基于开源FDM系统的ULTEM 1010多温度参数优化设计框架：解锁高性能聚合物增材制造潜力

本研究针对聚醚酰亚胺(ULTEM 1010)在熔融沉积成型(FDM)中存在的层间粘附性差、各向异性和热加工限制等问题，开发了一套开源FDM平台的多温度优化框架。通过系统优化打印温度(375°C)、直接退火系统(DAS)温度(300°C)和后处理热处理(225°C)三个关键参数，显著提高了ULTEM 1010制件的力学性能，其压缩和拉伸性能达到甚至超过工业系统制备的样品。该研究为高性能聚合物的增材制造提供了可扩展且经济高效的解决方案。

　　

高性能聚合物聚醚酰亚胺(ULTEM)因其优异的耐热性和机械性能，在航空航天、交通运输和生物医学工程领域具有广泛应用前景。然而，这种材料在熔融沉积成型(FDM)技术中的应用面临重大挑战：层间粘附性差、明显的各向异性以及严格的热加工限制。这些问题严重制约了ULTEM 1010在增材制造领域的应用潜力，特别是在需要高精度和可靠性的工程部件制造中。目前大多数研究都集中在工业闭源系统上，缺乏对开源FDM平台的系统研究，这限制了该技术在更广泛工程环境中的应用。

为突破这些限制，研究人员开展了一项开创性研究，开发了一套针对ULTEM 1010的多温度优化框架。该研究采用配备直接退火系统(DAS)的开源FDM平台，通过系统优化三个关键热参数：打印温度、DAS温度和后处理热处理温度，显著提升了ULTEM 1010制件的力学性能。论文发表在《Materials》期刊上。

研究采用了多种关键技术方法：使用CreatBot PEEK-300 FDM打印机进行样品制备；通过万能试验机进行压缩和拉伸测试；采用扫描电子显微镜(SEM)进行断口形貌分析；利用差示扫描量热法(DSC)评估热性能；采用阿基米德原理测量样品密度和孔隙率。所有测试均按照ASTM标准进行，确保数据的可靠性和可比性。

研究结果分为多个重要部分：
在"打印工艺和参数优化框架"部分，研究人员建立了分阶段优化策略，通过单因素实验法逐步确定最佳温度参数组合。结果显示375°C的打印温度能实现最佳的层间融合和机械性能。

在"打印温度"阶段，研究发现375°C和380°C的打印温度表现出最优的力学性能。低于此温度范围会导致挤出不足和层间粘附不良，而过高温度则会引起材料降解和打印缺陷。

在"DAS温度"阶段，300°C的DAS温度被证明能有效改善层间粘附，使样品从分层破坏模式转变为弹性屈曲模式，且不出现层间分层现象。

在"热处理温度"阶段，225°C的热处理温度显示出最佳的协同效应，与DAS系统配合使用时能显著提高材料的弹性模量和极限抗压强度。

在"TXU1010与SU1010对比"部分，优化后的开源系统制备的样品(TXU1010)在多个构建方向上展现出优于工业系统制备样品(SU1010)的力学性能。TXU1010的孔隙率降低了37%，拉伸强度提高了38%，刚度提高了7%。断口分析显示TXU1010具有更均匀的层间融合和更少的空隙。

研究结论部分强调，这项研究成功建立了一个可扩展的开源FDM平台多温度优化框架，为高性能聚合物增材制造提供了新的解决方案。通过精确控制打印温度、DAS温度和后处理热处理三个关键参数，显著提高了ULTEM 1010制件的层间粘附性和力学性能。特别值得注意的是，优化后的开源系统制备的样品性能达到甚至超过了工业闭源系统的水平，这为降低高性能聚合物增材制造成本、提高工艺灵活性提供了重要途径。

该研究的创新性主要体现在三个方面：首次在开源FDM平台上系统研究了ULTEM 1010的多温度参数优化；开发了结合DAS系统和后处理热处理的协同优化策略；建立了清晰的结构-性能-工艺关系。这些发现不仅对ULTEM 1010的增材制造具有直接指导意义，也为其他高性能热塑性聚合物的3D打印工艺开发提供了重要参考。