《Proceedings of the Design Society》：Characterising thermal effects on ultimate tensile strength, strain, and tensile modulus by material extrusion of carbon fibre reinforced polyamide 6
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研究人员通过实验表征了层间温度对通过材料挤出（MEX）工艺制造的碳纤维增强聚酰胺6（PA6-CF）力学性能的影响。在67 °C至165 °C的层间温度范围内，研究了极限拉伸强度（UTS）和拉伸模量的变化。结果表明，UTS从67 °C时的7.55 MPa增加到1
研究人员通过实验表征了层间温度对通过材料挤出（MEX）工艺制造的碳纤维增强聚酰胺6（PA6-CF）力学性能的影响。在67 °C至165 °C的层间温度范围内，研究了极限拉伸强度（UTS）和拉伸模量的变化。结果表明，UTS从67 °C时的7.55 MPa增加到165 °C时的36.04 MPa，而拉伸模量则从67 °C时的1.6 GPa增加到140 °C时的4.0 GPa。对制造部件的测量显示，其加工过程中的层间温度在88 °C至123 °C之间。这些发现量化了可实现的性能窗口，并对功能性部件的设计具有重要意义。
**论文解读：热历史对材料挤出成型碳纤维增强聚酰胺6力学性能的影响研究**
**一、研究背景与意义**
增材制造（Additive Manufacturing）技术的快速发展正在拓宽工程设计范畴，并使得功能性部件的复杂性得以提升。其中，配备主动加热成型腔的低成本材料挤出（MEX）系统的出现尤为重要。这类系统（如来自Creality、Bambu Lab和Prusa Research等制造商的产品）被宣传为能够加工先进的工程材料。在众多材料中，碳纤维增强聚酰胺6（PA6-CF）尤其具有前景，有望变革功能原型制造并支持最终使用部件的制备。高性能聚合物因其优异的耐化学性、机械强度和耐磨性，在广泛的工业应用和工程设计任务中日益重要，但这些性能通常需要在较高的温度下加工才能实现。例如，聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酰亚胺（PEI）分别需要约420 °C和370 °C的喷嘴温度才能达到最佳机械性能，这要求使用专门且昂贵的设备，且材料成本高昂，限制了其在低成本制造环境中的应用。相比之下，PA6-CF在约295 °C的较低喷嘴温度下即可获得所需的机械性能，使其处于新兴低成本系统的操作能力范围内。
然而，由于MEX工艺逐层成型的特性，打印部件的机械性能本质上是各向异性的。这种各向异性受硬件配置、构建方向、纤维取向和层间结合等多种因素影响。其中，温度是决定层间结合质量的关键因素。环境热条件也影响聚合物行为，特别是对于半结晶材料：较高的环境温度促进更高的结晶度，从而增强拉伸强度和模量。对于PA6-CF部件，已有研究表明仅因层间温度的变化，其UTS可从42 MPa提升至73 MPa。这种敏感性凸显了使用红外热成像（IRT）来评估和优化层间结合的必要性。层间结合的形成要求新沉积层的温度超过聚合物的玻璃化转变温度（T
g）。沉积层温度（DT）定义为新沉积材料的峰值温度，通常等于喷嘴温度。预沉积层温度（PDT）定义为下一层沉积前，前一层表面的温度。确保PDT在整个打印过程中保持在T
g以上对于改善机械性能至关重要。
尽管已有研究关注温度对UTS的影响，但据作者所知，尚无先前研究探讨PDT对拉伸模量的影响。拉伸模量是表征打印材料应力-应变响应的基础，其准确测量对于可靠的力学模拟至关重要。因此，本研究旨在探究热效应对先进聚合物复合材料UTS、拉伸模量和应变的影响，为工程设计提供关键见解，以实现高保真度的功能原型制造和稳健的最终用途制造。随着低成本系统的快速发展，本研究进一步评估了当前制造能力，并指出了充分发挥这些材料性能潜力所需的必要硬件特性。本论文发表在《Proceedings of the Design Society》上。
**二、关键技术方法概述**
本研究采用实验方法，系统探究了预沉积层温度（PDT）对碳纤维增强聚酰胺6（PA6-CF）材料挤出（MEX）成型试样力学性能的影响。研究主要基于两个低成本MEX系统（Creality K2 Plus和Bambu Lab H2D）的热约束条件展开，这两个系统均具备主动加热腔室和增强的喷嘴与构建板热管理能力。研究首先通过打印一个VESA支架（100 × 100 × 150 mm）作为代表性部件，利用InfiRay P2 Pro红外热像仪（采样率1 Hz）监测其打印过程中的PDT变化，发现实际部件的PDT范围在88.3 °C至120.2 °C之间，低于实现最佳机械性能所需的温度条件，这构成了本研究的动机。为全面表征PDT的影响，研究人员通过调整打印速度、风扇速度和环境条件（开放、封闭、加热）等多种工艺参数，实现了67 °C至165 °C的宽范围PDT控制。所有力学测试试样均采用修改版的ISO 527-2标准拉伸试样，在Z方向（垂直）打印，喷嘴温度固定为280 °C，构建板温度为120 °C。每个温度条件下制备5个试样，共计45个试样。试样打印后，在密封袋中与干燥剂一起储存，并在测试前于80 °C下进行至少6小时的热处理，以确保试样处于干燥状态。力学性能测试使用MTS Criterion拉伸试验机，以5 mm/min的十字头速度和5 Hz采样率进行。为获得精确的拉伸模量，采用数字图像相关（DIC）技术通过VIC-2D程序记录应变，使用Stingray F503B相机以5 Hz频率采集数据。拉伸模量由从零应变到断裂的完整应力-应变响应曲线计算得出。
**三、研究结果**
**3.1 极限拉伸强度（UTS）**
UTS随PDT升高而显著增加。平均UTS从67 °C时的7.5 MPa增至165 °C时的36 MPa，增长了约4.8倍。在低温区（67–77 °C），标准偏差较小。在104 °C时，平均UTS增至14.26 MPa，但试样间变异增大（标准偏差1.73 MPa）。在106 °C时，UTS意外降至11.82 MPa（标准偏差0.79 MPa），这归因于该组试样在封闭腔室中打印且风扇速度增加。从106 °C到165 °C，UTS随PDT升高呈现预期的增长趋势，显示了PDT与UTS之间的相关性。
**3.2 应变**
最大应变在0.00395至0.00942之间变化。在106 °C至165 °C范围内，PDT升高导致平均应变增长2.38倍。低温区（67–77 °C）的应变读数标准偏差较高（例如69 °C时为0.00105）。从67 °C到106 °C，平均应变略有下降（从0.00452降至0.00395），且标准偏差显著降低（0.00034）。从106 °C到165 °C，PDT升高与应变增加呈明显正相关。165 °C时平均应变最高（0.00942），但标准偏差也相对较高（0.00141）。
**3.3 拉伸模量**
拉伸模量测量值在1.65 GPa（67 °C）至4.04 GPa（140 °C）之间。低温区（67–77 °C）拉伸模量从1651.38 MPa小幅增至2077.47 MPa。在104 °C至106 °C之间，拉伸模量从3459.30 MPa降至3011.43 MPa。从106 °C到140 °C，PDT升高导致平均拉伸模量上升，在140 °C达到最大值4044.88 MPa（标准偏差177.05 MPa）。从140 °C到165 °C，拉伸模量再次小幅下降至3893.43 MPa（标准偏差457.13 MPa）。总体而言，PDT从最低升至最高使拉伸模量增长了2.45倍。
**四、讨论与结论**
本研究结果表明，PDT对部件的机械性能起着重要作用。最差的UTS、应变和拉伸模量结果均出现在PDT为67 °C时。在此温度下，各项性能均远低于数据手册的预期值，且打印出的部件易于用手折断。这种低UTS很可能是因为DT和PDT均低于材料的熔点，导致层间融合不良，进而强度低下。当PDT超过106 °C后，UTS随PDT升高而稳步增加，在165 °C时达到最高值。应变在106 °C以下几乎保持恒定，超过此温度后则随温度升高而增加，这可能与低温下结晶度较低有关，未来研究可使用差示扫描量热法（DSC）来探究这些温度下的结晶度水平。
拉伸模量作为PDT的函数，变化范围在1.65 GPa至4.04 GPa之间。有趣的是，最高拉伸模量出现在140 °C；在更高温度下，未观察到类似低温区间的显著增长。对于产品模拟而言，拉伸模量是获得准确结构行为预测的关键参数。据作者所知，这种各向异性和温度依赖性对聚合物基材料挤出成型拉伸模量的影响此前尚未见报道。在现有认知水平下，制造前的模拟将无法准确反映真实产品，使得基于CAD的迭代模拟变得困难。然而，能够监测工艺并将其与PDT关联，是实现使用高性能聚合物通过MEX生产承重部件的重要第一步。假设整个部件具有恒定拉伸模量的传统模拟方法，不足以捕捉具有温度依赖性机械性能材料的行为。
根据制造商提供的数据手册，该材料可在25 °C的腔室温度下打印，并在Z方向实现64.5 ± 5.6 MPa的UTS和4353 ± 206 MPa的拉伸模量。然而，本研究结果表明情况并非如此，因为机械性能高度依赖于PDT。本测试中最接近数据手册值的是140 °C试样（拉伸模量4044.88 ± 177.05 MPa，UTS 28.41 ± 1.36 MPa）和165 °C试样（拉伸模量3893.43 ± 457.13 MPa，UTS 36.04 ± 1.88 MPa）。虽然这些结果在拉伸模量上相对接近，但测得的最高UTS仍远低于数据手册所述数值。此外，这些PDT是在非常小的几何形状上实现的。正如我们的部件尺度实验所示，较大的几何形状会导致PDT过低，无法实现材料的全部潜力。
热部件监测显示，PDT范围从88.5 °C低至123.6 °C高，如表3所示，部件的这些区域将表现出明显不同的机械性能。在此温度范围内，UTS几乎翻倍：88.5 °C区域的UTS略高于9.36 MPa，而123.6 °C区域的预期UTS约为22.71 MPa。相比之下，直接查阅数据手册会暗示两个区域的预期UTS均约为67.7 MPa。这些结果表明，不能假定数据手册值代表了在实际打印条件下实现的性能，对于这种材料，必须谨慎验证此类声称。
PDT是层时间、几何形状、层高和环境温度的函数。这意味着具有短层时间的小型部件可以在低成本设备上打印，同时仍能实现相对较高的机械性能，而无需额外的硬件投资。然而，随着部件复杂性和尺寸的增加，由于加工温度降低，聚合物的性能会显著下降至不可用的机械性能水平。因此，对于低成本设备，必须非常小心地控制PDT，因为过低的温度会阻碍预期性能的实现，并导致材料潜力未得到充分利用。
基于本文的研究结果，材料表征是实现MEX部件认证的第一步。研究结果可以支持设计人员对部件进行认证并预测其使用性能。承重产品和原型的认证需要所使用材料机械性能的准确数据。原则上，PA6-CF由于其优异的机械性能，可以直接作为最终产品的结构材料使用。尽管本研究未表征该特定材料的疲劳性能，但一项对类似碳纤维增强聚酰胺的研究报告称，在500万次循环后，其疲劳极限为UTS的39%，这表明其在静态和循环载荷应用中都具有强大潜力。然而，如本研究所示，该聚合物的机械性能对制造过程中的热条件高度敏感。虽然其全部潜力可以在低成本设备上实现，并且与传统制造工艺相比，成本和交付时间相对较低，但工艺参数对结果有重大影响。温度和几何形状在实现预期材料性能方面起着关键作用，如果没有对这些变量进行适当的监测和控制，数据手册值无法为可靠设计提供足够准确的输入。
**研究结论：**
在本研究中，使用热成像技术测量了垂直MEX打印的PA6-CF试样的PDT。通过操纵工艺参数，实现了67 °C至165 °C的PDT范围。对试样进行准静态拉伸测试，以确定热历史与机械性能之间的关系。结果显示，UTS随PDT升高呈近乎线性增长（从7.5 MPa增至36 MPa）。对于刚度和延展性，揭示了不同的行为模式。拉伸模量从69 °C到104 °C增加了一倍多（从1651 MPa增至4044 MPa），随后在4000 MPa左右趋于稳定。相反，失效应变在119 °C以下保持非常低（<0.5%），但近乎线性地增加至0.94%。这些发现表明，热历史对层间结合和整体机械性能至关重要。虽然桌面打印机可以加工PA6-CF，但其实现最佳性能的能力受到打印过程中热条件的强烈限制。因此，不能假定数据手册的材料值适用于PDT变化的部件。这强调了模拟模型需要纳入温度依赖性材料属性以确保预测准确性。未来的工作应将原位热监测集成为此类模型的输入，并最终用于验证，以释放高性能聚合物在MEX中的全部潜力。
