多材料增材制造在可持续创新材料与结构中的应用研究综述

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多材料增材制造在可持续创新材料与结构中的应用研究综述（ 10.3390/polym11010062）

摘要
随着增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的快速发展，其在功能原型、结构构件及机械超材料领域的应用日益广泛。本文基于《Multi-Material Additive Manufacturing of Sustainable Innovative Materials and Structures》一文，综述了利用熔融沉积建模（FDM）技术进行多材料3D打印的研究进展。研究选取了三种回收热塑性聚合物——丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）和高抗冲聚苯乙烯（HIPS），通过多材料组合打印，探讨其在力学性能、热性能及微观结构方面的表现。结果表明，多材料打印不仅能有效提升材料的综合性能，还为可持续结构设计与功能集成提供了新路径。

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一、引言
增材制造技术，尤其是FDM，因其低成本、操作简便和材料适应性强，已成为制造聚合物功能原型的重要手段。近年来，随着多材料打印技术的兴起，研究人员开始探索将不同性能的材料组合在一个构件中，以实现结构性能的优化与功能集成。
本研究聚焦于三种常见的回收热塑性材料：ABS、PLA和HIPS。它们在力学性能、热性能及加工特性上各具优势，适合通过多材料打印实现性能互补。

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二、材料与方法
研究中使用的三种材料分别具有以下特点：

• ABS：高韧性、良好成型性、低热导率；
• PLA：生物可降解、良好的结晶性和生物相容性；
• HIPS：低成本、高抗冲击性、易加工。
  

通过双螺杆挤出机制备出直径为1.75 ± 0.05 mm的丝材，并在双喷头FDM设备上进行打印。试样采用ASTM D638 Type IV标准，设计了三种材料组合方式：

• APH：底层ABS，中层PLA，顶层HIPS；
• PHA：底层PLA，中层HIPS，顶层ABS；
• HAP：底层HIPS，中层ABS，顶层PLA。
  

变量包括填充率（60%、80%、100%）和打印速度（50、60、70 mm/s），采用Taguchi L9正交实验设计。

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三、热性能分析
通过差示扫描量热法（DSC）测试发现，三种材料的玻璃化转变温度和热焓值相近，表明它们在热性能上具有良好的兼容性。ABS、PLA和HIPS的吸热焓分别为13.63 mJ、14.71 mJ和11.71 mJ，放热焓也处于相似范围，说明在多材料打印过程中，层间结合良好，热应力较小。

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四、力学性能测试结果
力学测试结果显示，多材料打印样件在拉伸强度、延展性和杨氏模量等方面表现出显著差异：

• 峰值载荷：实验3（APH组合，100%填充，70 mm/s）表现最佳，达206.9 N；
• 峰值强度：实验6（PHA组合，100%填充，50 mm/s）达10.78 MPa；
• 延展性：实验6的峰值延展长度为4.56 mm，优于单一材料；
• 杨氏模量：部分多材料组合的模量甚至高于单一材料，显示出协同增强效应。
  

此外，拉拔测试表明，多材料组合可显著提升HIPS的强度，从27.4 kg/mm²提升至28.81 kg/mm²。

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五、微观结构分析
通过30倍显微镜观察发现，单一材料打印样件层间排列紧密、结构均匀；而多材料样件在层间结合处存在一定的不均匀性，尤其在材料过渡区域。但在优化参数下（如实验6），多材料样件仍能保持良好的层间结合与结构完整性。

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六、结论与展望
本研究验证了利用FDM技术进行多材料打印的可行性，并展示了其在提升材料性能、实现功能集成方面的潜力。主要结论如下：

• ABS、PLA和HIPS在热性能上兼容性良好，适合多材料打印；
• 多材料组合可显著提升构件的力学性能，尤其在拉伸强度和延展性方面；
• 打印参数（如填充率、速度、材料顺序）对最终性能有显著影响；
• 多材料打印为回收塑料的高值化利用提供了新路径，符合可持续发展理念。
  

未来研究可进一步探索更多材料组合、优化界面结合机制，并将多材料打印技术应用于4D打印、自组装结构及智能材料系统中，推动其在建筑、航空、医疗等领域的广泛应用。