《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Direction-adaptive LED preheating with closed-loop temperature control for large-format additive manufacturing of thermoplastic composites
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基于材料挤出的大幅面增材制造（LFAM）中，热塑性复合材料颗粒在螺杆挤出机中熔融并经喷嘴沉积，可实现较高的沉积速率以高效制造大型部件。然而，材料挤出成形固有的逐层特性常导致显著的力学各向异性，尤其是面外（z方向）强度往往明显低于面内强度，从而严重限制承载构件的
基于材料挤出的大幅面增材制造（LFAM）中，热塑性复合材料颗粒在螺杆挤出机中熔融并经喷嘴沉积，可实现较高的沉积速率以高效制造大型部件。然而，材料挤出成形固有的逐层特性常导致显著的力学各向异性，尤其是面外（z方向）强度往往明显低于面内强度，从而严重限制承载构件的结构性能。层间结合不足或不一致还可能引起局部弱区、打印缺陷甚至成形失败，对于纤维增强工程热塑性塑料和高性能热塑性塑料而言，失败成形或层间分层会造成材料与制造时间的显著浪费。因此，确保整个制造部件内可靠且空间一致的层间结合至关重要。沉积界面的局部热历史，特别是新材料沉积时已沉积层的温度，强烈影响最终的结合质量与空间一致性。为此，研究人员开发了方向自适应闭环预热方法，采用可见光LED模块在 multidirectional 材料挤出LFAM过程中维持设定的局部热条件。主动加热区与局部温度测量区域均随瞬时沉积方向自适应调整，加热功率基于实测局部温度进行调节。实验评估表征了材料与工艺相关的LED加热响应，考察了沉积方向变化下的温度调节性能，并研究了选定工艺条件下所得的力学与横截面响应。
**研究背景与问题**
基于材料挤出的大幅面增材制造（LFAM）因设备与材料成本相对较低，正日益用于制造大型模具、备件和功能构件，并呈现向航空航天、汽车和船舶领域高性能材料应用拓展的趋势。然而，该工艺固有的逐层特性常导致显著的力学各向异性，面外（z方向）强度往往明显低于面内强度，限制了承载构件的结构性能。层间结合不足或不一致还可能引发局部弱区、打印缺陷甚至成形失败，对纤维增强工程热塑性塑料和高性能热塑性塑料而言，失败成形或层间分层会造成材料与制造时间的显著浪费。沉积界面的局部热历史，尤其是新材料沉积时已沉积层的温度，强烈影响结合质量与空间一致性。已有多种非接触加热方法被研究用于调控已沉积材料的温度，包括红外（IR）加热、热风加热和激光加热。已有研究采用IR发射器将表面温度从玻璃化转变温度以下提升至接近或以上并改善层间性能；也有研究采用双发射器IR配置在恒定功率下运行；还有研究使用高温计进行原位基板温度监测并手动调节IR灯功率；热风预热系统也被开发用于多轴过打印。激光局部预热因能提供高度局部化能量输入而受到探索，其中方向自适应光源选择此前仅在环形激光系统中得到验证，该系统采用周向布置的激光二极管，通过光源切换根据沉积方向重新定位加热区域，无需机械旋转挤出头。然而，该系统以预设激光功率运行，未实现基于反馈的温度调节。将方向自适应热量传递与局部温度反馈相结合以维持多方向和几何变化刀具路径上沉积界面一致且设定热条件的完整方法仍然缺乏。为填补这一空白，本研究开发并实验评估了一种采用可见光LED模块的方向自适应闭环预热方法，以在 multidirectional 材料挤出LFAM过程中维持设定的局部热条件。
**研究方法与技术手段**
研究人员开发了方向自适应LED预热与闭环温度控制方法，使LED加热区域和温度测量区域均随瞬时沉积方向保持对准。采用多个LED模块，每个模块配焦距75 mm的光学元件将可见光导向打印表面，发射光波长约430–700 nm。打印时同时激活三个相邻LED模块构成主动LED区，加热区域置于喷嘴前方。根据机器控制器报告的刀具中心点（TCP）运动方向，将方向矢量变换至LED末端执行器局部坐标系得到局部方向，选择标称方向最接近的三个相邻模块激活并以相同功率指令运行；同时将TCP运动方向变换至测量区域局部坐标系，选取两个方向自适应测量区域：靠近喷嘴的LED加热区感兴趣区域（ROI_LED）覆盖局部预热表面，较远的基板温度ROI（ROI_sub）测量局部LED辐照前的已沉积焊道。ROI内像素温度降序排列，取预设数量最热像素均值作为表观表面温度。温度调节采用离散增量比例-积分-微分（PID）控制，施加幅值与速率约束及积分钳位以减小饱和风up。开环模式（OL mode）下TLED仅监测，对主动LED区施加预设恒定功率指令；闭环模式（CL mode）下TLED作为反馈变量调节LED功率；独立基板温度控制（STC）以Tsub为反馈调节TCP速度。采用两个原型配置：控制与热响应原型（10个LED模块，标称入射角30°和40°，主动区输入0–1450 W）用于固定点和移动辐照测试及直/曲刀具路径OL与CL模式比较；试样打印原型（16个LED模块，入射角34°和58°，主动区输入0–580 W）用于制造PA6-CF40力学试样及PA6-CF40和PP-GF30显微试样。研究材料为聚丙烯增强30 wt%玻璃纤维（PP-GF30，Scolefin? 53 G-10，Ravago Manufacturing，比利时）和聚酰胺6增强40 wt%碳纤维（PA6-CF40，AKROMID? B3 ICF 40 schwarz (5020)，AKRO-PLASTIC GmbH，德国）。PA6-CF40颗粒在80 °C料斗干燥机中干燥约12 h。PA6-CF40试样制造的名义工艺温度条件为C1（Tsub,set=150 °C，无STC，LED关闭）、C2（180 °C，无STC，LED关闭）、C3（150 °C，180 °C，STC，CL模式）、C4（180 °C，220 °C，STC，CL模式）、C5（180 °C，260 °C，STC，CL模式）；固定打印参数为层高3 mm、喷嘴直径9 mm、编程路径宽度10 mm，挤出机各区和喷嘴温度设定PA6-CF40为280–290 °C、PP-GF30为220–250 °C。材料输送通过体积齿轮泵系统与TCP运动同步，名义体积沉积速率按V?_nom=vwh估算（v为记录TCP速度，w=10 mm为编程路径宽度，h=3 mm为名义层高）。热响应与温控实验包括：固定点测试在OL模式下以10%、20%、30%、40%名义LED功率辐照平坦PP-GF30或PA6-CF40试样，PP-GF30辐照约5 s、PA6-CF40约10 s，每个材料-功率条件在三个表面位置记录TLED及关灯后冷却期；移动辐照测试在OL模式下使主动LED区沿直线路径以10%–40%名义功率和10–100 mm/s行进速度遍历机加工平坦表面，每次测量前冷却基板使平均初始表面温度约33 °C，每条件测三个表面位置。OL与CL模式比较采用含直线和曲线刀具路径段的PP-GF30构件，CL运行LED温度控制器增益Kp=0.15、Ki=0.025、Kd=0.08，通过风扇冷却构件一侧引入局部热扰动，比较包括无预热基线、20%和30%恒定功率OL模式及TLED,set为200、220、240 °C的CL模式。温度一致性用标准差（SD）和变异系数（CV）评价，设定点跟踪用均方根误差（RMSE）和归一化RMSE（NRMSE=100×RMSE/Tset）量化。PA6-CF40力学测试结构连续打印为单一闭合壁，含两个直线段和两个半圆段，打印后按图示截面切割产生两个直壁段和两个曲端段，直壁段面铣后加工x方向（刀具路径方向及主纤维取向）和z方向（构建方向）拉伸与弯曲试样。拉伸测试按ISO 527-2采用1B型试样、横梁速度1 mm/min，轴向应变用非接触光学引伸计在20 mm标距上测量，工程应力按试样比横截面积计算，拉伸模量由0.05%–0.25%工程应变区间最小二乘线性回归确定，z方向拉伸试样标距段跨越多个沉积层界面；三点弯曲测试按ISO 178、横梁速度2 mm/min、支撑跨距64 mm，弯曲模量由0.05%–0.25%弯曲应变弦斜率确定。每工艺条件制造一个打印结构，该条件所有试样均取自相应结构，报告试样级变异性代表同一构建内试样间变异，多数测试组含6个试样，C4和C5的x方向弯曲测试加工后可用5个试样，C1一个z方向弯曲试样因预存裂纹测试前排除。光学显微分析用5×标称放大倍率检查PA6-CF40（C1无LED预热与C4有LED预热比较）和PP-GF30（单独显微打印系列，6 mm喷嘴、层高3 mm，无LED预热条件Tsub,set=100 °C、实测均值100.0 °C，LED预热条件Tsub,set=115 °C、TLED,set=200 °C、实测均值分别为115.0 °C和198.7 °C）选定工艺条件试样的横截面形貌。PA6-CF40每张分析显微图评估8个界面ROI，各ROI以焊道间谷为中心、固定宽度1000 μm、长度对应局部谷间距离90%以排除外自由表面，灰度值≤60像素经最小等效直径10 μm阈值分割，因光学显微空间分辨率和对比度不足以可靠区分孔隙与纤维拔出、抛光坑及局部界面间隙，分割面积报告为界面暗特征面积分数而非孔隙率，8个ROI作为空间子样本而非独立测量。PP-GF30分析横截面几何，厚度轮廓分析区域从首个至最后检测到的相对焊道间谷对延伸、排除外边缘，垂直厚度在上、下边界间以0.1 mm均匀间隔采样计算均值、SD和CV，相对谷间距离测量上、下横截面边界配对谷点间距离。
**研究结果**
4.1 固定点辐照下局部LED加热动力学：PP-GF30平均峰值TLED从10%功率的92.7±1.8 °C增至40%功率的319.5±6.3 °C；PA6-CF40在相同功率范围从73.5±1.3 °C增至201.4±4.0 °C。TLED峰值处三个测量位置间空间变异有限，PP-GF30和PA6-CF40的CV分别为1.1%–2.0%和1.2%–2.2%；冷却期位置差异更明显，60 s时CV分别为0.6%–3.6%和9.5%–15.5%。固定点加热因此产生材料内明显的功率依赖温度响应。
4.2 PP-GF30和PA6-CF40移动LED预热的速-功率操作窗口：TLED随LED功率增加而升高、随行进速度增加而降低，低速时速度依赖性最强。相同设置下PP-GF30始终达到更高TLED。40%功率下速度从10增至100 mm/s使PP-GF30的TLED从196.8±0.8降至70.5±1.8 °C、PA6-CF40从106.6±3.3降至57.0±1.1 °C。该差异与固定点辐照结果一致，两材料体系在基体、纤维类型、纤维含量和表面微结构上不同，且光谱吸收率、热输运性能和IR相关发射率未独立表征，各因素单独贡献无法从现有测量中解析。平坦表面测试中PA6-CF40测得最大表观表面温度低于数据表熔点220 °C；打印时基板通常保留前次沉积余热，相同LED功率可产生比接近环境温度起始的平坦表面测试更高的表面温度，且PP-GF30和PA6-CF40加热响应差异显著、需材料特定目标预热温度，凸显打印过程中闭环温度控制对维持所需局部热条件的重要性。
4.3 直/曲刀具路径开环与闭环LED预热模式比较：30%恒定LED功率OL模式与TLED,set=220 °C CL模式比较，选30%功率因其在所研究恒功率条件中产生的平均TLED最接近220 °C。OL模式平均TLED为213.1 °C、SD为16.9 °C；CL模式平均TLED达220.4 °C、SD降至4.7 °C。其他条件呈相同趋势：OL模式20%–30%恒功率下SD为16.0–16.9 °C、CV为7.9–8.5%；CL模式TLED,set为200、220、240 °C时平均TLED分别为200.46、220.44、240.45 °C，SD降至4.1–6.6 °C、CV和NRMSE为1.7%–3.3%。相对OL模式，CL模式沿直线刀具路径将CV从7.9%–10.7%降至1.2%–1.9%、沿曲线路径降至2.0%–4.3%，同时平均TLED偏离设定点不超过0.71 °C，表明CL模式在TCP运动方向变化时沿直/曲路径维持准确设定点跟踪和低温度变异性。
4.4 PA6-CF40工艺温度与力学测试结果：4.4.1 实测工艺温度和TCP速度——C3和C4中平均TLED紧密跟踪设定点，绝对平均偏差不超过0.1 °C、NRMSE均低于1%；C5中原型配置加热能力不足以达到TLED,set=260 °C，平均TLED为248.7 °C、偏差?11.3 °C、NRMSE为5.91%，故C5解释为用于表征试样打印配置上限的高设定点功率受限条件而非完全实现的260 °C预热条件。实测平均Tsub也接近名义设定点，150和180 °C基板温度水平清晰分离，同设定点组内实测均值相近（C1与C3差1.3 °C、C2与C4差0.8 °C），减小了同温度水平内有/无LED预热比较时基板温度差异影响；但环境温度和湿度潜在变化未纳入分析，可能影响PA6-CF40结果重现性。基板温度通过闭环控制器调节TCP速度维持在设定点附近，平均TCP速度为12.89–17.73 mm/s、SD为0.44–0.56 mm/s，对应平均名义体积沉积速率23.20–31.92 cm3/min；较高基板温度设定点导致较高平均速度；相同基板温度设定点下LED预热导致比无LED预热更低平均速度（150 °C时12.89对13.93 mm/s、180 °C时16.41对17.73 mm/s），名义体积沉积速率分别从25.07降至23.20 cm3/min和从31.92降至29.53 cm3/min，LED预热下较低平均速度提示部件内更大热量积累，可能促使基板温度控制器施加降低的TCP速度以维持设定温度。4.4.2 x和z方向拉伸结果——拉伸响应呈显著取向依赖性，x方向试样极限拉伸强度组均值141.3–156.2 MPa，z方向29.2–34.8 MPa，证实拉伸行为仍强各向异性且z方向响应主要受层间结合支配；拉伸模量在各方向内变化较小，x方向20.8–22.1 GPa、z方向3.6–4.3 GPa，表明所研究条件间差异在失效相关量上比初始弹性刚度更显著。Tsub,set=150 °C时平均z方向极限拉伸强度从C1的29.2±3.7 MPa增至C3的34.8±0.7 MPa，最大拉伸应力处应变从0.91±0.17%增至1.15±0.04%；180 °C基板条件下C2-z与C4-z差异较小，极限拉伸强度仅从33.0±3.2 MPa增至33.9±3.2 MPa；x方向拉伸强度未观察到一致的条件依赖趋势。4.4.3 x和z方向弯曲结果——弯曲响应呈与拉伸相同的显著取向依赖性，x方向平均强度243.3–259.0 MPa、z方向65.0–73.6 MPa。Tsub,set=150 °C时平均z方向弯曲强度有LED预热略高于无LED预热，从C1-z的65.7±3.5 MPa增至C3-z的68.0±1.6 MPa；Tsub,set=180 °C时从C2-z的65.0±1.9 MPa增至C4-z的73.6±2.5 MPa，z方向弯曲模量也从C2-z的2.57±0.11 GPa增至C4-z的3.07±0.09 GPa（增加19.4%）。4.4.4 强度比较与代表性应力-应变曲线——拉伸和弯曲结果均显示显著x–z强度差异，与短纤维增强挤出沉积的方向性增强一致；本试样中x方向对应主挤出诱导纤维取向方向因而受益于纤维增强，z方向跨越沉积层界面更强烈受基体和界面支配的载荷传递控制。LED预热下平均z/x强度比在150 °C基板温度设定点拉伸中从18.7%增至23.4%、180 °C弯曲中从26.0%增至28.4%，提示选定条件下强度各向异性部分降低，可能反映界面形貌和层间响应变化，而短纤维取向相关的方向依赖性增强仍存在。表7比较150和180 °C基板温度设定点下有/无LED预热的z方向强度，Δstrength为同设定点下有LED预热平均强度减无LED预热平均强度，相应95%置信区间用Welch双样本t区间计算；因每工艺条件由单一打印结构代表，报告置信区间描述所研究构建间试样级差异而非构建间不确定性。Tsub,set=150 °C时19.0%拉伸强度增益和180 °C时13.2%弯曲强度增益在试样水平具统计支持，两置信区间均完全高于零；150 °C下较大拉伸强度增益可能反映热限制层间结合改善潜力更大，无LED预热时180 °C基板温度设定点平均拉伸强度已较高，而两预热条件产生相似平均强度。拉伸与弯曲响应差异可能部分反映应力状态和失效敏感性差异：z方向拉伸加载主要使层间界面承受法向拉伸，而弯曲加载在试样厚度上产生拉伸、压缩和剪切应力非均匀组合，局部界面质量变化可能以不同方式影响两种加载模式失效，温度依赖的聚合物相互扩散和基体变形可能进一步促成这些差异。代表性z方向拉伸和弯曲曲线初始加载响应大体相似，所研究条件间主要差异出现在峰值应力附近和失效处。4.5 PA6-CF40和PP-GF30横截面分析：4.5.1 PA6-CF40界面暗特征面积分数——C4平均界面暗特征面积分数（1.32±0.25%）低于C1（2.22±0.45%），与两横截面间定性差异一致；C1与C4形态差异与所研究工艺条件下z方向力学响应差异定性一致；报告均值和SD表征每分析横截面内8个ROI间空间变异而非试样间或构建间变异性。4.5.2 PP-GF30横截面几何分析——平均横截面厚度仅从非预热横截面的6.81±0.78 mm略变为LED预热横截面的6.69±0.60 mm，而CV从11.38%降至8.98%（相对降低21.1%）；平均相对谷间距离从4.52±0.30 mm增至5.55±0.19 mm（相对增加22.7%）；厚度统计描述各厚度轮廓分析区域内空间变异，谷间距离SD描述所测相对谷对间变异。这些结果表明两PP-GF30条件间差异主要与横截面厚度变异减小相关而非平均厚度变化，较大相对谷间距离表明LED预热横截面中上、下焊道间谷之间局部厚度更大，与焊道界面处局部厚度减小较不明显一致。图16中可见周期性谷代表实际打印逐层几何，玻璃纤维增强聚丙烯多焊道横截面研究也表明焊道间几何对层高和材料流动敏感；本PP-GF30横截面中平均相对谷间距离与平均横截面厚度之比从无LED预热的0.66增至LED预热的0.83，表明层界面处局部变窄较不明显；较粗的逐层轮廓也与大层高挤出工艺固有有限几何分辨率一致，降低层高和改善挤出流动控制已被证明可改善表面和几何质量。尽管材料特定定量指标不可直接比较，两项分析均表明各自预热条件下局部横截面形貌更均匀。
**讨论与结论**
本研究提出了一种用于纤维增强热塑性塑料挤出LFAM的方向自适应LED预热方法，并对LED加热区温度进行闭环调节，实验研究了加热响应、温度控制性能以及LED预热对层间性能的影响。主要结论如下：LFAM打印过程中沉积方向变化需要局部LED预热的空间自适应和热调节协调进行，自适应加热区和测量ROI保持其在沉积前方的空间对准，温度反馈调节所得热响应；对PP-GF30，反馈调节使温度CV从方向自适应恒功率运行的7.9%–10.7%降至直线刀具路径的1.2%–1.9%和曲线刀具路径的2.0%–4.3%。LED预热条件具有材料和工艺依赖性，PP-GF30和PA6-CF40在相同功率和行进速度设置下表现出不同的表观表面温度响应，表明仅预设功率不能建立可转移的实测热条件，温度目标和操作设置因此需考虑材料需求和所选行进速度下可用加热能力。温控局部LED预热在选定条件下改善了层间性能和局部横截面均匀性，同时仍存在显著x–z强度差异，这种持续各向异性与沿挤出方向的纤维增强及跨层主要受基体和界面支配的载荷传递一致；局部温度控制可改善层间质量，但不能独立决定力学性能或消除沉积材料的方向性力学响应。总体而言，所提出的LED预热方法在界面结合前于基板表面建立受控局部热条件，使多方向刀具路径上形成更一致的层间结合。
