打印路径与连续不锈钢丝增强对3D打印ABS压缩、扭转和冲击性能的影响

《Polymer Testing》：Influence of Printing Path and Continuous Metal Wire Reinforcement on the Compressive, Torsional, and Impact Performance of 3D-Printed ABS

　　

连续不锈钢丝（直径0.20 mm）通过熔融沉积成型（FDM）成功嵌入丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）中。在Cut构型中，金属丝增强使压缩强度提高85.5%，压缩模量提高330.8%。在金属丝增强圆柱试样中，最大名义剪切应力约提高389.5%。同心和定向直线路径模式的Charpy型冲击强度分别提高254.2%和268.4%。打印路径架构影响金属丝体积分数和力学性能，增强并不总是改善力学性能。

研究背景与目的：增材制造（AM，Additive Manufacturing，逐层制造）因设计灵活、材料浪费少和可制造复杂几何而受到关注；其中熔融沉积成型（FDM，Fused Deposition Modeling，一种材料挤出增材制造技术）成本较低、操作简便，但其打印聚合物常受层间结合、孔隙和各向异性限制。连续纤维增强聚合物复合材料（FRPCs，Fiber-Reinforced Polymer Composites）及连续金属丝增强因而被研究。已有连续金属丝增强研究多集中于单项力学性能或电热、形状记忆、自传感、热管理等多功能应用，对压缩、扭转和冲击响应的联合考察有限；打印路径几何、金属丝取向与连续性、试样架构和加载方向的作用尚需明确，尤其0.20 mm较大直径金属丝的弯曲刚度可能影响曲线路径沉积。为此，研究人员以0.20 mm连续不锈钢丝增强FDM打印ABS，重点考察打印路径几何、增强架构和加载取向对增强有效性的影响，并通过增强与未增强对照、失效观察和扫描电子显微镜（SEM，Scanning Electron Microscopy）识别性能改善与降低。其意义在于为FDM聚合物复合材料的打印路径和增强架构选择提供实验依据。

方法上，研究人员先以1.75 mm的PLA、ABS、PETg和PA丝材打印未增强与钢丝增强拉伸试样，按ASTM D3039尺寸50%在可比参数下拉伸筛选基体；选用ABS后，用改装Datis FDM打印头原位嵌入0.20 mm不锈钢丝，依靠熔融ABS粘性拖曳送丝，关闭冷却风扇并将增强件速度降至180 mm/min。压缩试样12×12×24 mm，参考ASTM D695，设C-H、Ar、C-V和Cut四种路径及未增强/增强对照，50 kN万能试验机、2 mm/min。扭转设TF狗骨和T圆柱（直径6 mm、总长110 mm、标距60 mm、L/D≈10，参考ASTM E143），0.5 rpm。冲击参考ISO 179-1，设同心C和定向直线Ar的CN、CW、ArN、ArW，Charpy型摆锤，n=3。金属丝体积分数（V_f）由实测嵌入丝长、丝径和试样体积计算，G-code辅助；SEM观察。

3.1 拉伸性能：通过四种基体未增强/增强拉伸筛选，PETg绝对拉伸强度最高109.79 MPa，ABS为100.57 MPa；ABS增强/未增强强度比最高253.2%，最大强度应变由2.87%升至8.37%，故选用ABS。

3.2 压缩性能：通过四种路径压缩，W-Cut强度85.27 MPa、模量1.12 GPa，较N-Cut的45.98 MPa、0.26 GPa提高85.5%和330.8%，最大强度应变由7.52%降至6.35%；W-C-V强度48.20 MPa、模量0.30 GPa，较N-C-V的49.95 MPa、0.80 GPa模量降62.5%，应变由12.60%升至35.90%；W-Ar强度48.60 MPa略低于N-Ar的49.50 MPa，模量由0.40升至0.60 GPa，应变9.99%；W-C-H强度50.58 MPa高于N-C-H的48.65 MPa，模量约0.40 GPa不变，应变11.30%。V_f为7.62–8.73 vol.%，归一化显示Cut和Ar同V_f 8.73 vol.%但强度变化+4.50±0.6与?0.10±0.38 MPa/vol.%，模量+0.099±0.007与+0.023±0.004 GPa/vol.%；C-V模量?0.061±0.005 GPa/vol.%、应变+2.82±0.25百分点/vol.%；增强/未增强比显示Cut强度1.85、模量4.31，C-V模量0.38、应变2.85。SEM显示W-Cut丝分布较均匀、无明显聚集，局部界面间隙和孔隙；W-C-V丝主要横向，局部丝-基体分离可能受切割扰动，不能据此判定界面粘接强弱。结论：增强效果强烈依赖打印路径和取向，并不必然提高压缩强度或刚度。

3.3 扭转性能：通过TF和T试样扭转，TF-W最大剪切应力15.08 MPa低于TF-N的24.04 MPa，X射线显示丝主要沿纵向直线而非同心，V_f<1%，与小曲率半径和0.20 mm丝抗弯有关；T圆柱TN最大剪切应力13.20 MPa、剪切模量0.194 GPa、最大强度应变54.57%，TW为64.61 MPa、0.160 GPa、112.14%，分别提高389.5%和105.5%，剪切模量降17.5%；TW断口呈螺旋分层、层裂和绳状，丝暴露、基体白化，TN断口较平。结论：圆柱构型实现连续增强并提高扭转强度与应变，狗骨构型因增强布置不利而降低。

3.4 冲击性能：通过Charpy型摆锤冲击，同心C由约48增至170 kJ/m²，定向直线Ar由38增至140 kJ/m²，分别提高254.2%和268.4%，增强/未增强比约354%和368%；V_f为7.8和8.9 vol.%，归一化增益15.6±1.2与11.5±0.9 kJ/m²/vol.%，比率3.54±0.26与3.68±0.27。断口显示CN/ArN以层间分层为主，CW/ArW丝暴露弯曲、层开和基体变形，ArW丝段更长、刷状更密；原文提示可能涉及丝桥接、界面滑移和基体塑性变形，但图像不能确定拉出/脱粘贡献。结论：连续丝显著提高冲击强度，路径和丝含量共同影响。

3.5 与已发表连续增强FDM复合材料比较：通过跨研究比较，W-Cut压缩峰应力和表观模量提升高于尼龙/CF、Onyx/CF、Onyx/GF报道的模量提升65.6%、54.6%、37.2%；W-C-V模量降62.5%与PETg/Kevlar降39.6%类似；TW剪切应力+389.5%高于Onyx/CF在28.86 vol.%下+87.0%；TF下降说明增强布置相对扭转载荷重要；冲击提升254.2%/268.4%落在文献89.5–1233.4%范围内，但因基体、架构、尺寸和测试差异不能直接比较。结论：连续钢丝是架构依赖的增强策略，并非普遍优于连续碳/玻/芳纶；不锈钢密度高可能增重，丝抗弯限制高曲率路径，不利布置会降低性能。

讨论部分总结：原文讨论表明，连续不锈钢丝增强对压缩、扭转和冲击性能的影响取决于打印路径几何、金属丝取向、试样架构和加载方向；V_f相近不能解释性能差异，按V_f归一化仅提供描述性比较，不能视为恒定增强效率或用于预测提高V_f的效果；SEM图像不能单独建立界面粘接强度或确定缺陷来源，需采用更少损伤的制样方法区分打印缺陷与切割伪影。

研究结论部分翻译：本研究考察了连续不锈钢丝增强（直径0.20 mm）和打印路径构型对FDM打印ABS压缩、扭转和冲击行为的影响，主要发现如下：W-Cut构型压缩强度提高85.5%，表观弹性模量提高330.8%；W-C-V构型表观模量降低62.5%，表明丝增强对压缩性能的影响强烈依赖打印路径构型。金属丝增强圆柱试样TW最大名义剪切应力提高389.5%，最大强度应变提高105.5%，剪切模量降低17.5%；相反，金属丝嵌入降低狗骨试样TF的最大剪切应力，突出增强布置和试样几何的重要性。连续丝增强使Charpy型冲击强度约提高3.5–3.7倍，增强同心构型绝对冲击强度最高（170 kJ/m²）；冲击后观察显示增强试样变形更大、层开更多、丝暴露或弯曲，提示额外耗能机制。SEM显示连续不锈钢丝排列良好并嵌入ABS基体，证实其成功 incorporation，并说明所提出打印方法实现的增强布置。相同打印参数下不同打印路径架构产生不同V_f和力学响应；连续丝并不必然改善所有力学性能，强调需针对预期加载条件选择合适增强架构。总体而言，连续不锈钢丝增强结合适当打印路径设计是改善FDM打印ABS选定力学性能的有前景策略；进一步研究打印路径几何、丝取向和增强体积分数，有助于开发适用于不同加载应用的有效增强架构。