通过打印策略增强多材料熔融沉积成形中的异质层间界面

《Journal of Manufacturing Processes》：Reinforcement of heterogeneous interlayer interfaces via printing strategies in multi-material fused filament fabrication

　　摘要
弱异质夹层限制了多材料熔融沉积成型（FFF）的机械可靠性，尤其是当功能或几何要求迫使材料在构建方向发生过渡时。本研究提出了三种打印策略，在不使用增容剂、额外材料或后处理的情况下增强此类界面。所提出的策略生成三种类型的界面结构：增加界面接触面积的波浪形界面几何形状、重新分配相同和不同材料接触的交替材料沉积，以及结合两种机制的混合结构。这些策略使用PLA–TPU和PLA–PETG多材料试样在不同的沉积条件下进行了评估。拉伸试验和断口表面观察表明，增强效果取决于材料组合、沉积顺序和界面结构。对于刚性–柔性PLA–TPU体系，混合策略在有利的沉积顺序下实现了1.13 kN的平均最大拉伸载荷，而对于刚性–韧性PLA–PETG体系，交替材料沉积策略达到了1.97 kN。这些结果表明，优选的增强策略取决于材料，而增加界面复杂性并不一定能带来更好的机械性能。柔性夹爪演示进一步说明了增强夹层设计的实际益处。这些结果为增强多材料FFF中的异质夹层提供了一条工艺层面的途径，并为不同材料组合下选择打印策略提供了指导。引言
多材料增材制造（MMAM）因能够在单一制造结构中集成具有不同性能的材料而受到越来越多的关注。通过结合刚性–柔性材料对、导电复合材料、热增强材料或生物相容性配方，MMAM为软体机器人、可穿戴设备、生物医学植入物和其他定制应用制造多功能组件提供了新的机会[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在各种MMAM技术中，熔融沉积成型（FFF）因其低成本、工艺简单和广泛的材料兼容性，已成为多材料生产中最易获得和广泛使用的方法之一[6]、[7]、[8]、[9]。
除了多材料能力外，大量研究还调查了工艺参数、热历史和材料行为对FFF打印组件质量和机械性能的影响。建模研究揭示了加工条件与打印部件所得机械性能之间的关系，而热分析进一步提高了对FFF制造过程中温度演化和粘接行为的理解，见文献[10]、[11]。此外，还探索了过程监控和优化方法，以提高打印可靠性和制造一致性[12]。这些研究建立了对制造条件与打印部件性能之间关系的基本理解，为进一步改进基于FFF的制造策略提供了重要指导[13]。
尽管有这些优势，多材料FFF仍面临一个关键挑战：异质材料界面处的弱粘接。在单材料打印中，相容的聚合物链可以扩散到相邻的沉积道和层之间，促进界面融合。在异质界面处，链迁移率、极性、粘度和加工温度的差异会限制润湿和相互扩散，导致界面成为打印结构中最薄弱的区域[5]、[14]。图1中的示意图总结了相容材料内部可获得的更强连续性与不同材料边界上更有限的相互作用之间的区别。
多材料FFF中异质界面的方向与模型的构建方向密切相关。通常，这些界面可分为层内界面构型和层间界面构型（见图1）。层内界面是在同一打印层内不同材料并排沉积时形成的，通常在X–Y平面内，而层间界面是在沿构建方向相邻的不同材料层之间形成的。由于材料放置和界面几何形状可以在单层内直接控制，层内界面相对更容易优化。现有研究通过重叠刀具路径或设计互锁几何形状来增强此类界面，以增加抗界面分离的能力[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。
然而，仅通过改变构建方向并不能总是避免层间界面。对于许多多材料结构，构建方向受到功能要求、几何复杂性、支撑条件、表面质量和机械性能的约束[20]、[21]、[22]。软体机器人组件[23]和生物医学设备[24]等应用可能需要材料在构建方向上发生过渡。与层内界面（其面内几何形状可以被有意设计）不同，层间界面受FFF逐层沉积过程的限制。因此，其粘接取决于连续沉积的不同材料之间实现的接触和融合，使得层间优化特别具有挑战性。
现有的多材料FFF层间界面增强研究主要集中在通过材料改性、后处理或打印参数优化来提高粘附力。从材料角度来看，化学添加剂和增容剂已被广泛用于改善不同聚合物之间的界面相容性。例如，合成了聚乳酸接枝热塑性聚氨酯（PLA-g-TPU）共聚物作为增容剂[25]，并引入了基于马来酸酐（MA）的增容剂和内部润滑剂，以增强多材料打印部件的机械和热性能[26]。除了材料改性外，还探索了热退火等后处理方法，其中双材料打印组件在高温下处理，以促进界面处的分子扩散并提高界面强度[27]、[28]。热处理也可以与化学方法结合，例如在多材料界面处引入辐射敏化剂，然后在接近玻璃化转变温度下进行伽马辐射，以诱导层间交联[29]。此外，还调整了打印参数，包括填充密度、层厚和打印速度，以适度改善层间粘附[30]、[31]、[32]。
尽管这些方法可以改善层间粘接，但它们通常需要额外的材料、额外的加工步骤或精心控制的热处理，这些可能会引入变形或残余应力。这些限制促使人们通过打印工艺和刀具路径设计进一步探索异质夹层增强。先前的研究表明，FFF中的层间粘接受工艺相关因素的强烈影响，包括界面接触条件、粘接界面演化、空隙形成和局部界面形态[33]、[34]。此外，在多材料FFF中，界面几何形状和基于刀具路径的材料排列已被有意修改，以改善界面载荷传递和粘接性能[4]、[35]。这些研究表明，打印工艺修改可以成为界面增强的有效途径，并为本工作提供了动力，其中界面几何形状和材料分布被用作两个可控制的刀具路径级维度来增强异质层间界面。因此，实用的增强策略应改善这些界面特性，同时保持与标准多材料FFF工作流程的兼容性，而无需额外材料或后处理。
在这项工作中，我们通过修改打印刀具路径本身来增强沿构建方向在不同层之间形成的异质界面。本工作的主要贡献是通过引入两个面向制造的控制维度：界面几何形状和材料分布，建立基于刀具路径的异质层间界面增强框架，而无需额外材料或后处理。受Xu等人[36]的启发，策略I引入波浪形刀具路径以增加名义界面接触长度和几何啮合。策略II在每层内交替使用材料，使相邻层包含分布的相同材料和不同材料接触。先前关于多材料FFF的研究表明，界面几何形状和梯度材料过渡模式可以显著影响界面载荷传递和机械性能[37]、[38]。这些发现为策略II中将名义上连续的异质界面重新分布为空间分离的相同材料和不同材料接触区域提供了动力。策略III结合了这两种调制。由于修改是在常规切片后对有效路径段进行的，因此不需要手动建模界面。通过拉伸试验、断口表面观察和过渡层打印时间，在两种沉积顺序和多种调制尺度下，对聚乳酸–热塑性聚氨酯（PLA–TPU）和聚乳酸–改性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PLA–PETG）的三种结构进行了评估。在本研究中，调制尺度是指沿沉积路径施加的刀具路径修改的特征重复尺度。具体而言，它表示策略I中波浪形界面的几何重复尺度、策略II中的材料交替尺度，以及策略III中耦合的几何和材料重复尺度。
这种比较设计首先测试基于刀具路径的界面修改是否提供有效的过程中增强，然后检查材料对和沉积顺序如何影响观察到的策略性能。
本文的其余部分组织如下。第2节介绍了提出的层间增强策略和相应的界面结构。第3节描述了材料、试样制造、打印实现、机械测试和断裂表征。第4节介绍了PLA–TPU和PLA–PETG体系的实验结果，重点强调了沉积顺序、界面结构、调制尺度和失效行为的影响。第5节使用PLA–TPU柔性机器人夹爪说明了所提出策略的实际适用性。最后，第6节总结了主要发现、局限性和未来方向。章节片段
层间打印策略
在这项工作中，我们考虑多材料FFF中沿构建方向在相邻层之间形成的层间异质界面。本节介绍了所提出的层间打印策略的基本原理和设计目标，而详细的刀具路径生成算法和伪代码在附录中提供。在常规多材料FFF中，相邻的不同材料层通常使用平面刀具路径沉积，导致平坦的实验设置
实验旨在评估材料组合、沉积顺序、界面策略和调制尺度如何影响多材料FFF中的异质层间粘接。在相同的试样几何形状和制造条件下，研究了两种具有对比机械响应的材料体系。使用单轴拉伸试验量化层间承载能力，同时使用断口表面观察来解释相应的失效结果与讨论
实验解决了三个问题：沉积顺序如何改变异质层间粘接，三种界面结构如何响应其调制尺度，以及是否可以选择一种与材料对无关的结构。首先考虑定量拉伸结果，然后以断口表面观察作为定性佐证。最后一个小节比较两种材料体系，得出有界策略选择规则。应用演示
为了检验在拉伸试样中观察到的增强是否可以转移到功能几何形状上，制造了一个刚性–柔性机器人夹爪，其具有PLA支撑段和TPU柔性段。在该组件中，异质层间界面由刚性区域和柔性区域之间的功能划分所要求，并且在操作过程中承受大变形。因此，该夹爪为评估层间界面提供了相关的概念验证案例。结论
本研究从制造刀具路径设计的角度研究了多材料熔融沉积成型（FFF）中的层间异质界面增强。提出了三种打印策略，包括波浪形层间刀具路径、交替材料沉积策略和组合策略。对PLA–TPU和PLA–PETG试样的实验表明，所提出的策略可以在不需要额外材料或后处理的情况下改善层间粘接。CRediT作者贡献声明
Wenpeng Xu：写作——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。Jiahe Hu：写作——原稿，可视化，验证，软件，正式分析，数据管理。J. Jiang：写作——审阅与编辑，监督，项目管理，方法学，正式分析，概念化。Mengyu Zhang：验证，正式分析，数据管理。Hao Xu：写作——审阅与编辑，可视化，验证，软件。利益冲突声明
作者声明，他们不知道可能影响本论文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。致谢
本工作得到了河南省自然科学基金（项目编号：252300421511）、河南省高校基础研究基金（项目编号：NSFRF240817）、中国教育部基础与交叉学科突破计划（项目编号：JYB2025XDXM210）以及浙江省重点研发计划（项目编号：2024C01096）的支持。
Wenpeng Xu|Jiahe Hu|J. Jiang|Mengyu Zhang|Hao Xu|Hongyao Shen