(翻译整理：张鑫  选稿校对：张鑫)

增材制造是一种通过连续添加材料来构建物理3D几何形状的制造技术，是生产下一代复合材料的新兴技术。由于环境问题，生物基和天然纤维复合材料的研究也越来越多。尽管就技术成熟度而言，生物复合材料的发展仍处于初级阶段，但3D打印代表着首次在与合成材料相同的时间尺度上开发生物复合材料的巨大机遇。

为了研究切片参数(层高(LH)、丝间距(ID)、行程数(NT)和层数(NL))对亚麻/聚乳酸复合材料几何形状(打印精度)、微观结构和拉伸性能的影响，法国南布列塔尼大学的A.Le Duigoua(第一作者、通讯作者)团队在《Composites Part B》上发表了题为“Tailoring the mechanical properties of 3D-printed continuous flax/PLA biocomposites by controlling the slicing parameters”的文章。

在工艺方面，此研究使用了聚合物涂层和浸渍共挤出工艺生产的亚麻长丝，直径为503±47μm。，在打印过程中，使用平头喷嘴压缩长丝并将其缠绕在一起。喷嘴和热板的温度分别设置为195℃和60℃。打印速度为6 mm/s，所有样品均采用直线填充图案打印。

此研究进行了一系列的拉伸试验。根据ISO527-4标准，将拉伸试验试件的几何形状设置为长100mm，宽17mm，厚1 mm，并黏贴3毫米厚的玻璃/环氧加强片。拉伸试验在MTS 5kN装置上进行，十字头置换速度为1 mm/min，受控环境(23℃和50%相对湿度)。用夹具测量拉伸应变，在0.05%到0.1%的应变范围内测定纵向拉伸模量E_L1。

长丝的制造工艺对最终打印的结果是有影响的。在此研究中连续亚麻/聚乳酸生物复合材料长丝(CFF/PLA)表面不规则，导致纤维呈不完全圆形(如图1所示)，这主要是由于共挤出过程和纤维束的扭曲结构造成的。

图1 共挤出连续亚麻/聚乳酸生物复合丝的横截面

图2是对文中四种打印切片参数的说明。

图2 连续亚麻/聚乳酸生物复合材料的打印工艺示意图和相应的切片参数，

即丝间距离(ID)、层数(NL)、层厚(LT)和行程次数(NT)。

图3 (a)CFF/PLA复合材料在印刷过程后测量某一层的实际层厚度(LT)随编程层高度(LH)的变化。(b)不同LHs的CFF/PLA复合材料表面照片(虚线表示每个样本的边缘)

表2 CFF/PLA复合材料在不同层高(LH)下的拉伸性能

如图3和表2所示，层高控制打印过程中的单丝紧凑度。当LH值从0.6 mm降低到0.2 mm时，单层厚度减小，孔隙率降低，拉伸性能增加(硬度和强度增加210%)。

图6 (a)不同层高(0.2、0.3和0.6 mm)下，实际层厚(在一层上测量)随行程次数(NT)的变化。(b)行程次数对印刷CFF/PLA复合材料厚度和宽度的影响示意图。

图11 (a)平均层厚随不同层高(0.2、0.3和0.6 mm)层数(nT=10)的变化(NT=10)；(b)实际层厚随层数(n◦1至10)的变化；(c)10层CFF/PLA层的显微横截面，显示通过层压板(LH=0.3 mm)的结构差异

表4 CFF/PLA复合材料在不同层数(NL)下的拉伸性能

如图6，图11和表4所示，当NL从1增加到10时，由于n层对n-1层起到了压实作用增强，拉伸性能变好(+50%的模量和+73%的强度)。

另外，NT和ID分别控制喷嘴和相邻单丝之间的可用空间。这会显著影响样本的平均层厚度和整体几何形状。由于相邻效应，将NT从1增加到18会减少每个单丝的聚合物基质流动的可用空间。

总之，增材制造是一项新兴技术，旨在生产目前因缺乏应用材料而受到限制的下一代复合材料。在当前环境问题的背景下，有必要开发环境影响更低的生物基材料。3D打印代表着生物复合材料首次在与合成材料相同的时间尺度上发展的巨大机遇。用于3D打印的大多数天然纤维复合材料包括机械性能适中的短天然纤维。一种替代方案是开发连续的天然增强聚合物来改善这些机械性能。

本文的目的是首次深入研究切片参数(层高(LH)、丝间距(ID)、行程数(NT)和层数(NL))对最终样品几何形状(打印精度)、微观结构和拉伸性能的影响，以期设计出一种具有定制性能的新型3D打印连续亚麻/聚乳酸生物复合材料。

本文介绍的连续亚麻/聚乳酸复合材料的3D打印工艺下生产，并进行了大量拉伸性能实验，这些性能大大高于目前公布的天然短纤维打印复合材料。拉伸性能与连续玻璃纤维/PA打印复合材料可相媲美。这证实了连续亚麻纤维增强打印复合材料有望成为具有多种高性能的复合材料。这开启了生物复合材料的新设计时代，它具有多功能和颠覆性制造工艺的附加值。

参考文献：

[1] Le Duigou A, Chabaud G, Matsuzaki R, et al. Tailoring the mechanical properties of 3D-printed continuous flax/PLA biocomposites by controlling the slicing parameters[J]. Composites Part B: Engineering, 2020: 108474.

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