現代科學研究：層高和退火參數對FDM 3D列印零件拉伸強度和尺寸精度的影響的實驗研究
這項研究研究了退火時間、溫度和層高度對三種3D列印材料的抗拉強度和尺寸變化的影響。不同層高度的樣品在60-100°C的溫度下退火，持續30、60和90分鐘。進行了拉伸試驗，并開發了回歸模型來分析這些參數對抗拉強度的影響。
這些模型表現出高精度，最大偏差僅為5%的測量驗證值。模型顯示，與退火時間和溫度相比，層高對抗拉強度的影響要大得多。為每種材料确定了最佳參數組合，PLA在0.1毫米/60分鐘/90°C時表現最佳，PETG和PETGCF在0.1毫米/90分鐘/90°C時達到最佳抗拉強度。
PETGCF在退火後表現出最小的尺寸變化，并且具有所有材料的最佳彈性模量。該研究使用實驗測試和回歸模型來評估在一緻條件下跨多個材料的結果，為正在進行的關于退火對3D列印部件的影響的讨論提供了寶貴的見解。
一、材料和方法
研究的標明材料包括聚乳酸、聚對苯二甲酸乙二醇和碳纖維增強PETG。PLA是一種熱塑性單體，由玉米澱粉或甘蔗等可再生資源生産，與大多數使用化石燃料制造的塑膠不同。PETG，熱塑性聚酯，具有顯著的耐化學性、耐用性和成型性，适合制造。
PETG是從PET中開發的，在分子水準上加入乙二醇，以增強各種化學性質。雖然PETG含有與PET相同的單體，但它更堅固，更耐用，更耐沖擊，并且可以承受更高的溫度。PLA和PETG是3D列印中最常用的長絲材料之一，每種材料都有自己的優點和缺點。
PLA具有較低的熔化和玻璃過渡溫度，在列印過程中不受其周圍環境的影響，是以使用任何FDM列印機都可以輕松列印。然而，它的主要缺點是缺乏強度，由于層對層附着力有限，導緻3D列印模型變脆。另一方面，PETG非常堅固、耐用，并耐高溫、水和化學溶劑，是暴露于惡劣條件或高實體壓力的部件的合适選擇。
二、結果和讨論
3D列印零件的機械強度取決于各種因素，如層高、退火時間和退火溫度。這項研究使用回歸模型研究了這些變量對由三種不同材料制成的3D列印部件的抗拉強度和尺寸變化的影響：PLA、PETG和PETGCF。
為了确定層高、退火時間和退火溫度對抗拉強度的影響，為每種材料開發了單獨的回歸模型。它們的系數為它們對不同材料的抗拉強度的影響提供了寶貴的見解。在測試的所有材料中，LH對抗拉強度的影響明顯大于TTA和TA，LH的系數要大得多。
這種趨勢在PETGCF中尤為明顯。此外，所有材料都表現出LH的負系數，這表明LH的增加會導緻抗拉強度的降低，反之亦然。這可以在資料中觀察到，其中顯示了PLA材料不同層高度的抗拉強度，顯示出下降的趨勢。
回歸模型對于根據輸入參數預測輸出參數很有用，但它們不能提供完整的畫面。對于所有材料，隻有一兩個退火溫度導緻抗拉強度相對顯著增加。PLA材料的拉伸強度在80°C或90°C的溫度下增加。例如，對于分别為0.1毫米、60分鐘和90°C的LH、TTA和TA，與基礎抗拉強度相比，抗拉強度增加了1.22 N/mm2 。
對于PETG，在60或70°C左右的溫度下可以看到抗拉強度的增加。例如，對于分别為0.1 mm、60 min和70°C的LH、TTA和TA，與基礎抗拉強度相比，抗拉強度增加了0.91 N/mm2 。然而，當涉及到PETGCF時，檢測明顯的趨勢更具挑戰性。
對于0.2毫米的層高度，可以注意到，與基礎抗拉強度相比，0.9 N/mm2 、1.38 N/mm2 和0.06 N/mm2 的抗拉強度在70°C時增加，TTA分别為30分鐘、60分鐘和90分鐘。對于0.3毫米的層高度，在大約90°C或100°C的溫度稍高的情況下，所有三個退火的抗拉強度平均增加為1.24 N/mm2 。
三、結論
通常，為給定材料實作最佳列印參數可確定最終部件不需額外的後處理處理，如熱處理，以提高機械性能。然而，選擇最佳的印刷參數可能具有挑戰性，特别是對于該領域的新材料。PLA和PETG是FDM中廣泛使用的材料，由制造公司明确定義并提供列印參數。
在進行不合适的熱處理條件的退火過程時，遵守這些推薦的印刷參數可能是導緻性能增強最小甚至性能下降的主要因素，這是有道理的。本文全面分析了層高和退火過程對3D列印零件的機械和尺寸性能的影響。
然而，該研究僅單獨評估了這些因素，仍然需要一種同時考慮多個标準的方法。是以，未來的工作将涉及使用多标準決策技術，根據最大抗拉強度、最大彈性模量和最小尺寸變化等标準來評估層高和退火過程的最佳組合。此外，利用本研究中開發的回歸模型來進一步優化3D列印過程，并确定實作最佳機械和尺寸屬性的絕對最佳輸入參數集也是有益的。
