如果需要高质量的3D打印零件，则需要选择正确的打印参数。关于这个话题的研究正在进行中，最新的研究来自曼彻斯特大学。Chamil Abeykoon，Pimpisut Sri-Amphorn和Anura Fernando与航空航天研究所的西北复合中心合作，发表了“ 优化熔合沉积建模参数以改进PLA和ABS 3D打印结构 ”，有关他们研究各种性能和加工条件的工作由不同材料制成的青岛3D打印样本。
青岛3D打印涉及多个变量，仅更改一个参数可能会同时导致“其他多个参数的相应更改”。此外，最常用的FDM印刷材料是熔点低的热塑性聚合物-对于“某些高性能应用”而言并不理想。
“因此，已经尝试通过添加诸如短纤维，纳米颗粒和其他合适的添加剂的颗粒来改善印刷长丝的性能[ 18 ]。由于在FDM领域进行了广泛的研究和开发，纤维增强长丝变得越来越流行，并且目前可用于实际应用。”
为了优化这些新型增强材料的参数和设置，该团队表示，我们需要更多的3D打印研发。在他们的研究中，他们使用7种填充图案，5种打印速度和4种设定的喷嘴温度对工艺进行了研究，并观察并分析了机械，热学和形态学特性。
他们使用了五种直径为1.75毫米的市售材料：
样品是使用SOLIDWORKS设计的，并打印在MakerBot Replicator 2，MakerBot Replicator 2X和MakerBot Replicator Z18上。
试样的3D CAD图像：（a）拉伸，（b）弯曲和（c）压缩。
该团队研究了7种填充图案-猫填充，菱形，六角形，希尔伯特，线性，摩洛哥星和鲨鱼填充-填充密度分别为25％，30％，40％，50％，70％，90％和100％。所有样品均使用两个外壳层，CFR-PLA的印刷床温度在23-70°C之间，三种ABS材料的印刷床温度在110°C之间，以帮助减少收缩和翘曲。
“在所有类型的测试（机械，流变和热测试）的每种测试条件下，准备并测试3个试样，然后取平均值进行数据分析，以提高实验数据的准确性和可靠性，”团队写道。
印刷的压缩试样的外观：（a）PLA，（b）ABS，（c）CFR-PLA，（d）CFR-ABS和（e）CNT-ABS。
首先，对济南3D打印的样品进行机械测试以确定拉伸模量，挠曲模量和压缩性能。研究人员使用差示扫描量热法（DSC）测量了液氮气氛中的熔融和结晶行为，并借助热重分析（TGA）得出了“复合丝的增强体和基体的体积分数”。
印刷拉伸试样的外观：（a）PLA，（b）ABS，（c）PLA放大图和（d）ABS放大图。
使用红外热像仪，他们检测到在打印上图时以100％填充密度，20 mm / s填充速度和215°C设定喷嘴温度释放了多少热量。最后，他们使用扫描电子显微镜（SEM）观察并在机械测试过程中破裂的3D打印样本表面上进行了形态测试。
填充密度会影响毕业设计3D打印零件的强度。通过增加填充密度，您可以增加拉伸模量并降低孔隙率，从而增加“层间机械结合的强度”。
PLA的拉伸模量与填充密度之间的关系。
研究人员指出：“对于纯PLA来说，填充密度为100％的零件获得的最高杨氏模量为1538.05 MPa。”
但是，低填充密度会更频繁地出现结构间隙，从而降低零件强度。在下图中，您可以看到“结构的孔隙率随填充密度的变化。”
具有填充密度的烟台3D打印样本：（a）25％（b）50％和（c）100％。
“测试的填充速度为70至110 mm / s；他们写道：90 mm / s的填充速度提供了纯PLA最高的杨氏模量。
超过90毫米/秒的打印速度可能会导致聚合物长丝熔化，并导致附着力差和强度降低。为了避免这种情况，打印速度必须与设置的喷嘴温度兼容，并且速度和设置的喷嘴温度的适当组合“可以减少正在打印的零件的收缩”。
PLA的拉伸模量与填充速度之间的关系。
在填充密度为50％，速度为90 mm / s，喷嘴温度为215°C的情况下，使用不同的填充图案测试了3D打印的PLA样品。
具有填充图案的青岛3D打印公司样品：（a）线性，（b）六角形，（c）Moroccanstar，（d）Catfill，（e）Sharkfill，（f）钻石和（g）Hilbert。
在这七个图案中，线性图案具有最高的拉伸模量990.5 MPa。这可以证明是合理的，因为线性图案应该具有最佳的层排列（就层之间的粘合而言）和最低的多孔结构。”该团队解释说。
他们发现印刷温度“对拉伸模量有显着影响”。215°C提供了最佳的拉伸性能，因为较低的温度可能导致较差的熔化，从而导致粘结力弱。设置的喷嘴温度和打印速度相关，并且“应根据所使用的材料和要打印的零件几何形状谨慎选择。”
为了研究对拉伸性能的影响，它们印刷有以下参数：填充速度90 mm / s，线性图案，填充密度10％，PLA的喷嘴设置温度为215°C，ABS的喷嘴设置为230°C。研究人员发现，纯PLA的拉伸模量（1538.05 MPa）远远高于纯ABS。
他们写道：“在这项研究中，CFR-PLA的最大拉伸模量为2637.29 MPa，而纯ABS（919.52 MPs）的拉伸强度最弱。”
五种印刷材料的拉伸模量。
用纤维增强ABS和PLA会导致较高的拉伸模量，尽管纯PLA比CNT-ABS强。
即使在90°弯曲时，PLA和ABS样品的中间也只有一个小裂纹，并且没有破裂。
威海3D打印的样品在弯曲测试中。
CFR-PLA在1253.62 MPa时具有最高的弯曲模量，而纯PLA在550.16 MPa时则最低。
在压缩测试期间，没有材料被压碎或破碎，并且发现纯ABS最坚硬。
“显然，纯PLA提供了最高的抗压强度，而CFR-PLA的压缩模量（1290.24 MPa）略高于纯PLA的压缩模量（1260.71 MPa）（衬里区域的梯度更高）。CFR-ABS和CNT-ABS遵循相同的趋势，但CNT-ABS比CFR-ABS略强。“纯ABS的抗压强度和模量最低（478.2 MPa），但在这五种材料中却表现出最大的延展性。”
测试材料的压缩应力-应变曲线。
ANSYS的有限元分析（FEA）用于可视化PLA的拉伸，弯曲和压缩测试的应力分布。
拉伸试验的等效应力分布。
他们解释说：“应力分布表明在试件的标距内会产生均匀的应力。”
“较高的压缩载荷将导致材料内部产生裂纹，从而使PLA过度弯曲。”
该团队通过DSC分析得出结论：“ 3D打印样品的强度取决于设置的打印参数和打印材料，而不是结晶。” 尽管填充速度不同，但是样品的玻璃化转变温度（T g）相似。
他们说：“在这项研究中，通过在打印时向周围的环境释放热量自然地冷却了3D打印部件，”他们说。
在不同的设定喷嘴温度下印刷的PLA零件的DSC曲线。
不出所料，设定的喷嘴温度不会显着影响T g，并且在不同温度下的材料结晶不会真正影响零件强度。但是，拉伸模量确实随温度而变化。
用TGA分析复合材料的重量损失随印刷温度升高的变化。
短纤维增强复合长丝的TGA图。
“ 这些材料的降解温度（T d）可从每条曲线的下降部分的中点确定，对于PLA而言，大约为331.85°C。他们写道，该值与商业PLA数据表中报告的353°C的值存在某种一致性。
纯PLA通常比纯ABS具有更高的杨氏模量，因此它可以帮助“将更高体积分数的增强材料添加到ABS基体中”。如果添加更多的碳纤维，脆性的CFR-PLA和CFR-ABS细丝可能会影响其柔韧性，这会导致细丝喂入问题。
3D打印期间的热图像。
使用红外热像仪观察青岛3D打印。黄色区域最亮，最热：这是聚合物从喷嘴中挤出的地方。在材料开始固化时，颜色变为橙色，并且“红色，粉色，紫色和蓝色区域分别处于较低的温度”。红色圆圈表示打印机壁上的温度-低于实际打印的样本。
研究小组指出：“ SEM图像表明，印刷样品的强度取决于其层的排列。”
PLA样品断面的法线和SEM图像：（a）25％和（b）100％填充密度。
用SEM观察破碎的PLA样品的断裂表面表明：“填充密度为25％的样品的气隙大于填充密度为100％的气隙。”
通过SEM查看填充速度，该团队注意到“最佳有序性”来自90 mm / s的填充速度。
材料基体与增强材料之间的不相容性可能会在济南3D打印服务的样品中造成孔隙，但是青岛3D打印服务的样品“可以通过承受载荷来提高机械性能”。您可以在下面看到，与纯ABS相比，纯PLA具有更规则的层对齐方式。青岛3D打印部件在19倍放大倍数下的SEM图像：（a）PLA，（b）ABS，（c）CFR-PLA，（d）CFR-ABS和（e）CNT-ABS。
CFR-ABS比CFR-PLA多孔，并且比纯净形式的材料都粗糙。
他们解释说：“与此同时，CNT-ABS的单层排列比其他两种碳纤维增强材料更好，而且也比纯ABS更好。”
最后一张SEM图像比较了碳纤维和碳纳米管增强材料的尺寸。CNT-ABS的断裂表面显示出一些小孔，“由于基质中嵌入了碳纳米管”。
他们写道：“与基质增强相容性相比，两种材料在纤维和基质之间都存在裂纹和空隙，显示出某种不相容性。”
“另一方面，尽管CNT-ABS的整体强度得到了提高，但与纯ABS相比，该材料的柔韧性有所下降，因为CNT-ABS较脆。”
断裂表面在1.00 KX放大倍数下的SEM图像：（a）CFR-PLA和（b）CNT-ABS。
他们发现，提高五种3D打印材料性能的最佳设置是100％填充密度，90 mm / s填充速度，设定喷嘴温度215°C和线性填充。在这五种材料中，CFR-PLA的拉伸，弯曲和压缩强度最大，模量最高。
“ 总体而言，显而易见的是，所述一组印刷参数可以显著影响3D的机械性能的印刷部分。可以断言，印刷速度和设定的喷嘴温度应该匹配，以确保长丝适当熔化，并控制材料的固化过程。