实验的科学性和可重复性，研究人员还调整了其他关键参数，包括喷嘴温度、壁厚、床温、填充模式、风扇速度和移动速度。这些参数的设定基于之前的研究，旨在优化打印质量、机械性能和生产效率。

### 实验结果

实验结果表明，不同材料组合和工艺参数对夹层结构的拉伸性能有显著影响。其中，APA 结构在所有测试中表现出最佳的拉伸性能，其拉伸强度范围为 33.31 MPa 到 48.03 MPa，模量范围为 513.39 MPa 到 796.17 MPa。这些数值表明，APA 结构不仅具有较高的强度，还表现出良好的模量，显示出良好的刚度和韧性。相比之下，PHP 结构表现出较差的机械性能，其拉伸强度和模量都较低，且对工艺参数变化较为敏感。

### 讨论

在讨论部分，研究深入探讨了不同材料组合和工艺参数对夹层结构性能的影响。通过显微镜和断裂表面观察，研究人员发现 APA 结构具有更紧密的层间融合和更少的界面空隙，这可能是其拉伸性能优异的原因。相比之下，HAH 和 PHP 结构表现出较高的界面空隙，这可能导致了较低的拉伸强度和较差的机械性能。此外，研究还分析了不同材料对界面结合的影响，发现 HIPS 和 PLA 的结合最为紧密，而 HIPS 和 ABS 的结合则相对较弱。

### 工艺参数与拉伸强度的关系

研究还探讨了工艺参数对拉伸强度的影响。结果显示，层厚、栅格角度、构建方向、栅格宽度、打印速度、填充密度和材料组成对夹层结构的拉伸性能有不同程度的影响。其中，层厚和材料组成对所有结构都有显著影响，而栅格宽度在某些结构中也表现出重要影响。例如，在 APA 结构中，栅格宽度的变化对拉伸强度有明显影响，而 PAP 和 HPH 结构则表现出较高的稳定性。

### 结论

综上所述，本研究通过系统地改变工艺参数和材料组合，对多材料夹层结构的拉伸性能进行了全面评估。结果表明，APA 配置在所有结构中表现出最佳的拉伸性能，这主要归因于其良好的层间结合和材料协同效应。研究还指出，栅格角度和构建方向对结构性能有重要影响，特别是在某些材料组合中，特定的参数设置能够显著提升机械性能。此外，研究还强调了材料组成对性能的决定性作用，特别是外层材料的选择对整体结构的强度和韧性有重要影响。

### 未来展望

尽管本研究取得了一些显著成果，但仍有许多方面需要进一步探索。例如，未来的实验可以扩展到循环载荷和高温环境下的性能测试，以更全面地评估夹层结构在实际应用中的可靠性。此外，研究还可以考虑引入增强材料，如短碳纤维，以进一步提高机械性能，同时保持良好的韧性。通过这些进一步的研究，可以为多材料 FDM 技术在工业应用中的发展提供更深入的理论支持和实践指导。