现代科学研究：层高和退火参数对FDM 3D打印零件拉伸强度和尺寸精度的影响的实验研究
这项研究研究了退火时间、温度和层高度对三种3D打印材料的抗拉强度和尺寸变化的影响。不同层高度的样品在60-100°C的温度下退火，持续30、60和90分钟。进行了拉伸试验，并开发了回归模型来分析这些参数对抗拉强度的影响。
这些模型表现出高精度，最大偏差仅为5%的测量验证值。模型显示，与退火时间和温度相比，层高对抗拉强度的影响要大得多。为每种材料确定了最佳参数组合，PLA在0.1毫米/60分钟/90°C时表现最佳，PETG和PETGCF在0.1毫米/90分钟/90°C时达到最佳抗拉强度。
PETGCF在退火后表现出最小的尺寸变化，并且具有所有材料的最佳弹性模量。该研究使用实验测试和回归模型来评估在一致条件下跨多个材料的结果，为正在进行的关于退火对3D打印部件的影响的讨论提供了宝贵的见解。
一、材料和方法
研究的选定材料包括聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇和碳纤维增强PETG。PLA是一种热塑性单体，由玉米淀粉或甘蔗等可再生资源生产，与大多数使用化石燃料制造的塑料不同。PETG，热塑性聚酯，具有显著的耐化学性、耐用性和成型性，适合制造。
PETG是从PET中开发的，在分子水平上加入乙二醇，以增强各种化学性质。虽然PETG含有与PET相同的单体，但它更坚固，更耐用，更耐冲击，并且可以承受更高的温度。PLA和PETG是3D打印中最常用的长丝材料之一，每种材料都有自己的优点和缺点。
PLA具有较低的熔化和玻璃过渡温度，在打印过程中不受其周围环境的影响，因此使用任何FDM打印机都可以轻松打印。然而，它的主要缺点是缺乏强度，由于层对层附着力有限，导致3D打印模型变脆。另一方面，PETG非常坚固、耐用，并耐高温、水和化学溶剂，是暴露于恶劣条件或高物理压力的部件的合适选择。
二、结果和讨论
3D打印零件的机械强度取决于各种因素，如层高、退火时间和退火温度。这项研究使用回归模型研究了这些变量对由三种不同材料制成的3D打印部件的抗拉强度和尺寸变化的影响：PLA、PETG和PETGCF。
为了确定层高、退火时间和退火温度对抗拉强度的影响，为每种材料开发了单独的回归模型。它们的系数为它们对不同材料的抗拉强度的影响提供了宝贵的见解。在测试的所有材料中，LH对抗拉强度的影响明显大于TTA和TA，LH的系数要大得多。
这种趋势在PETGCF中尤为明显。此外，所有材料都表现出LH的负系数，这表明LH的增加会导致抗拉强度的降低，反之亦然。这可以在数据中观察到，其中显示了PLA材料不同层高度的抗拉强度，显示出下降的趋势。
回归模型对于根据输入参数预测输出参数很有用，但它们不能提供完整的画面。对于所有材料，只有一两个退火温度导致抗拉强度相对显著增加。PLA材料的拉伸强度在80°C或90°C的温度下增加。例如，对于分别为0.1毫米、60分钟和90°C的LH、TTA和TA，与基础抗拉强度相比，抗拉强度增加了1.22 N/mm2 。
对于PETG，在60或70°C左右的温度下可以看到抗拉强度的增加。例如，对于分别为0.1 mm、60 min和70°C的LH、TTA和TA，与基础抗拉强度相比，抗拉强度增加了0.91 N/mm2 。然而，当涉及到PETGCF时，检测明显的趋势更具挑战性。
对于0.2毫米的层高度，可以注意到，与基础抗拉强度相比，0.9 N/mm2 、1.38 N/mm2 和0.06 N/mm2 的抗拉强度在70°C时增加，TTA分别为30分钟、60分钟和90分钟。对于0.3毫米的层高度，在大约90°C或100°C的温度稍高的情况下，所有三个退火的抗拉强度平均增加为1.24 N/mm2 。
三、结论
通常，为给定材料实现最佳打印参数可确保最终部件不需额外的后处理处理，如热处理，以提高机械性能。然而，选择最佳的印刷参数可能具有挑战性，特别是对于该领域的新材料。PLA和PETG是FDM中广泛使用的材料，由制造公司明确定义并提供打印参数。
在进行不合适的热处理条件的退火过程时，遵守这些推荐的印刷参数可能是导致性能增强最小甚至性能下降的主要因素，这是有道理的。本文全面分析了层高和退火过程对3D打印零件的机械和尺寸性能的影响。
然而，该研究仅单独评估了这些因素，仍然需要一种同时考虑多个标准的方法。因此，未来的工作将涉及使用多标准决策技术，根据最大抗拉强度、最大弹性模量和最小尺寸变化等标准来评估层高和退火过程的最佳组合。此外，利用本研究中开发的回归模型来进一步优化3D打印过程，并确定实现最佳机械和尺寸属性的绝对最佳输入参数集也是有益的。
