《Results in Materials》：Multi - objective topology optimization and microstructural characterization of additively manufactured PLA, PETG and ABS for progressive weight reduction
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本研究探讨拓扑优化（Topology Optimization，0–50%减重）对熔融沉积成型（Fused Deposition Modelling，FDM）制备的聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯（
本研究探讨拓扑优化（Topology Optimization，0–50%减重）对熔融沉积成型（Fused Deposition Modelling，FDM）制备的聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯（Polyethylene Terephthalate Glycol-modified，PETG）及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）力学性能的影响，旨在用于轻量化生物医学结构应用。研究人员制备标准化试样并进行拉伸、压缩及三点弯曲（flexural）试验，结合有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）与扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）观察宏观结构行为与微观特征。结果表明：PLA表现出最高的拉伸强度（60 MPa）与弯曲强度（90 MPa），ABS则在压缩工况下呈现较稳定的性能。100%密实度下，PLA拉伸强度最高（60 MPa），其次为PETG（55 MPa）和ABS（45 MPa）；当减重达50%时，PLA与PETG拉伸强度降至36 MPa，ABS降至32 MPa。压缩测试中，ABS经拓扑优化去除50%材料后仍保有49 MPa压缩强度，PLA由70 MPa降至49 MPa，PETG由68 MPa降至50 MPa。弯曲强度亦呈相似下降趋势：PLA由90 MPa降至58 MPa，PETG由85 MPa降至58 MPa，ABS由80 MPa降至58 MPa。研究人员确定30–40%拓扑优化范围为最优区间，可在显著减重的同时维持可接受的力学性。本研究提供了系统的多材料对比，并为未来生物医学应用的轻量化聚合物结构确定了适宜的拓扑优化区间。
研究背景方面，过去十年中患者特异性生物医学植入物的需求推动了材料工程、增材制造（Additive Manufacturing，AM）及计算设计方法的发展。金属植入物虽强度高，但存在腐蚀、影像学伪影、弹性模量与骨不匹配导致应力屏蔽（stress shielding）诱发骨吸收及植入物松动等问题，且质量过大增加患者不适与手术难度。传统实心聚合物植入物也无法解决刚度失配与冗余材料导致的无效载荷传递。拓扑优化（Topology Optimization，TO）作为一种基于计算的设计方法，可在给定约束下重新分配设计域内材料以最小化柔度（minimize compliance）并保留高应力承载路径，生成类骨小梁多孔结构从而减轻重量、降低应力屏蔽并促进骨长入。熔融沉积成型（Fused Deposition Modelling，FDM）用聚合物如PLA、PETG及ABS因低密度、可打印性与一定生物相容潜力受关注，但此前缺乏在相同TO条件下对三种材料进行拉伸、压缩、弯曲多模式力学性能系统对比并结合有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）与扫描电镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）微结构验证的研究，也少有定量给出合适TO减重区间的文献，此即本研究欲填补之空白。本文发表于《Results in Materials》。
主要关键技术方法：研究人员选用市售直径1.75 mm之PLA、PETG及ABS丝材，采用同一台FDM打印机（FlashForge Adventurer 5M），统一定义层高0.2 mm、喷嘴0.4 mm、打印速度50 mm/s、矩形填充、壳厚1.2 mm、铺层方向0°/90°，并按材料设定 nozzle/热床温度（PLA：200 °C / 60 °C），环境25 °C。分别在0%（全材料）、10%、20%、30%、40%、50%材料去除约束下，使用ANSYS Workbench基于固体各向同性惩罚微结构法（Solid Isotropic Material with Penalization，SIMP）对符合ASTM D638（拉伸Ⅰ型）、ASTM D695（圆柱压缩?12.7×25.4 mm）及ASTM D790（三点弯曲127×12.7×3.2 mm）标准之几何进行拓扑优化。优化目标为最小化柔度，随后按优化后几何FDM制件并进行室温万能试验机力学测试，同步开展FEA应力分布模拟及SEM微结构观测与全密度试样对照。
研究结果如下：
3.1 拉伸强度——拓扑优化影响下PLA、PETG及ABS之拉伸强度随材料去除递增而持续下降。全材料态PLA为60 MPa、PETG 55 MPa、ABS 45 MPa；50%减重后分别为36 MPa、36 MPa、32 MPa。研究表明拓扑优化可选择性剔除低应力区材料而保留主承力路径，PLA全程具最高拉伸强度适合需较高静载抗拉之轻量化植入设计，PETG与ABS在需更高延展性场合可作替代，整体趋势证实30–40%减重可在保足够抗拉性能前提下明显降重。
3.2 压缩强度——PLA由70 MPa（0%）降至49 MPa（50%），PETG由68 MPa降至50 MPa，ABS由65 MPa降至49 MPa。各材料在30–40% TO区间内压缩强度保留尚佳，ABS于高压缩载荷下表现相对稳，说明拓扑优化能有效保留轴向承压主通道，适合需承受生理轴向压载之植入部位，PLA原始抗压最强但降幅略大，PETG表现均衡。
3.3 弯曲（Flexural）强度——全材料时PLA 90 MPa、PETG 85 MPa、ABS 80 MPa；50%减重三者均趋近58 MPa。弯曲工况下不同材料强度在高TO水平趋于收敛，表明TO成功强化受弯关键区域，PLA具最佳原始抗弯刚度，适合骨板类等受弯植入件，30–40%区间为弯曲承载与减重之平衡点。
讨论部分指出，SEM显示低TO等级（0–20%）内部孔隙少、层间熔合好；30–40% TO出现可控互连孔隙网络，有利营养输送与骨组织长入；50% TO虽仍保连续承载骨架但局部微裂纹萌生于高应力集中处。PLA断口显脆性微裂，PETG与ABS断口较平滑具韧窝能吸收能量。均匀熔合之丝材粘接减少分层提升力学保持。有限元分析吻合实验（偏差<5%），拉伸工况强度衰减较压缩明显，故综合三模式受力推荐TO区间30–40%。PLA综合力学性能最优推荐用于承重轻量化植入，PETG平衡延性与强度，ABS适于侧重抗压稳定之场景。
结论部分翻译：本研究分析了拓扑优化（0–50%减重）对PLA、PETG及ABS用于轻量化生物医学构件之力学影响，发现力学强度随减重逐步降低但压缩强度相对保持较好。(i) PLA具最高基准弯曲强度（90 MPa）与拉伸强度（60 MPa），40%减重时仍分别保留约67%弯曲强度（60 MPa）与65%拉伸强度（39 MPa）；ABS显示最佳压缩稳定性，50%减重后仍维持49 MPa，PETG表现均衡且强度衰减平缓。(ii) 确定30–40%拓扑优化为最优设计范围，可实现约35–40%减重同时保留>70%压缩强度与65–75%拉伸强度；材料选型上PLA推荐用于高强度可降解植入，ABS优先用于需压缩稳定处，PETG提供强度与延性平衡。(iii) 结果表明拓扑优化是开发具潜在未来生物医学应用之轻量化聚合物结构且大幅减重而不严重牺牲力学性能的有效策略。
