设备与方法
在本项研究中，使用了Apium P220工业级熔融沉积制造（FFF）3D打印机，目的是探索碳纤维增强聚醚醚酮（CFR-PEEK）材料在不同工艺参数下的加工表现。利用Apium P220，设计并制造了三种具有不同体积和构建方向的样本：立方体、水平长方体和垂直长方体，如图1。通过调整层厚和打印速度，本研究旨在评估这些变量对材料挤出过程中能耗及成品的尺寸精度的影响。通过对制造出的样品进行能耗和尺寸精度的测量，进一步分析了工艺参数对FFF过程性能的影响。
图1.研究中三种样本类型
结果与讨论
1、能耗与MAR的关系
通过对实验数据进行详细的回归分析，建立了能耗与MAR倒数之间的线性关系模型。回归分析结果如表1所示，无论样本体积大小或构建方向如何，能耗与MAR倒数之间的线性关系均非常显著，决定系数（R²）均超过99%。这一发现表明，在使用CFR-PEEK进行FFF加工时，随着MAR的增加，即单位时间内沉积的材料量增加，所需的能耗显著减少。
表1.能耗的回归模型。** p < 0.05
从图2b中可以更直观地看出，随着MAR的增加，三种样品类型的能耗均呈现出明显的非线性下降趋势。此结果不仅强调了优化MAR以减少能耗的可能性，也揭示了通过调整打印参数来控制材料添加率的重要性。
图2. 每种样本类型在 MAR 上的能耗
2、能耗、尺寸精度与MAR的关系
结果如表2，线性回归分析揭示了能耗与MAR倒数之间存在显著的线性关系，表明随着MAR的提升，能耗呈线性降低，尤其是在垂直构建的样品中，这种趋势更为显著。
表2 .尺寸精度的回归模型** p < 0.05
同时，MAR也被证实为影响尺寸精度的关键线性预测因子，随MAR增加，尺寸误差线性增大，特别是在垂直构建样本中，尺寸精度受MAR影响的程度最为敏感，如图3所示。这些结果强调了在FFF制造过程中，合理选择MAR是优化能耗和尺寸精度之间平衡的关键，尤其对于垂直构建样本而言，需要精准控制MAR以确保既降低生产成本又保证产品质量的目标达成。
图3.每种样本类型的 MAR 对尺寸精度的影响
3、确定适宜MAR以平衡能耗与尺寸精度
在综合考虑能耗和尺寸精度的回归分析基础上，进一步进行了权衡研究，目的是确定一个同时满足这两个性能指标的适宜MAR。经过建模和优化计算，对于不同体积和构建方向的样本，所需的MAR各有差异。如表3和图4所列，小体积样品A的适宜MAR为1.40cm³/s，水平构建的大体积样品B的适宜MAR为1.30cm³/s，而垂直构建的大体积样品C的适宜MAR为1.01cm³/s，后者相对较低。
表3.为整体增材制造性能推导出的适宜MAR
这一差异主要是因为样品C在较高MAR条件下尺寸精度的显著下降，表明在优化MAR以平衡能耗与精度时，对于垂直构建样本的MAR选择需更加审慎。
图4.最大化整体增材制造性能的适宜MAR
结论
优化CFR-PEEK在FFF制造中的MAR以平衡能耗与尺寸精度
通过系统的研究设计，精确的数据收集与分析，揭示了MAR与能耗、尺寸精度之间的定量关系，进而识别了适宜的MAR水平，以平衡这两个性能指标。结果表明，在FFF制造过程中，适当调整MAR不仅可以有效降低能耗，还能显著提高部件的尺寸精度，尤其对于高要求的应用场景如航空航天和医疗领域而言，这一发现具有重要意义。
结合能耗与尺寸精度的回归分析和权衡研究，本文确定了针对不同体积和构建方向的样本的适宜MAR水平，为FFF制造过程中CFR-PEEK材料的应用提供了实践指导。这些发现不仅展示了通过细致调整工艺参数以优化制造性能的可能性，也为增材制造技术在复杂材料系统中的应用提供了宝贵的技术见解。
通过本研究，再次证实了增材制造技术，特别是FFF，在现代制造业中的重要地位，以及高性能材料如CFR-PEEK在实现更高制造效率和更优产品质量方面的潜力。未来，将进一步探索不同材料系统下的工艺参数优化，以及这些参数如何影响更广泛的性能指标，从而推动增材制造技术在更广泛领域的应用和发展。
原文链接：Investigation of an Optimal Material Addition Rate for Energy Consumption and Dimensional Accuracy in Fused Filament Fabrication of CFR-PEEK.DOI：10.3390/polym16040492.
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