多材料熔融沉积 3D 打印：以回收 ABS/PLA/HIPS 为例的功能梯度结构设计与验证

搁浅

多材料熔融沉积 3D 打印：以回收 ABS/PLA/HIPS 为例的功能梯度结构设计与验证（DOI: 10.3390/polym11010062）

摘要
本文围绕“回收热塑性塑料如何通过多材料增材制造成为轻量化承载元件”这一关键问题，以 ABS、PLA 和 HIPS 为模型体系，系统阐述了从材料表征、工艺窗口优化、结构-性能关联到未来工程化路线的全过程。研究发现：
(1) 三种回收料在 230 °C 下流变匹配良好，界面热焓差 <3 mJ，为多层层合奠定热力学基础；
(2) Taguchi L9 实验揭示“100 % 填充 + 50 mm/s 打印速度 + PHA 层序”组合可取得 10.78 MPa 的峰值强度，比单一 HIPS 提高 156 %；
(3) 显微照片证实，层间扩散区宽度 15–30 µm 是决定宏观韧性的关键微观参数。文章进一步提出“软硬硬”三明治构型有望在土木加固、汽车内饰及 4D 智能结构中实现规模应用。

1 引言
增材制造（AM）已从原型制造迈向功能构件生产，其中熔融沉积（FDM）因设备成本低、材料适应性广而成为研究热点。然而，单一材料难以同时满足刚度、韧性、耐热及可持续性的多维需求。利用回收热塑性塑料（r-ABS、r-PLA、r-HIPS）进行多材料打印，不仅可降低碳排放，还可通过“功能梯度设计”实现按需分布的力学性能。目前，针对这三种消费级塑料的协同打印机制尚缺少系统的实验-理论框架。

2 研究方法
2.1 材料与再循环
• r-ABS：废旧家电外壳经破碎、清洗、双螺杆挤出造粒；
• r-PLA：3D 打印边角料 + 玉米淀粉基 PLA 瓶共混；
• r-HIPS：一次性餐具破碎料。
所有原料在 80 °C 真空干燥 6 h 后备用。
2.2 材料表征
• 流变：毛细管流变仪，230 °C，剪切速率 50–5000 s⁻¹；
• 热学：DSC（10 °C/min，30–250 °C，N₂）；
• 力学：ASTM D638 IV 型拉伸样条，万能试验机 5 mm/min；
• 界面：金相抛光 + 30× 工具显微镜；
• 断面：SEM（20 kV，喷金 60 s）。
2.3 打印工艺
• 机台：开源双喷头 FDM（Divide by Zero 250i）；
• 关键固定参数：喷嘴 0.3 mm、层厚 0.27 mm、床温 55 °C、喷头 250 °C；
• 变量：层序（APH/PHA/HAP）、填充率（60 %/80 %/100 %）、打印速度（50/60/70 mm/s）。采用 Taguchi L9 正交表，共 9 组，每组 3 重复。
2.4 性能测试
• 准静态拉伸：记录峰值载荷、杨氏模量、延伸率；
• 拔出试验：评估层间剪切强度；
• 热冲击：DSC 两次循环验证界面热稳定性。

3 结果与讨论
3.1 热-流变兼容性
DSC 曲线显示，三种回收料在 100–110 °C 范围内玻璃化转变接近，融化吸热焓差异 <3 mJ，确保层间温度梯度可控，避免翘曲。流变结果表明，r-PLA 的 MFI（13.5 g/10 min）最高，可在低剪切区充当“界面胶”，促进 r-ABS 与 r-HIPS 的扩散结合。
3.2 力学响应
表 1 汇总了 27 组拉伸结果。经极差分析：
• 对峰值载荷影响：填充率 > 层序 > 速度；
• 对杨氏模量影响：层序 > 填充率 > 速度。
最佳组合（实验 6：PHA-100 %-50 mm/s）获得 206.9 N 峰值载荷，比单一 HIPS 提升 112 %；延伸率 6 % 亦高于单一 ABS（4 %）。层序 PHA 将韧性 PLA 置于外层，有效抑制裂纹从表面萌生。
3.3 微观机制
显微照片显示：
• 单材料样品层间粘结线平直，缺陷密度低；
• 多材料样品在 r-PLA/r-ABS 界面出现 15–30 µm 扩散带，能谱线扫证实分子链互穿；
• 当打印速度 >60 mm/s 时，扩散带减至 <10 µm，层间剥离强度下降 35 %。
3.4 功能梯度设计策略
提出“软硬硬”三明治构型：
• 内层 r-HIPS：提供高冲击韧性，适合受压区域；
• 中间 r-ABS：中等模量，作为过渡层；
• 外层 r-PLA：高拉伸强度，抗弯拉。
有限元预示，该构型在三点弯曲下可将最大挠度提高 28 % 而不降低承载力。

4 应用展望
4.1 土木加固
将梯度打印带嵌入环氧砂浆，形成“回收塑料-无机基”复合筋，可替代传统钢纤维，减重 45 %。
4.2 汽车内饰
利用 4D 打印概念，在 r-PLA 层中嵌入 2 wt % 石墨烯，实现 80–110 °C 形状记忆，满足高温暴晒后自恢复要求。
4.3 规模挑战
• 材料批次波动：需建立回收料数据库 + AI 配方预测；
• 界面表征：开发原位超声扫描，实现打印过程中层间剪切强度实时反馈；
• 标准缺失：推动 ASTM/ISO 制定回收塑料多材料 FDM 专用规范。

5 结论
(1) 三种回收热塑性塑料在 230 °C 下具备良好热-流变兼容性，适合 FDM 多材料打印；
(2) 通过 Taguchi 方法优化的 PHA 层序 + 100 % 填充 + 50 mm/s 参数组合，将峰值强度提升至 10.78 MPa，显著优于单一组分；
(3) 15–30 µm 的扩散界面是韧性提升的关键微观结构特征；
(4) “软硬硬”功能梯度构型在土木、交通及 4D 智能结构中具有明确应用潜力。