FDM3D打印层组合填充模式提高PLA部件强度，Nature小子刊发表

AM易道导语

3D打印的一个永恒专属课题：

如何在保持功能性的同时减少材料消耗。

产品设计师和工程师一直在寻找最佳填充结构和打印参数，以优化强度与材料用量的平衡。

埃及艾因夏姆斯大学的研究团队Menna G. Aboelella、Samy J. Ebeid和Moustafa M. Sayed在《科学报告》(Scientific Reports)发表的研究中发现：

通过简单的层组合策略，能显著提升FDM3D打印PLA结构的机械性能，且无需增加材料用量。

这一创新方法在不牺牲轻量化的前提下，实现了强度的大幅提升。

创新方法：精准控制的层组合策略

研究团队使用聚乳酸(PLA)和Ultimaker S5打印机，系统探究了三种填充模式(三角形、网格和蜂窝)在20%和50%两种填充密度下的表现，采用以下关键参数：

• 喷嘴直径：0.4mm

• 层高：0.27mm

• 打印温度：210°C

• 打印速度：60mm/s

实验设计：三类创新样品结构

研究者利用SolidWorks设计并制造了三类不同的样品结构，突破了常规3D打印软件的限制：

单层结构：

采用单一填充模式，无顶层和底层（图1）

双层结构：

关键创新点是第二层相对第一层旋转180度，增强层间互锁效应（图2）

四层结构：

第二层和第四层相对第一/三层旋转180度，形成交错结构（图3）

这种180度旋转策略是本研究的核心创新，通过增大填充结构间的接触面积，显著提升了层间结合强度和荷载传递效率。

力学性能测试：惊人的强度提升

拉伸性能

拉伸强度测试根据ASTM D638 Type-I标准进行，样品规格为：标距长度50mm，标距宽度13mm，厚度5mm。

对于单层样品，填充模式占据整个5mm厚度；对于双层样品，每层厚度为2.5mm；对于四层样品，每层厚度为1.25mm。

图4展示了用于拉伸测试的打印样品。

测试结果揭示了填充模式和层组合的显著影响：

20%填充密度：双层蜂窝结构的拉伸强度提升64%，远高于双层网格(31%)和双层三角形(52%)

50%填充密度：双层网格结构提升56%，显著优于双层蜂窝(9%)和双层三角形(20%)

多层结构的卓越性能源于有效的荷载分布机制：

180度旋转创造了更大的有效横截面积，使应力通过互连填充结构更均匀分布。

压缩性能

压缩测试根据ASTM D695标准进行，样品尺寸为12.7mm长、12.7mm宽和25.4mm高。对于单层样品，填充模式占据整个25.4mm高度；对于双层样品，每层厚度为12.7mm；对于四层样品，每层厚度为6.35mm。

压缩测试同样展现了层组合策略的优势：

20%填充密度：双层网格结构压缩强度提升47%，优于蜂窝(28%)和三角形(17%)

50%填充密度：双层三角形结构提升41%，优于网格(32%)和蜂窝(5%)

下图详细展示了不同样品在压缩测试中的应力-应变曲线，可以观察到不同填充模式和层配置对压缩行为的影响。

下图直观地对比了三类样品在不同填充密度下的压缩强度值，清晰展示了双层结构的优势。

关键发现是，20%填充密度的多层结构展现出与50%填充密度单层结构相当的机械性能，证明了低密度多层策略在轻量化设计中的巨大潜力。

参数优化与预测模型

研究分析确定了两个关键影响因素：层数构造（最主要因素）和填充模式类型。

研究团队开发的预测模型可准确估计20%-50%填充密度范围内的机械性能，误差率低至±2%，为工程应用提供了实用工具。

研究价值与产业应用

这项研究通过简单却高效的层组合策略，在不增加材料用量的前提下显著提升了3D打印PLA结构的机械性能，为增材制造领域提供了四大关键价值：

1. 材料效率最大化：

利用结构设计而非增加材料实现强度提升，符合可持续制造趋势

2. 性能优化策略：

特定填充模式与密度的最佳组合方案：

• 拉伸性能：20%填充密度选择双层蜂窝(+64%)；50%密度选择双层网格(+56%)

• 压缩性能：20%填充密度选择双层网格(+47%)；50%密度选择双层三角形(+41%)

3.轻量化设计依据参考：

20%填充密度的双层结构可达到50%填充密度单层结构的性能水平

4. 预测设计工具：

误差率仅±2%的性能预测模型助力工程应用

AM易道最后聊两句

虽然研究已取得重要突破，但仍存在探索空间：

比如使用混合填充模式并且利用AI预测最佳层组合与填充参数。

AM易道认为，这种参数类的研究虽然看似简单，但在航空航天、汽车轻量化部件和生物医学支架等高值应用中具有显著潜力，除性能增强外也同时减少材料消耗和制造成本。

并且能够未来为AI制造提供可靠的参数依据。

文章信息

https://doi.org/10.1038/s41598-025-94446-8

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