FFF 打印参数对 3D 打印件力学强度的影响研究

本研究旨在探究 3D 打印参数，特别是熔丝制造（FFF）技术参数，对打印件力学特性的影响。分析涉及 495 个打印样品，关键参数变量包括挤出温度、打印速度、密度、填充几何、层高、壁数。

采用 BCN3D Epsilon W50 打印机，使用该技术常用材料：PLA、PETG、ABS。通过单轴拉伸测试评估力学强度，考量多样参数。研究遵循 UNE-EN ISO 527-2 Type 1A 标准，共测试 495 个试样，依循塑料模塑或挤出测试模型。

预期：挤出温度、密度、壁数增加将导致打印件性能增强。打印速度提高、层高降低可能降低力学强度，但具体影响程度尚不确定。

主要假设

• 填充类型： 假设网格填充因相互连网格结构，强度优于螺旋填充与三角形填充。
• 填充密度： 更高填充密度预期增强力学强度，因部件内材料更多应增强抗压能力。
• 层高： 更低层高推测不利于力学强度，因层间粘结弱点。
• 打印速度： 打印速度升高预测导致部件质量下降，因挤出不稳定、层间结合效果差，可能削弱力学强度。
• 打印温度： 更高温度范围预期改善层间结合，增强力学强度。反之较低温度可能导致冷挤出伴随材料损失。
• 壁数： 更多壁数建议显著增加打印件力学强度，提供更大结构稳定性。

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结果

以下图表展示各种结果与结论。详细分析与数据请查阅白皮书。

填充类型影响

分析所得数据，视材料而定，每种填充类型影响不同，结论：填充模式对件最终性能无显著或相关影响。虽 ABS 与 PETG 试样中螺旋填充产生最高载荷，但与 PLA 的差异与变异性阻止我们断言该填充类型在改善力学性能上最佳。因此，预期网格填充最佳、三角形次之、螺旋最后的前提不成立。

填充密度影响

分析结果，结论：测试前前提正确。即力学性能随密度增加而提升。PLA 与 PETG 中此规律极清晰，ABS 中则不明显，甚至 60% 与 80% 填充试样间拉伸强度未增。这可能因各材料聚合物结构类型不同：PLA、PETG 为晶态结构，而该 ABS 配方为非晶结构。此外可得出：ABS 打印件填充密度超 60% 不保证更好力学表现。

层高影响

符合预期，层高增加提升打印件性能。因如前所述，件内“弱点”减少。这些弱点是各打印层接合处，层间粘结强度永不会等同材料本身强度。

打印速度影响

数据分析后结论：正如高打印速度增加材料挤出不稳定性、从而增加打印件缺陷可能性、导致力学抗力下降，打印速度也存在下限。即低打印速度不等于高力学抗力。各材料有最佳打印工作温度范围。若工作温度低于此范围，材料冷挤出；若打印温度高于此范围，材料可能降解、聚合物结构结晶、导致错误挤出。

为更好理解下述结论，需简述材料打印温度（工作温度）。如前所述，打印速度影响丝材挤出，因速度是丝材通过热块的速率。这意味着热块温度（打印温度）必须高于材料熔点，以补偿向丝材的热传递赤字。换言之，FFF 中材料典型挤出温度远高于材料熔点。因此，若打印速度极低，材料挤出时可能降解，从而丧失材料本身性质含力学性质。

打印温度影响

考虑所得数据并已分析打印速度及密度、层高等参数影响，推断打印温度对改善力学性能无显著帮助，或难建立恒定量控制制造最终结果。即同打印速度一样，打印温度对各材料影响程度不同、且不总可预测。

PLA 符合预期趋势，但 ABS 与 PETG 不符。极可能是不同材料聚合物结构与玻璃化转变温度定义了这条趋势线。

壁数影响

测试中清晰观察到：每次壁数增加，三种材料试样拉伸强度均增加，同测试 2.2（填充密度）和 2.3（层高）。PETG 进化在每次增量中极清晰，但这可能因其他测试偏差。合理且符合预期：每次增壁使最大力以相同值一致增加。PETG 试样测试中清晰观察：每加一壁，最大力增加 30%。以 PETG 为例因推断其受外部因素影响最小。

详细信息请下载专业白皮书：FFF 样品打印参数对力学性能影响研究。

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