熔融丝沉积（FFF）打印聚乳酸（PLA）结构的孔隙率与内部构型对其力学及声学性能的影响

《Polymer International》：Influence of porosity and architecture on the mechanical and acoustic properties of FFF-printed PLA structures

　　

该研究考察了熔融丝沉积（FFF）制备的聚乳酸（PLA）结构中孔隙率与填充构型对力学及声学性能的影响。研究人员采用受控变化的填充密度（100%、95%、90%、85%与80%）与填充图案（line、combined与concentric），生成不同孔隙率水平与内部构型。各试样的体积孔隙率由表观密度独立测得，而非直接取切片软件名义填充设定。沿三个正交方向开展的超声测量结合力学压缩试验表明，弹性性质对孔隙率与结构取向均有强烈依赖。观测到显著的各向异性行为，凸显了丝材取向与层间界面的作用。结果显示超声波速随孔隙率增大而下降，在低孔隙率下与理论预测一致，而在较高孔隙率下因微结构非均质性出现明显偏离。超声杨氏模量与力学杨氏模量之比发生转变，反映了孔隙率、层间缺陷与测量尺度的共同影响。这些发现为增材制造聚合物的结构-性能关系提供了新见解，并强调了层间孔隙率在支配FFF打印PLA结构力学与动态行为中的关键作用。该三方向测量策略可全面评估各向异性行为，区分面内与厚度方向的响应，直接关联丝材取向与层间孔隙率。

研究背景方面，熔融丝沉积（FFF）作为增材制造聚合物结构的关键技术，其层积热塑性丝材的工艺允许精确控制内部构型，从而直接影响打印件的力学、热学与声学行为。已有研究多关注准静态或疲劳性能、低频阻抗管声学吸收或特定频率范围内的波传播，较少在超声频段同时分辨面内两方向与跨层厚度方向响应，层间孔隙率与传播方向耦合机制理解不足。鉴于声学绝缘、波控与结构健康监测应用需求，研究人员开展本研究以厘清填充图案、孔隙率与传播方向对FFF打印PLA声学与力学的联合影响。

主要关键技术方法包括：使用Prusa i3 MK3S+打印机与Ultimaker Cura切片，固定喷嘴直径0.4 mm、层厚0.2 mm、打印速度60 mm s^?1、挤出温度215°C、热床60°C、轮廓层数3，制作直径20 mm、长55 mm圆柱试样；填充图案取line、combined、concentric，名义填充密度100%、95%、90%、85%、80%，每组合5个重复，共75件；体积孔隙率V_f由质量与表观体积独立计算而非名义值；力学上依ASTM D695用Instron 5800压缩得有效杨氏模量E_m；声学上用15 mm接触式换能器（标称2.25 MHz）沿三正交方向（位置1面内垂直丝向、位置2面内平行丝向、位置3跨层厚度向）测纵波c_L与横波c_T走时；光学显微镜×80观察孔隙分布；理论比对采用Hashin-Shtrikman模型（HSM）与有效场模型（EFM，ka=0.7）。

研究结果部分，力学压缩试验显示三种填充图案下E_m均随V_f增大而下降，在实验不确定度内图案间差异不显著，全局力学响应主要由总孔隙率支配。超声波测量中，纵波c_L随孔隙率下降且与HSM低孔预测吻合；line图案位置1（垂直丝向）偏离HSM约?50 m s^?1，位置2（平行丝向）贴合理论，位置3（跨层）速度更低且衰减强，约6.2%孔以上位置1信号消失；combined图案面内各向异性弱，位置3略低；concentric图案面内各向异性弱但位置3因径向多层界面散射衰减最快，高孔下仍可得外周导波信号。横波c_T趋势类似，line图案方向差异最大，位置3介于其间偏低的衰减态。显微成像确认line为直通道异质孔隙、combined为立方均匀孔隙、concentric为同心环加轮廓界孔隙，印证超声各向异性来源。讨论部分指出HSM与EFM（ka=0.7，近长波上限）可作各向同性取向平均参考，实测与参考之偏离本身量化真实孔网各向异性；E_u/E_m比随孔隙率由>1转<1，低孔时超声探连续固相局部刚度更高，高孔时跨层散射与轮廓贡献使力学有效模量相对上升；位置3对层间未熔合界面最敏感。结论部分翻译如下：本工作综合考察FFF制造PLA结构中孔隙率、构型与波传播之互作。结合破坏式力学与三正交方向非破坏超声表征，达成有效性能的多尺度理解。结果揭示孔隙率与填充构型强烈支配声波速度与弹性性质，且随传播方向呈显著各向异性。跨打印层测量凸显层间孔隙率关键作用，其增强散射与衰减而无法被简化各向同性假设捕捉。与均质化方法比对显示准静态模型仅低孔有效，动态模型在更高非均质下更贴切。E_u/E_m由大于1转小于1强调微结构、测量尺度与变形域之复杂耦合。在模型球状夹杂各向同性假设、2.25 MHz近长波限与轮廓对压缩模量贡献等限定下，超声方法系探测增材制造材料各向异性与内部构型之有力工具。G-code几何分辨有限元建模为验证散射机制之关键下一步。本工作为增材多孔材料波-构互作提供稳健框架，并为波控、先进材料工程与无损评价中功能结构设计开辟视角。论文发表于《Polymer International》。