AM易道導語：

在FDM3D打印專業用戶和科研“農場主”的日常工作中，如何開拓新材料、開發其工藝參數并且提升3D打印件的機械性能是關注的焦點。

AM易道最新獲悉，來自印度金奈理工學院的研究團隊在《Scientific Reports》上發表了一項工藝研究，他們通過將石墨烯引入PETG材料體系，并采用創新的多準則決策方法優化FDM工藝參數，成功實現了打印件性能的顯著提升。

這項研究不僅為高性能3D打印材料的開發提供了新思路，更為工業級FDM應用提供了可靠的工藝參數優化方案。

PETG的FDM3D打印

PETG（聚對苯二甲酸乙二醇酯）因其優異的化學穩定性、耐久性和易打印性而受到廣泛關注。

然而，傳統PETG材料在機械性能方面仍存在局限性，難以滿足高性能工業應用的需求。

研究團隊創新性地將石墨烯這種具有卓越強度、導電性和導熱性的二維材料引入PETG基體中，開發出了石墨烯增強PETG復合材料（G-PETG）。

如圖1所示，研究團隊采用單螺桿擠出工藝實現了石墨烯在PETG基體中的均勻分散，并成功制備出了標準的1.75mm打印線材。

線材制作工藝：將石墨烯粉體與PETG顆粒按照預定比例（5%石墨烯和95%PETG）充分混合。 隨后，混合物被輸送到溫度和螺桿轉速嚴格控制的單螺桿擠出機中。 在擠出過程中，石墨烯顆粒在熔融態PETG中得到充分分散，形成均勻的復合材料。 經過冷卻系統處理后，材料被制成小顆粒，這些顆粒隨后被二次擠出，最終形成標準的1.75mm打印線材。

在工藝參數優化方面，研究團隊選取了打印速度、行進速度、層高、填充密度、擠出溫度和平臺溫度等關鍵參數進行系統研究。

如表1所示，他們將這些參數劃分為5組不同的工藝方案：

來看看本文是如何實現G-PETG系統化的參數優化研究方法的。

多準則決策為FDM工藝開發

面對FDM工藝參數的復雜性和交互影響，研究團隊創新性地引入了Spice Logic分析層次過程法（AHP）這一先進的多準則決策工具。

如圖2所示，該方法通過建立層次化的決策模型，將打印溫度、層高、填充密度等工藝參數的影響進行系統量化和優先級排序。

研究團隊重點關注了四個關鍵力學性能指標：極限抗拉強度(UTS)、楊氏模量、極限抗彎強度和極限抗壓強度。

通過大量的實驗數據分析，他們發現不同參數組合對這些性能指標的影響存在顯著差異。

如圖3所示的實驗裝置，研究團隊嚴格按照ASTM標準進行了力學性能測試，確保了數據的可靠性和可重復性。

將科學方法論植入工藝優化

研究團隊創新性地將配對比較矩陣引入工藝參數優化過程。

如圖4所示，通過建立準則權重分布圖，他們成功實現了對不同工藝參數重要性的量化評估。

表6展示了研究團隊構建的準則評價配對矩陣，這是整個決策系統的基礎。該矩陣反映了四個關鍵力學性能指標之間的相對重要性：極限抗拉強度、楊氏模量、極限抗彎強度和極限抗壓強度。

通過Saaty量表（1-9級）進行重要性評分，研究團隊發現：

• 極限抗拉強度獲得了0.560的權重，這意味著在所有性能指標中，抗拉性能被認為是最關鍵的

• 楊氏模量的權重為0.186，表明材料的剛性是第二重要的考慮因素

• 抗壓強度和抗彎強度分別獲得0.14和0.112的權重

這種權重分配直接影響了后續工藝參數的優化方向。例如，較高的抗拉強度權重意味著在參數優化時，會優先考慮有利于提高抗拉性能的參數組合。

這種方法不僅提供了清晰的決策依據，更為工藝參數優化提供了可靠的理論指導。

從圖5的實驗數據可以看出，優化后的工藝參數使G-PETG材料展現出優異的綜合性能：

• 最高抗拉強度達到69.1MPa

• 平均楊氏模量提升至735.6MPa

• 彎曲測試結果最高達到87MPa

• 極限抗壓強度達到85.3MPa

AM易道認為，本文展示的基于權重的工藝優化解決了傳統"試錯法"效率低下的問題，更為FDM工藝的智能化優化提供了新思路。

權重分析結果表明，通過科學的參數優化，G-PETG材料在強度、剛度和韌性等方面實現了全面提升。

值得注意的是，研究團隊采用了嚴格的敏感性分析方法驗證了優化結果的可靠性。

如圖7和圖8所示，他們分別研究了不同準則權重變化對優化結果的影響。

結果顯示，即使在準則權重發生較大變化的情況下，優化后的工藝參數仍然保持穩定，這充分證明了該優化方法的魯棒性。

工藝參數優化完整流程圖

研究團隊開發的決策流程（如圖11所示）為工藝參數優化提供了完整的解決方案。

研究團隊設計的決策流程圖展現了一個完整的工藝優化路徑，從應用需求到最終驗證形成了一個閉環的決策系統。

讓我們沿著這個流程逐步深入分析：

起點：葉輪應用需求

流程的起點是"Impeller Application"（葉輪應用），這反映了研究的實際應用導向。研究團隊從具體的工業應用需求出發，確保了優化目標的實際意義。

在葉輪這類高要求的旋轉部件應用中，材料的力學性能和加工工藝的穩定性都是關鍵考量因素。

材料創新階段

第二個關鍵節點是"Thermoplastic Polymer Composite proposed"（熱塑性復合材料方案）。這一階段涉及材料體系的創新設計，即將石墨烯引入PETG基體，形成具有增強效果的復合材料體系。

優化方法選擇

流程圖的核心是"Optimization Using Spice Logic AHP"（使用Spice Logic AHP進行優化）。這反映了研究團隊在眾多優化方法中選擇了最適合的多準則決策工具。

AHP方法的選擇既考慮了問題的復雜性，也權衡了實施的可行性。

決策模型構建

隨后的"Rating Method"（評分方法）和"Create Pairwise Matrix"（建立配對比較矩陣）展示了決策模型的具體構建過程。

這個過程通過文獻研究確定評價準則，通過專家評分建立判斷矩陣，最終形成科學的決策模型。

結果驗證與優化

決策流程的輸出端分為三個并行的驗證路徑：

• "Sensitivity Analysis"（敏感性分析）：評估決策結果的穩定性

• "Comparative Analysis with FAHPT"（與FAHPT的對比分析）：通過不同方法交叉驗證結果

• "Validate by field Experts"（專家實地驗證）：確保優化結果在實際應用中的可行性

AM易道認為，這個決策流程確保了優化結果的可靠性和實用性。這種系統化的決策方法不僅適用于G-PETG材料的工藝優化，也為其他復合材料的工藝開發提供了可借鑒的方法論框架。

對于FDM領域的從業者而言，這個決策流程的價值在于它提供了一個可以推廣應用的工藝優化模板。

通過替換具體的優化目標和評價準則，這個框架可以快速應用于其他材料體系的工藝優化中，大大提高研發效率。

這項研究不僅在技術層面實現了突破，更為FDM技術在高端制造領域的應用提供了新的可能。

優化后的G-PETG材料體系有望在航空航天、汽車制造等高要求領域獲得更廣泛的應用。

面向FDM專業用戶的實踐指南

研究團隊通過系統的參數優化研究，為FDM專業用戶提供了具有重要參考價值的實踐經驗。

在填充模式選擇方面，研究團隊選用了"Line"（線性）填充模式。

這一選擇基于兩個關鍵考慮：

線性填充模式在原材料消耗方面較其他復雜模式（如蜂窩狀、三角形、六邊形等）更為高效；

其次，這種模式能夠確保打印件具有均勻的應力分布，同時保持較快的打印速度。

在溫度控制方面，研究表明擠出溫度在230-250℃范圍內，以240℃為最優值。

這個溫度不僅確保了材料的充分熔融，同時避免了過高溫度導致的材料降解。

平臺溫度保持在90℃左右可以有效防止零件翹曲，提升首層附著力。

在打印參數方面，0.2mm的層高和65%的填充密度提供了最佳的性能平衡。

這組參數在保證零件強度的同時，也實現了較高的打印效率。

研究發現，打印速度對零件性能的影響尤為顯著，50mm/s的速度可以在效率和質量之間取得最佳平衡。

對農場用戶的價值啟示

對于運營3D打印農場的用戶而言，這項研究的價值主要體現在三個方面：

1. 優化后的G-PETG工藝參數可以直接應用于批量生產，顯著提升產品良率。

研究中提出的G-PETG完整工藝參數組合（上文提到）為農場用戶提供了可直接實施的解決方案。

• 擠出溫度：240℃

• 層高：0.2mm

• 填充密度：65%

• 打印速度：50mm/s

• 平臺溫度：90℃

2. 研究提出的多準則決策方法為農場用戶優化其他材料的打印參數提供了可借鑒的方法論。

這種系統化的優化方法可以大大縮短工藝調試周期，降低試錯成本。

3. 研究中發現的材料性能提升為農場用戶開拓高端應用市場提供了可能。

優化后的G-PETG材料在強度、剛度等方面的提升，使其可以滿足更多高要求應用場景的需求。

AM易道最后聊兩句

優化后的G-PETG材料相比傳統PETG實現了全方位提升： 抗拉強度提升約15%，楊氏模量提升近20%。

這種性能躍升源于 石墨烯的均勻分散提供了更有效的力學增強效果，另外是優化后的工藝參數確保了層間結合強度的提高。

AM易道認為，這項研究 展示了先進的決策工具與材料工藝開發的結合創新。

這種創新不僅推動了G-PETG材料的產業化應用， 展望未來，FDM技術在高性能應用領域的潛力將得到進一步釋放。

希望本文的研究能夠帶來啟發。更多研究細節請參考文末的DOI信息。

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Reference:
1.https://doi.org/10.1038/s41598-024-80376-4

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