《International Journal of Molecular Sciences》：Beyond Passage Numbers: How Culture Conditions and Population-Doubling Metrics Reporting Shape the Quality of Umbilical Cord-Derived MSCs and Extracellular Vesicles
编辑推荐：
理解由熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术生产的混合结构的精整行为，在具有不同热学和力学性能的共存相系统中至关重要。本研究以推力（thrust forc
理解由熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术生产的混合结构的精整行为，在具有不同热学和力学性能的共存相系统中至关重要。本研究以推力（thrust force）、扭矩（moment）、表面粗糙度（surface roughness）、温度变化、振动行为和表面完整性为评价指标，对聚乳酸/17-4沉淀硬化不锈钢/聚乳酸（PLA/17-4 PH/PLA）层序排列混合结构的钻孔性能进行了全面研究。为此，研究人员在填充密度为100%、切削速度（cutting speed, V）为80–170 m/min、进给速率（feed rate, f）为0.04–0.16 mm/rev的全因子配置条件下，对56 × 56 × 15 mm的混合试样共进行了16次钻孔试验。中间层以原始打印生坯态（green state）使用，即采用含有金属颗粒和粘结剂的17-4 PH金属填充丝材，未经任何脱脂（debinding）或烧结（sintering）处理。结果表明，增加进给速率会增大所有层的推力、扭矩和表面粗糙度，而提高切削速度则会降低这些数值并促进更稳定的钻孔工况。中间17-4 PH层的表面粗糙度低于外层PLA层，热学测量显示孔入口温度变化有限而孔出口温度累积更高。在所研究的混合结构中，最适宜的钻孔条件为170 m/min和0.04 mm/rev，最不适宜的条件为80 m/min和0.16 mm/rev。总体而言，高切削速度结合低进给速率为所研究混合结构提供了最合适的钻孔窗口。研究结果还表明，表面质量与切削载荷和高频振动分量的关联性强于仅与振动幅值的关联。
本研究旨在评估由熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）增材制造技术生产的聚乳酸/17-4沉淀硬化不锈钢/聚乳酸（PLA/17-4 PH/PLA）层状混合结构的钻孔行为。研究聚焦于原始打印生坯态混合构型，并非为了证明该混合结构优于单质PLA，而是致力于阐明该特定层状结构内的钻孔响应及最适配加工窗口。
**一、研究背景与问题**
传统制造技术长期以来在工程生产中发挥着基础性作用，但在复杂几何体制造、轻量化结构组件设计以及多材料系统制造方面存在局限，这限制了设计灵活性并增加了制造成本与时间约束。近年来，快速发展的增材制造（AM）通过逐层制造复杂几何体，克服了传统减材制造方法的局限。熔融丝材制造（Fused Filament Fabrication, FFF），又称FDM，基于热塑性丝材的受控熔融与逐层沉积，具有成本低、设备易获取、工艺灵活性高以及生产期间材料浪费少等优势。其中，聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）因打印稳定性好、易于加工、生物基来源及可生物降解等特性而成为最广泛使用的FDM材料之一。然而，纯PLA在需要高强度的应用中可能存在力学不足。研究人员通过混合制造策略解决这一局限，其中金属填充丝材的开发尤为引人关注，它使FDM系统能够超越基于聚合物的原型制作，生产金属或金属增强组件。BASF Ultrafuse 17-4 PH是一种基于17-4 PH沉淀硬化不锈钢的金属填充丝材，为将FDM扩展至含金属组件提供了重要途径。其加工概念与金属注射成型（Metal Injection Molding, MIM）相似，但本研究中该材料仅以生坯态使用，未经脱脂或烧结，因此不应将其解释为完全金属芯。
尽管混合结构具有潜在功能优势，但增材制造过程固有的表面粗糙度、尺寸精度和几何公差局限仍需关注，这需要进行钻孔等后处理操作以实现关键精密特征。在将PLA和17-4 PH等不同热学和力学性能的材料相结合的混合结构中，机械和热学不相容性导致不规则的切削力学、加速刀具磨损和表面完整性恶化，使钻孔性能难以预测。目前文献中关于FDM制造的PLA/17-4 PH混合结构钻孔性能的研究仍然有限，特别是对于材料过渡区的生坯态层状结构。因此，本研究旨在全面评估PLA/17-4 PH混合复合结构的钻孔行为，通过推力、扭矩、温度、振动和表面粗糙度等关键性能输出，研究混合结构的层间结合特性、各向异性力学响应和金属-聚合物相相互作用对钻孔性能的影响。
**二、关键技术方法**
研究采用实验方法学，使用独立双挤出系统（Independent Dual Extruder, IDEX）的Flashforge Creator 3桌面FDM打印机制造混合试样。丝材包括eSUN公司的PLA和BASF Forward AM的17-4 PH不锈钢基Ultrafuse
?丝材（名义直径1.75 mm）。混合试样设计为三层夹心结构：底层PLA（5 mm厚）、中间17-4 PH层（5 mm厚）、顶层PLA（5 mm厚），总体尺寸56 × 56 × 15 mm，填充密度100%，六边形填充图案。打印参数：PLA挤出温度250
°C，17-4 PH挤出温度270
°C，底板温度底层60
°C、中间层90
°C、顶层60
°C，初始层高度0.25 mm，其余层0.15 mm，打印速度65 mm/s，使用0.4 mm硬化钢喷嘴。
钻孔试验在Da Vinci Engineering制造的CNC路由器机上进行，使用符合ISO 235标准的无涂层整体硬质合金钻头（直径6 mm，顶角118
°，螺旋角30
°）。采用全因子实验设计，切削速度V为80、110、140、170 m/min，进给速率f为0.04、0.08、0.12、0.16 mm/rev，共16组实验。测量系统包括：FLIR HM1100红外热像仪（分辨率640 × 512像素，帧率>60 Hz，精度±2
°C）监测温度；Kistler 9257B测力计测量推力和扭矩；Dytran 3273A2三轴加速度计采集振动信号，经快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）进行频域分析。表面粗糙度按ISO 4287标准使用MAHR Perthometer触针式表面粗糙度仪测量。此外，采用主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）作为多元统计方法，揭示钻孔性能指标间的潜在关系。
**三、研究结果**
**3.1 钻孔性能指标：推力、扭矩与表面粗糙度**
研究人员系统分析了不同切削速度和进给速率组合下的钻孔性能。结果表明，在恒定切削速度下，将进给速率从0.04 mm/rev增加至0.16 mm/rev，所有层的推力（Fz）、扭矩（Mz）和表面粗糙度（Ra）均增加；而提高切削速度则使这些响应值降低并促进更稳定的钻孔工况。最适宜的钻孔条件为试验13（170 m/min，0.04 mm/rev），最不适宜的为试验4（80 m/min，0.16 mm/rev）。层间比较显示，中间17-4 PH层具有最高的切削阻力（Fz范围10.05–17.28 N，Mz范围7.19–16.53 N·cm），而PLA层表现出更高的表面粗糙度（顶层Ra 12.8754–15.4465 μm，底层Ra 11.993–14.2962 μm）。进给速率增加导致切 sections面积增大，材料变形阻力增加，从而提高了切削力和扭矩。值得注意的是，虽然17-4 PH层机械阻力更高，但其表面粗糙度低于PLA层，这与聚合物区域塑性变形、材料鳞剥和表面撕裂更显著有关。
**3.2 钻孔过程的热行为**
热像分析揭示了钻孔温度随切削参数和孔位置显著变化。孔入口温度在所有实验条件下变化范围较窄（约19.1–21.8
°C），而孔出口温度明显更高（31.7–72.3
°C），表明热量在出口区域累积。最高出口温度72.3
°C出现在80 m/min和0.04 mm/rev条件下。随切削速度和进给速率增加，孔出口温度反而降低，这归因于工具-工件接触时间缩短、热停留时间减少以及切屑更快排出。该温度趋势与经典金属切削不同，反映了复合材料钻孔中红外热成像的表面温度测量特性及混合结构的非均匀热传导行为。
**3.3 不同钻孔条件下的振动响应**
振动行为不仅基于幅值评估，还分析了频率分布。研究人员将0–300 Hz定义为低频带（与切削力相关），300–800 Hz定义为中带（系统整体动态响应），800 Hz以上定义为高频带（不稳定切削和局部振动扰动）。结果表明，总振动幅值（以均方根值Root Mean Square, RMS表征） alone不足以解释钻孔质量。试验4（80 m/min，0.16 mm/rev）与试验13（170 m/min，0.04 mm/rev）的比较显示：尽管两者总能量接近，但能量在频带间的分布显著不同。试验13的能量更多集中于低频带，而试验4的中高频分量占比增加，表现为更不稳定和不可预测的动力学行为。最佳钻孔性能并非出现在振动幅值最小时，而是出现在高频分量不占主导且能量分布更平衡的条件下。高频振动分量比（E_high/E_total）和能量分布参数成为识别不稳定切削行为的更可靠指标。
**3.4 孔表面质量**
通孔表面图像显示，钻孔后混合结构的表面完整性对切削参数高度敏感。试验4条件下观察到更明显的加工痕迹、局部空隙集中和更大的次表面损伤区，与高下刀力和高粗糙度测量值一致；而试验13条件下孔内表面更光滑、更均匀，加工痕迹更规则，空隙形成更有限。层过渡区的结构变化导致刚度突变和切削阻力变化，造成微空隙、不规则刀具啮合和表面不连续。生坯态17-4 PH层中刚性颗粒的存在改变了切屑形成机制，而聚合物区域的延展性和热软化促进了材料涂抹和表面撕裂。
**3.5 钻孔响应的主成分分析**
PCA结果表明，第一主成分（PC1，特征值7.63，解释69.4%方差）主要由各层的Fz、Mz和Ra载荷构成，代表机械载荷-表面质量轴；第二主成分（PC2，特征值1.58，解释14.3%方差）由最高温度（T_max）和高频振动分量（E_high）主导，反映热学和动态响应域。前两主成分累计解释83.7%方差。得分散点图显示，高切削载荷和差表面质量的条件趋向PC1正侧，而有利钻孔条件分布于低机械载荷和平衡热动态行为的区域。该分析统计证实了混合结构的钻孔质量劣化主要由机械载荷条件控制，热效应和高频振动分量作为次级修饰因素，为分层混合结构的可加工性解释提供了层次化框架。
**3.6 综合发现、实践建议与未来展望**
综合评估表明，170 m/min和0.04 mm/rev的组合可作为所研究范围内最适宜的钻孔条件，推荐用于需要较低切削载荷、改善孔壁质量和更稳定动态行为的应用；而80 m/min和0.16 mm/rev的组合导致最差的钻孔响应。研究强调，同时控制切削速度和进给速率对于保持FDM制造的分层混合结构的表面完整性和加工稳定性至关重要。
**四、研究结论翻译**
在该研究中，评估了FDM打印的生坯态PLA/17-4 PH金属填充/PLA层状结构的钻孔行为，评价指标包括推力、扭矩、表面粗糙度、温度变化、振动响应和内部孔表面完整性。主要结论如下：
钻孔性能主要由切削速度、进给速率和异质层状结构共同决定。增加进给速率会提高推力、扭矩和表面粗糙度，而提高切削速度通常会降低这些响应并促进更稳定的钻孔工况。
最适宜的钻孔条件为170 m/min和0.04 mm/rev，最不适宜的条件为80 m/min和0.16 mm/rev。在最佳条件下，与最差条件相比，中间17-4 PH含层的主观分别降低约41.8%、扭矩降低约56.5%、表面粗糙度降低约25.6%。
基于层的评估显示，中间17-4 PH含层具有最高的切削阻力（推力10.05–17.28 N，扭矩7.19–16.53 N·cm）。相比之下，PLA层表现出更高的表面粗糙度（顶层Ra 12.8754–15.4465 μm，底层Ra 11.993–14.2962 μm）。
热分析表明孔出口区域比孔入口区域更关键。孔入口最高温度保持在19.1–21.8
°C的狭窄范围内，而孔出口温度在31.7–72.3
°C之间变化更大，表明出口附近存在局部热积累。
振动结果表明，仅凭总振动幅值不足以解释钻孔质量。高频振动分量对识别不稳定切削行为更有用，因此应与力、扭矩、粗糙度和温度响应一起评估。
从实践角度，高切削速度结合低进给速率可作为生坯态PLA/17-4 PH/PLA混合FDM零件的有效钻孔策略推荐。该参数窗口有助于改善孔质量、降低切削载荷、限制不稳定振动行为并提高后处理可靠性。
该研究并不声称混合结构在机械性能上优于单质PLA，也不声称生坯态17-4 PH含层表现为完全金属芯。相反，它阐明了异质原始打印层状结构的钻孔响应，并为多材料FDM组件的二次加工操作优化提供指导。
对生坯态构型的关注尤为重要，因为此类结构在原型制作和混合制造过程中可能在脱脂或烧结前进行二次加工。此外，类似的聚合物/金属填充/聚合物夹心结构在局部质量改性、磁响应、电磁干扰屏蔽、热调节和功能梯度原型制作方面可能具有潜在功能相关性；但这些应用需要在未来的研究中进行专门的实验验证。
总体而言，这些发现为增材制造多材料结构后处理中的钻孔参数选择提供了实践指导。特别是，结果表明生坯态PLA/17-4 PH/PLA混合零件可靠孔质量需要同时控制机械载荷、热积累、振动稳定性和表面完整性。未来研究应进一步调查不同的刀具几何形状、涂层钻头、冷却或润滑策略、替代层配置以及多目标优化方法，以改善混合FDM结构的可加工性。
