《Proceedings of the Design Society》：Achievable mechanical performance of generatively designed PA6-CF and PLA components fabricated by desktop material extrusion
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本研究考察了采用桌面材料挤出（MEX）增材制造制备的聚酰胺6碳纤维（PA6-CF）和聚乳酸（PLA）构件的机械性能。为确定几何形状，研究人员将低成本三维扫描与Autodesk Fusion 360中的生成式设计（GD）相结合。尽管数据表值表明PA6-CF在层间
本研究考察了采用桌面材料挤出（MEX）增材制造制备的聚酰胺6碳纤维（PA6-CF）和聚乳酸（PLA）构件的机械性能。为确定几何形状，研究人员将低成本三维扫描与Autodesk Fusion 360中的生成式设计（GD）相结合。尽管数据表值表明PA6-CF在层间强度方面具有450%的优势，但其在破坏前峰值载荷方面仅比PLA高出25%（1.85 kN vs. 1.47 kN）。PA6-CF较差的层间结合归因于打印过程中较低的层间温度（87–136 °C），这表明60 °C的腔体温度是不充分的。
**研究背景与问题提出**
增材制造（AM）因其设计自由度而广受认可，能够制造传统减材或成形方法难以实现的复杂几何形状。作为一种高度自动化、无需模具的工艺，AM特别适合制造小批量、个性化的构件。然而，设计者要充分发挥AM所提供的设计自由仍面临挑战。拓扑优化等工具通过在既定设计空间内根据载荷和约束条件迭代重新分配材料，能够生成轻量化、刚度优化的结构。近年来，生成式设计（GD）作为一种范式转变应运而生，它将设计者的角色从定义、建模和迭代几何形状转变为定义约束、载荷和目标并迭代问题定义。通过基于功能需求和约束条件全自动地生成多种设计方案，GD显著扩展了解决方案空间，同时常常产生有机的、非直观的形式，从而更好地利用AM的能力。
对于需要贴合复杂有机形状的设计，如贴合人体的符合人体工程学的装置，定义设计边界条件至关重要。在此过程中，三维扫描可作为物理领域与数字领域之间的桥梁。虽然工业扫描仪已较为成熟并被用于类似目的，但近期研究表明，消费级激光雷达（LiDAR）技术（如iPad Pro中所采用的）在静态条件下可实现亚1 mm的精度，为捕获符合人体工程学的表面提供了一种可行的低成本替代方案。这些易获取的工具能够使敏捷企业实施需要个性化界面的构件和产品的分布式制造。
实现这些设计的一种可及且低成本的选择是材料挤出（MEX），这是目前最广泛应用的AM技术，从业余爱好者到专业人员均有使用。MEX提供了广泛的材料选择，包括具有成熟工业应用记录的热塑性塑料。其中一类特别值得关注的材料是高温工程聚合物，这类材料需要高于250 °C的加工温度。从历史上看，MEX加工高温工程热塑性塑料一直局限于 bulky 且昂贵的工业系统。然而，随着2021年Stratasys持有的加热构建腔专利到期，市场上涌现了大量配备主动加热腔的桌面打印机。Bambu Lab H2D等桌面打印机可将腔体温度维持在60 °C以上，并被宣传支持包括碳纤维增强聚酰胺6（PA6-CF）在内的先进工程材料。
与聚乳酸（PLA）等商品聚合物不同，这些工程级复合材料可用于在高温环境中运行的终端用途构件，以及循环载荷应用。然而，由于MEX本质上是一种逐层焊接过程，构件的机械性能对热历史高度敏感。这对PLA等商品聚合物成立，对高温、工程级聚合物而言则更为关键。
综上所述，研究人员现已具备实现低成本、快速设计制造复杂几何形状构件的关键技术。然而，对于在桌面打印机上使用工程级聚合物在构件层面所能实现的机械性能，仍存在很大的不确定性。此外，对于假设各向同性材料行为的生成式设计工具的适用性 física 于各向异性MEX构件，仍是一个未解决的问题。本研究旨在通过结合使用iPad Pro进行低成本三维扫描、Autodesk Fusion 360中的生成式设计和桌面MEX，来制造和机械表征定制贴合的自行车臂托，从而填补上述空白。研究重点在于比较两种材料在构件层面的机械性能，考察热加工条件的作用，并评估现有生成式设计工具对于各向异性材料的局限性。
**关键技术方法**
研究人员采用的技术路线主要包括以下环节：首先，使用Apple iPad Pro的LiDAR传感器对受试者前臂进行三维扫描；随后在Autodesk Fusion 360生成式设计环境中，以最大化刚度为目标、质量目标60.0 g、安全系数1.0、无限制制造模式为设计准则，迭代调整结构载荷（从400 N逐步降至150 N），生成连接自行车的主体承力几何；接着采用Bambu Studio进行切片处理，分别使用Bambu Lab H2D打印机打印PA6-CF构件（打印前85 °C干燥24小时，腔体温度约60 °C）、Bambu Lab X1 Carbon打印机打印PLA构件（存储于相对湿度<2%的干燥环境中）；打印过程中使用Infiray P2 PRO热像仪对PA6-CF进行热监测，获取层间温度数据；最后将构件固定于MTS Criterion Model 42万能试验机上，以0.1 mm/s的位移速率进行准静态压缩测试，采用定制的PLA打印前臂模型传递载荷，通过Python结合NumPy库进行数据后处理，计算载荷-位移曲线下的面积以估算吸收能量。
**研究结果**
**生成式设计结果**：经过超过30次迭代，GD在35次迭代后收敛，最终构件质量达目标值0.06 kg，最小厚度4.25 mm，最大von Mises应力66.9 MPa。
**制造结果**：PA6-CF构件在最细截面处存在层间和表面缺陷，试样3出现严重层移位问题，试样1和2存在可见的Z向接缝和溢料；PLA构件整体打印缺陷较少，仅存在轻微拉丝现象。两种材料的试样质量一致性良好。热测量显示，PA6-CF打印过程中四个区域共十个截面的层间温度范围为87.4 °C至136.3 °C，最低温度出现在最细截面处，层时间从93.3 s至6.2 s不等。
**机械测试结果**：载荷-位移曲线显示，PA6-CF试样在突然破坏前出现多次载荷骤降，伴随可闻的开裂和滑移声，最大记录峰值载荷为1.9089 kN，最高能量吸收为4.67 J；两个PLA试样（1号和3号）在初始破坏后继续吸收能量，最高破坏前载荷为1.6825 kN，最大破坏前吸收能量为2.56 J。PA6-CF试样在所有测量值（质量、首次峰值载荷和吸收能量）上的离散程度均小于PLA试样。PA6-CF的平均破坏前峰值载荷为1.85 kN，PLA为1.47 kN，PA6-CF高出25%；PA6-CF的平均破坏前吸收能量为4.10 J，PLA为1.77 J，高出230%。
**断裂形貌分析**：PA6-CF表现为脆性破坏，断裂面平坦光滑，主要表现为层间分离；PLA则显示不规则、粗糙的断裂面，表明破坏跨越多个层，这种复杂的多层断裂表面使得PLA试样1号和3号在破坏后仍能通过断裂面互锁继续承载。
**讨论与结论**
该研究展示了如何将生成式设计与三维扫描和增材制造相结合，生产具有定制扫描界面的承力结构，这种几何形状仅凭计算机辅助设计工具是难以建模的。所得构件仅重60 g，却能承受远超人体实际施加的载荷，凸显了可及个性化生产的潜力。
然而，结果也揭示了GD理论潜力与增材制造物理现实之间的关键差距。GD对设计过程具有重大影响，它从根本上将设计者的角色从建模设计转变为定义问题、约束、载荷和目标。但GD生成的优化承力结构的质量完全取决于GD环境中定义的因素和增材制造过程本身。本研究中进行了超过30次GD迭代，应用载荷从400 N逐步调整至150 N，这些调整主要基于直觉和先验经验，凸显了使用正确参数，特别是代表性材料模型的重要性。
Fusion中的GD基于von Mises屈服准则，假设各向同性和延展性，但PA6-CF和PLA并不满足这些假设，因为它们具有高度各向异性和脆性。研究发现，工程级聚合物制造构件的材料性能远不及材料数据表所预期的。先前研究表明，PA6-CF对热加工条件高度敏感，其机械性能受层间温度强烈影响。对于臂托而言，最大截面面积处记录到最高温度，这是由于该处具有最大的热质量。增加较细支柱的厚度将增强热保持能力，从而在减小应力的同时改善机械性能。这一观察意味着，在为腔体温度不足的桌面打印机设计构件时，热质量是需要考虑的重要因素。两种材料的断裂表面显示出明显不同的破坏机制：PA6-CF为层间破坏，层间干净分离；PLA则呈现跨越多个层的复杂不规则断裂表面。PLA试样1号和3号的破坏后承载能力很可能是由不规则多层断裂表面实现的后断裂互锁所导致的。
一项近期研究考察了层温的影响，覆盖了臂托打印期间观察到的温度范围（87-136 °C），结果表明层间极限抗拉强度可预期为数据表值的15-40%。在本研究的机械测试中，PA6-CF表现出比PLA高约25%的破坏前载荷能力，而若考虑层间强度为限制因素，数据表值则表明其应比PLA高约450%。PA6-CF试样的破坏前吸收能量平均为4.10 J，远高于PLA的1.77 J（增加230%），表明其韧性显著更高。这些结果共同强调了在使用打印构件进行迭代设计过程时，明确原型意图和需求的重要性。
该研究存在若干局限性：依赖先验经验迭代调整载荷以补偿设计承载能力与实际承载能力之间的差异并非鲁棒方法；为比较两种材料性能而采用相同GD几何形状可能对PLA构件不利；PA6-CF试样存在多种打印缺陷；机械测试仅限于准静态加载且样本量小，未涉及疲劳、冲击和环境测试；构件在压缩下工作且依赖细长支柱，屈曲作为关键破坏模式未在GD研究中加以考虑。
**研究结论**：本研究考察了使用桌面MEX以PA6-CF和PLA制造的生成式设计定制贴合自行车臂托的机械性能。采用iPad Pro消费级三维扫描和Autodesk Fusion 360生成式设计定义构件几何形状。所得有机符合人体工程学的结构仅重60 g，承受的峰值载荷超过1.8 kN，远超典型使用需求。机械测试表明，尽管材料数据表值在层间强度方面暗示PA6-C?具有450%的优势，但在配备加热腔的桌面3D打印机上打印的PA6-CF在破坏前峰值载荷方面仅比PLA高出25%。打印过程中的热测量显示关键承力截面的层间温度较低（87–136 °C），导致层间结合不良，断裂表面的干净层间破坏证实了这一点。这些发现凸显了两个主要现存差距：一是生成式设计工具依赖各向同性材料模型和von Mises准则，二者均不适用于各向异性MEX构件；二是尽管近期桌面打印机被营销用于高温工程聚合物，但其有限的腔体温度使PA6-CF等材料无法接近所列材料规格的机械性能。
