3D打印PLA颗粒和线材的加工特性分析

    研究证实，采用颗粒状聚乳酸（PLA）进行三维打印的成本低于线材形式，且打印效率更高，但此前针对成品部件的可靠性对比研究尚未开展。

    欧洲航天局支持的《增材制造》期刊近期刊载了一项新研究，该研究对颗粒挤出与线材挤出工艺制备的PLA打印件强度及整体质量进行了系统性比较。

    研究团队负责人HandaiLiu等人在论文《基于颗粒的材料挤出工艺制备PLA打印件的机械性能与线材工艺相当：综合性分析》中指出，"颗粒材料挤出（GME）与长丝材料挤出（FME）工艺制备的打印件在拉伸性能、弯曲强度与模量、冲击强度等关键指标上均未呈现统计学显著差异（p>0.05）。"

    Liu提到，"既往研究结论存在分歧，部分实验显示GME工艺打印件的机械性能弱于FME工艺，而其他研究则表明两者性能相当或GME略优。"但他指出，这些研究"仅聚焦拉伸或弯曲性能单项评估"，且"缺乏支撑结论的明确机制解释"。

    为全面揭示打印件的综合机械性能，Liu的团队采用了拉伸测试、冲击测试、三点弯曲测试及硬度测试等多维度分析手段。此外，研究还结合扫描电子显微镜（SEM）、差示扫描量热法（DSC）、热成像、流变测试及凝胶渗透色谱（GPC）等技术对打印件进行了深度表征。

    实验选用荷兰Wateringen公司RealFilament生产的直径1.75毫米PLA线材作为原料。颗粒材料则通过将同批次线材剪切为1-2.5毫米碎片制备而成。打印设备为CrealityEnder3Pro机型，默认配置用于线材打印测试，颗粒打印测试则通过加装Mahor颗粒挤出喷头及Nema17步进电机驱动的单螺杆挤出机构进行改装。

    两种打印工艺的参数设置基本一致，仅挤出速度与打印速度根据工艺特性进行了调整。

    根据这项新研究，采用颗粒状PLA进行三维打印可获得与线材工艺相当的打印质量。

    尽管整体性能相近，研究仍发现部分指标存在差异。颗粒打印样品的平均分子量高于线材样品，这可能源于颗粒挤出室的实际加工温度较低——"由于加热组件、热敏电阻与熔融腔体的空间布局差异，颗粒挤出工艺的熔融温度略低于线材工艺。"研究解释称。

    分子量的提升有助于增强聚合物的拉伸、弯曲及冲击性能，这是因为高分子量聚合物在无定形区的分子链缠结程度更高，运动阻力更大。因此，颗粒样品的拉伸强度、弯曲强度及冲击强度测试结果略优于线材样品。

    然而，颗粒打印件的平均硬度值略低于线材样品。颗粒样品的肖氏D硬度平均值为81.44，线材样品则为82.28。这可能与其表面粗糙度较高及密度略低有关。

    Liu总结指出，鉴于颗粒材料与线材材料打印件的机械性能相当，采用颗粒工艺可省去线材制备环节，从而降低时间与经济成本。

    尽管本研究未涉及回收材料或废料的应用评估，但研究认为颗粒工艺"具备直接利用热塑性废料进行打印的能力"，这"有助于节省成本、减少环境影响，并简化三维打印工作流程"。