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FDM打印PLA_碳纤维复合材料力学性能各向异性研究1

FDM打印PLA_碳纤维复合材料力学性能各向异性研究

FDM打印PLA碳纤维复合材料力学性能各向异性研究

摘要

本研究聚焦于熔融沉积成型(FDM)技术制备的聚乳酸(PLA)碳纤维复合材料力

学性能各向异性问题。通过系统实验与理论分析，揭示材料在不同打印方向上的力学性

能差异及其形成机理。研究采用正交实验设计，考察打印温度、层厚、填充密度等工艺

参数对材料拉伸强度、弯曲强度和冲击韧性的影响规律。建立各向异性力学性能预测模

型，为优化打印工艺参数提供理论依据。研究成果将为FDM打印PLA碳纤维复合材

料在航空航天、汽车轻量化等领域的应用提供重要参考。

引言与背景

1.1研究背景

增材制造技术作为”中国制造2025”重点发展领域，近年来取得突破性进展。根据

《中国增材制造产业发展报告(2022)》显示，2021年我国增材制造产业规模已达210亿

元，同比增长25.3%。其中，熔融沉积成型(FDM)技术因其成本低、操作简便等优势，

占据增材制造市场40%以上份额。然而，FDM打印件普遍存在力学性能各向异性问

题，严重制约其在工程领域的应用推广。

1.2研究意义

PLA碳纤维复合材料作为FDM技术常用材料，兼具PLA的生物降解性和碳纤维

的高强度特性。研究表明，添加碳纤维可使PLA拉伸强度提高3050%，但各向异性问

题更加突出。系统研究该材料力学性能各向异性规律，对突破FDM技术工程应用瓶颈

具有重要意义。研究成果可为《“十四五”智能制造发展规划》中提出的”增材制造专用材

料性能提升”目标提供技术支撑。

1.3国内外研究现状

国外学者如Wang等人(2021)通过实验发现，PLA碳纤维复合材料在0°打印方

向拉伸强度可达85MPa，而90°方向仅为32MPa。国内张明团队(2022)建立了FDM

打印件各向异性预测模型，但未考虑碳纤维增强效应。现有研究多集中于单一工艺参数

影响，缺乏系统性的多因素交互作用分析。本研究将填补这一空白，为FDM打印工艺

优化提供更全面的理论指导。

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研究概述

2.1研究目标

本研究旨在揭示FDM打印PLA碳纤维复合材料力学性能各向异性形成机理，建

立工艺参数微观结构宏观性能的映射关系。具体目标包括：(1)量化分析不同打印方向

力学性能差异；(2)确定关键工艺参数影响规律；(3)构建各向异性预测模型；(4)提出

工艺优化方案。研究将实现材料利用率提升15%以上，关键力学性能提高20%以上。

2.2研究内容

研究内容主要包括四个方面：(1)材料制备与表征：采用不同碳纤维含量(5wt%、

10wt%、15wt%)的PLA复合材料进行打印；(2)力学性能测试：按照ASTMD638、

D790标准进行拉伸、弯曲和冲击试验；(3)微观结构分析：利用SEM观察断口形貌，

XRD分析结晶度；(4)数值模拟：基于ABAQUS建立各向异性本构模型。研究将形成

完整的”工艺结构性能”关系数据库。

2.3技术路线

研究采用”实验设计性能测试机理分析模型构建”的技术路线。首先通过正交实验设

计确定关键工艺参数组合；然后进行系统力学性能测试；接着通过微观表征揭示各向异

性形成机理；最后建立预测模型并验证。技术路线体现了”现象机理应用”的研究逻辑，

确保成果的系统性和实用性。

政策与行业环境分析

3.1国家政策支持

《“十四五”智能制造发展规划》明确提出要”发展增材制造专用材料及装备”。《新材

料产业发展指南》将高性能复合材料列为重点发展方向。科技部”增材制造与激光制造”

重点专项2023年申报指南中，专门设立”增材制造材料结构一体化设计与性能调控”研

究方向。这些政策为本研究提供了良好的外部环境。

3.2行业发展现状

根据《2022年中国增材制造产业发展白皮书》，FDM技术设备年销量已突破5万

台，市场规模达80亿元。航空航天领域对轻量化复合材料需求旺盛，预计2025年市场

规模将达200亿元。汽车行业采用FDM技术制造原型件的比例已达35%，但对材料性

能要求不