《Macromol》：A Review of Different Challenges Related to Industrializing Additively Manufactured Wood-Reinforced Polylactic Acid Materials Using the Fused Filament Fabrication Technique
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许多研究已经针对纯聚乳酸（PLA）材料开展，为使用熔融沉积成型（FFF）技术增材制造该材料提供了良好的路线图，该技术被认为是最常用的增材制造（AM）技术之一。文献中可以找到许多解决其机械性能和加工问题的建议。然而，针对使用FFF技术制造的木增强PLA（WrPL
许多研究已经针对纯聚乳酸（PLA）材料开展，为使用熔融沉积成型（FFF）技术增材制造该材料提供了良好的路线图，该技术被认为是最常用的增材制造（AM）技术之一。文献中可以找到许多解决其机械性能和加工问题的建议。然而，针对使用FFF技术制造的木增强PLA（WrPLA）材料，提供建议和路线图的研究很少。此外，FFF设备制造商无法保证其生产的机器在制造WrPLA材料时的有效性，尤其是在可重复性方面。本综述旨在解决构成主要障碍的不同挑战和问题，尤其是不确定性问题，以实现该材料的工业化，这为制定增材制造工业化标准（IS4AM）铺平了道路。此外，由于材料性能是工业化的关键点，本综述回顾了多项研究，以帮助识别不同的问题和障碍。之后，结合研究人员的工业经验和文献中已有的不同工作，提出了一些建议和推荐。这些提议和推荐旨在使用FFF技术实现WrPLA材料的工业化。最重要的建议是开发先进可靠性策略以减少不确定性情况。因此，本综述结合了学术和工业观点，以减少缺陷/不合格情况，从而提高最终产品的机械性能，其中展示了工业实例与文献中先前工作之间的相互验证，以帮助广大读者应对该领域的不同挑战。这进而可以为读者提供在大分子水平上处理WrPLA材料的思路，以减少若干确定性和不确定性问题，并扩展WrPLA在若干重要应用中的使用。
1. 引言
增材制造（AM）以较低的制造成本和时间实现了复杂几何形状的灵活生产，其原理是将三维模型切片为多个二维截面，逐层制造实体零件。熔融沉积成型（FFF）因其简单和低成本而成为最常用的AM技术之一。聚乳酸（PLA）因良好的加工性、机械性能、生物相容性和可持续性而被广泛使用。木增强PLA（WrPLA）作为天然纤维复合材料，兼具生物降解性和适合FFF打印的特性，但有关其工业化制造的系统性研究仍不足。本综述结合文献与工业经验，旨在识别WrPLA材料在FFF技术下工业化的主要挑战，尤其是不确定性问题，并为未来制定AM工业化标准（IS4AM）提供路线图。
2. WrPLA的材料性能
PLA由可再生资源制得，具有半结晶结构和疏水性，适合与木纤维复合。木纤维的加入会改变复合材料的材料特性。现有研究多集中在纯PLA，针对WrPLA的研究较少，但近年来逐渐增多，需要系统梳理以提升其质量。
2.1. 机械性能
2.1.1. 拉伸性能
木纤维与PLA之间极性差异导致界面相容性差，使复合材料拉伸性能下降。打印层数、层厚、喷头温度、填充密度、样品宽度、填充图案等参数均对拉伸性能有显著影响。例如，较小层厚可减少孔隙率从而改善性能，高温（>200℃）会使强度降低10%。打印方向沿纵向时试样更刚硬。优化算法可用来确定多参数组合以实现最佳拉伸强度。
2.1.2. 压缩性能
研究较少，但发现提高打印温度（从200℃至230℃）可使压缩强度提高15%。填充几何形状（如圆形、方形、Voronoi）对压缩性能有影响，方形刚性最佳。沉积线宽增加会导致孔隙率增大，从而降低压缩性能。
2.1.3. 弯曲性能
与拉伸性能类似，填料含量增加会急剧降低弯曲强度，但刚度行为不同。层数比填充密度和层厚影响更大，且对复合材料的影响比纯PLA更显著。环境湿度增加会降低弯曲刚度。采用90°光栅角时弯曲性能最优。
2.1.4. 冲击性能
添加木纤维通常降低冲击韧性，因为填料引入缺陷和应力集中区。增加层数对WrPLA冲击性能无显著影响，而提高填充密度（23%至55%）有积极作用。增韧剂的影响也有研究，但总体上WrPLA冲击性能低于纯PLA。
2.2. 其他性能
填料量、湿度、温度和打印速度对疲劳、表面粗糙度和润湿性有重要影响。木纤维吸湿性强，会导致塑化和界面强度下降，因此原料干燥和储存至关重要。制造缺陷会降低断裂载荷和刚度。层厚增加会提高表面粗糙度和润湿性。疲劳方面，木纤维可提高循环弯曲载荷下的抗疲劳失效能力；层高、填充水平和喷嘴直径是影响疲劳寿命的关键参数。人工智能（ANN、FL、监督学习）和统计方法（ANOVA、Taguchi）被用于优化和预测WrPLA的机械性能。
2.3. WrPLA的优势
与纯PLA和石墨烯增强PLA（GrPLA）相比，WrPLA具有天然木纹美感，可吸收木器染色剂和油，且使用木粉等可再生物质替代部分聚合物，更环保。其填料无毒无害，因此有很强的工业化和研究价值。需要进一步在大分子表征层面改善其性能。
3. FFF技术制造WrPLA
WrPLA的生产过程包括木纤维与PLA颗粒混合、挤出成丝、3D打印及回收再加工。FFF制造的部件因层间结合较弱而力学性能呈各向异性，添加木纤维可改善部分性能。目前针对WrPLA的FFF研究有限，且多集中于非商业丝材，加工参数、配方和几何特征的影响仍需深入探索。
4. FFF技术制造WrPLA时的挑战与问题
打印WrPLA时可能出现多种问题，分为确定性问题和不确定性问题。
4.1. 问题分类
确定性问题可识别原因，从而能针对性地解决或预防；不确定性问题原因未知，难以保证解决，需要从丝材成形阶段就降低其发生概率。
4.1.1. 确定性问题
包括粘附失效、打印速度不当、填充密度和层厚选择不当、挤出不足或过度等。这些问题可通过用户经验、高级切片算法、确定性优化策略以及人工智能驱动框架来解决。
4.1.2. 不确定性问题
例如两次成功打印之间发生失效、打印过程中突然出现大结块堵塞喷嘴等。图例显示，结块在底层形成后，后续层覆盖会导致最终产品缺陷。瞬时挤出中断也会造成新的缺陷，影响产品质量并可能导致客户拒收。
4.2. 说明性实例
4.2.1. 缺陷案例
打印过程中出现瞬时挤出停止，后续层覆盖后形成孔隙，使产品局部脆弱，如一个糖果盒最终产品中出现材料分布不均，质量下降，可能需要额外修复成本。这类缺陷可归为确定性问题，可通过改进切片算法或调整参数和设计来解决。
4.2.2. 故障案例
故障可能源于工艺参数，可通过校准或更换零件避免；也可能与湿度等材料性能变化有关，较难克服。示例中，第一层打印出现欠挤出、扰动和过挤出区域，导致筏体分离困难。两个杯垫产品中，一个健康，一个故障；故障产品因打印过程中底板与构建平台部分分离而厚度不均，需要小心分离残余筏体。另一个装饰桌案例中，长期未使用的WrPLA丝材因吸湿导致材料性能变化和直径增加，即使改变筏边距也无法顺利分离，最终得到故障产品。水分吸收是木/PLA复合材料的关键挑战，影响尺寸稳定性和强度。
4.2.3. 失效案例
失效机制包括：喷嘴完全堵塞但打印机继续运行，导致产品报废；喷嘴先部分堵塞后完全堵塞，产生连续小结块；以及部分堵塞导致材料流动受限，使层沉积不规则，并可能损坏打印机滑动导轨。这些失效均与喂料轮噪声扰动相关，是真正的不确定性情况，需要多向切片策略和改进监控来应对。
4.2.4. 损伤案例
损伤后果最为严重。喂料轮周围会积累木粉，降低喂养精度。还可能发生管接头分离、前门打开、丝材缠绕滑杆等复合损伤，造成停机维护。这些损伤必须在设计阶段和维护策略中加以考虑。
5. 讨论与建议
文献中关于WrPLA的FFF制造研究数量有限，且未覆盖全部机械性能，参数标准化不足。本综述提出了新的问题分类框架，将问题分为确定性和不确定性两类，并针对两类问题分别提出内外两层解决方案。内部方案涉及G代码生成阶段优化速度和温度等参数；外部方案包括清洁、润滑、校准和更换等维护活动。此外，提出了“机器适配”概念，例如自行设计改进管接头以方便喷嘴清洁和打印更多种丝材。对于不确定性问题，需要引入可靠性概念，结合定量研究和先进监控系统来减少缺陷，从而提高机械性能。大分子层面的研究有助于制备均匀的WrPLA丝材并增强层间连接。孔隙率对机械性能影响显著，需数值和实验研究。优化和可靠性方法可在成本和安全之间取得折中。
6. 结论与展望
由于FFF打印机制造商无法保证WrPLA打印的成功率，不确定性是工业化的主要障碍，维护活动是当前必要手段。本综述通过工业实例与文献的相互验证，展示了缺陷和故障如何受不确定性影响，并建议开发可靠性策略并将其整合到维护和切片软件中。大分子表征研究有助于减少劣化、提高丝材质量和层间结合。未来可结合人工智能进行打印过程模拟和监控。这些工作将为制定IS4AM奠定基础，并推动WrPLA在4D打印等新领域的应用。
