《Journal of Materials Research and Technology》：Processing–Property Relationships in 3D Printed PLA/Graphene Composites for Synergistic Enhancement of Mechanical Strength and Electrical Conductivity
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本研究针对PLA/石墨烯复合材料在熔融长丝制造（FFF）中机电性能不足的问题，系统探究了打印取向、栅格角度、填充图案等关键工艺参数对材料拉伸、弯曲、冲击强度及电导率的协同影响。通过田口L18正交实验与灰色关联分析，发现立方填充图案在90%填充密度下可实现最优机电性能（拉伸强度51.91 MPa，电导率19.12 μS），为功能性3D打印电子器件提供了工艺优化路径。
随着增材制造技术的飞速发展，熔融长丝制造（Fused Filament Fabrication, FFF）因其成本低、设计自由度高而广泛应用于电子器件原型制造。然而，传统聚合物如聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）虽具生物可降解性，但其绝缘特性限制了在导电场景的应用。通过添加石墨烯等纳米填料可提升导电性，但现有研究多聚焦单一性能优化，缺乏对多参数协同调控机电性能的系统探索，制约了功能性器件的发展。
为突破这一瓶颈，巴基斯坦拉合尔工程技术大学的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表论文，系统研究了打印取向、栅格角度、填充图案、层高、填充密度及打印速度六大工艺参数对PLA/石墨烯复合材料机电性能的影响。研究采用田口L18正交实验设计，结合灰色关联分析（Grey Relational Analysis, GRA）进行多目标优化，旨在揭示工艺与性能间的内在关联，为高性能3D打印电子器件提供理论依据。
关键技术方法
研究选用商用PLA/石墨烯导电丝材，通过Creality Ender 3-Pro打印机制备标准试样。采用田口法设计18组实验，测试拉伸（ASTM D638）、弯曲（ASTM D790）、冲击强度（ASTM D256）及四探针法电导率。利用灰色关联分析整合多性能指标，确定最优参数组合，并通过扫描电镜（SEM）、差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）表征微观结构与热性能。
3.1. 拉伸强度结果
立方填充图案与45°栅格角组合在扁平打印取向下获得最高拉伸强度（51.91 MPa）。分析表明，扁平取向层间粘结力强，立方图案应力分布均匀，而高填充密度（90%）因气泡缺陷反而降低强度。应力-应变曲线显示材料断裂前塑性变形有限，体现石墨烯增强后的脆性特征。
3.2. 弯曲测试结果
扁平取向与立方填充图案在0.3 mm层高下实现最大弯曲强度（62.6 MPa）。厚层高促进层间融合，但DSC显示玻璃化转变温度升至68.1°C，表明石墨烯提升了链段运动阻力，牺牲了部分韧性。
3.3. 伊佐德冲击测试结果
边缘打印取向与90°栅格角组合在90%填充密度下冲击强度最优（59.38 J/m）。层间平行冲击力方向提升了能量吸收，但整体数值仍低于ABS，说明石墨烯增韧作用有限。
3.4. 四探针测试结果
边缘取向与0°栅格角使电导率最高（19.12 μS）。石墨烯沿打印方向形成连续导电通路，而扁平取向因层间界面电阻增加导电性下降76%。
4.5. 热表征
DSC与TGA显示复合材料热稳定性提升（分解起始温度330.6°C），但残留物达13.91%，暗示填料含未声明碳黑或石墨，可能影响性能一致性。
4.7. 多响应优化
灰色关联分析确定最优参数组合（扁平取向、90%填充密度、立方图案、0°栅格角、0.3 mm层高、120 mm/s速度），验证实验显示机电性能同步提升：拉伸强度升75.8%，电导率增45.2%。
本研究首次通过多参数系统优化，实现了PLA/石墨烯复合材料机电性能的协同提升。立方填充结构与边缘打印取向的组合为功能性器件（如传感器、电磁屏蔽组件）提供了新思路。然而填料成分不明与层间各向异性仍是挑战，未来需探索填料比例调控与人工智能辅助工艺优化，推动绿色电子器件的实际应用。
