AM易道導(dǎo)語
3D打印的一個永恒專屬課題：
如何在保持功能性的同時減少材料消耗。
產(chǎn)品設(shè)計師和工程師一直在尋找最佳填充結(jié)構(gòu)和打印參數(shù)，以優(yōu)化強(qiáng)度與材料用量的平衡。
埃及艾因夏姆斯大學(xué)的研究團(tuán)隊Menna G. Aboelella、Samy J. Ebeid和Moustafa M. Sayed在《科學(xué)報告》(Scientific Reports)發(fā)表的研究中發(fā)現(xiàn)：
通過簡單的層組合策略，能顯著提升FDM3D打印PLA結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，且無需增加材料用量。
這一創(chuàng)新方法在不犧牲輕量化的前提下，實現(xiàn)了強(qiáng)度的大幅提升。
創(chuàng)新方法：精準(zhǔn)控制的層組合策略
研究團(tuán)隊使用聚乳酸(PLA)和Ultimaker S5打印機(jī)，系統(tǒng)探究了三種填充模式(三角形、網(wǎng)格和蜂窩)在20%和50%兩種填充密度下的表現(xiàn)，采用以下關(guān)鍵參數(shù)：
噴嘴直徑：0.4mm
層高：0.27mm
打印溫度：210°C
打印速度：60mm/s
實驗設(shè)計：三類創(chuàng)新樣品結(jié)構(gòu)
研究者利用SolidWorks設(shè)計并制造了三類不同的樣品結(jié)構(gòu)，突破了常規(guī)3D打印軟件的限制：
單層結(jié)構(gòu)：
采用單一填充模式，無頂層和底層（圖1）
雙層結(jié)構(gòu)：
關(guān)鍵創(chuàng)新點是第二層相對第一層旋轉(zhuǎn)180度，增強(qiáng)層間互鎖效應(yīng)（圖2）
四層結(jié)構(gòu)：
第二層和第四層相對第一/三層旋轉(zhuǎn)180度，形成交錯結(jié)構(gòu)（圖3）
這種180度旋轉(zhuǎn)策略是本研究的核心創(chuàng)新，通過增大填充結(jié)構(gòu)間的接觸面積，顯著提升了層間結(jié)合強(qiáng)度和荷載傳遞效率。
力學(xué)性能測試：驚人的強(qiáng)度提升
拉伸性能
拉伸強(qiáng)度測試根據(jù)ASTM D638 Type-I標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，樣品規(guī)格為：標(biāo)距長度50mm，標(biāo)距寬度13mm，厚度5mm。
對于單層樣品，填充模式占據(jù)整個5mm厚度；對于雙層樣品，每層厚度為2.5mm；對于四層樣品，每層厚度為1.25mm。
圖4展示了用于拉伸測試的打印樣品。
測試結(jié)果揭示了填充模式和層組合的顯著影響：
20%填充密度：雙層蜂窩結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度提升64%，遠(yuǎn)高于雙層網(wǎng)格(31%)和雙層三角形(52%)
50%填充密度：雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提升56%，顯著優(yōu)于雙層蜂窩(9%)和雙層三角形(20%)
多層結(jié)構(gòu)的卓越性能源于有效的荷載分布機(jī)制：
180度旋轉(zhuǎn)創(chuàng)造了更大的有效橫截面積，使應(yīng)力通過互連填充結(jié)構(gòu)更均勻分布。
壓縮性能
壓縮測試根據(jù)ASTM D695標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，樣品尺寸為12.7mm長、12.7mm寬和25.4mm高。對于單層樣品，填充模式占據(jù)整個25.4mm高度；對于雙層樣品，每層厚度為12.7mm；對于四層樣品，每層厚度為6.35mm。
壓縮測試同樣展現(xiàn)了層組合策略的優(yōu)勢：
20%填充密度：雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)壓縮強(qiáng)度提升47%，優(yōu)于蜂窩(28%)和三角形(17%)
50%填充密度：雙層三角形結(jié)構(gòu)提升41%，優(yōu)于網(wǎng)格(32%)和蜂窩(5%)
下圖詳細(xì)展示了不同樣品在壓縮測試中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以觀察到不同填充模式和層配置對壓縮行為的影響。
下圖直觀地對比了三類樣品在不同填充密度下的壓縮強(qiáng)度值，清晰展示了雙層結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，20%填充密度的多層結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出與50%填充密度單層結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能，證明了低密度多層策略在輕量化設(shè)計中的巨大潛力。
參數(shù)優(yōu)化與預(yù)測模型
研究分析確定了兩個關(guān)鍵影響因素：層數(shù)構(gòu)造（最主要因素）和填充模式類型。
研究團(tuán)隊開發(fā)的預(yù)測模型可準(zhǔn)確估計20%-50%填充密度范圍內(nèi)的機(jī)械性能，誤差率低至±2%，為工程應(yīng)用提供了實用工具。
研究價值與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用
這項研究通過簡單卻高效的層組合策略，在不增加材料用量的前提下顯著提升了3D打印PLA結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，為增材制造領(lǐng)域提供了四大關(guān)鍵價值：
1. 材料效率最大化：
利用結(jié)構(gòu)設(shè)計而非增加材料實現(xiàn)強(qiáng)度提升，符合可持續(xù)制造趨勢
2. 性能優(yōu)化策略：
特定填充模式與密度的最佳組合方案：
拉伸性能：20%填充密度選擇雙層蜂窩(+64%)；50%密度選擇雙層網(wǎng)格(+56%)
壓縮性能：20%填充密度選擇雙層網(wǎng)格(+47%)；50%密度選擇雙層三角形(+41%)
3.輕量化設(shè)計依據(jù)參考：
20%填充密度的雙層結(jié)構(gòu)可達(dá)到50%填充密度單層結(jié)構(gòu)的性能水平
4. 預(yù)測設(shè)計工具：
誤差率僅±2%的性能預(yù)測模型助力工程應(yīng)用
AM易道最后聊兩句
雖然研究已取得重要突破，但仍存在探索空間：
比如使用混合填充模式并且利用AI預(yù)測最佳層組合與填充參數(shù)。
AM易道認(rèn)為，這種參數(shù)類的研究雖然看似簡單，但在航空航天、汽車輕量化部件和生物醫(yī)學(xué)支架等高值應(yīng)用中具有顯著潛力，除性能增強(qiáng)外也同時減少材料消耗和制造成本。
并且能夠未來為AI制造提供可靠的參數(shù)依據(jù)。
文章信息
https://doi.org/10.1038/s41598-025-94446-8
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