在熔融长丝制造过程中，打印压力是影响层间粘接质量和最终构件力学性能的关键工艺参数，然而其生成机制与分布规律长期以来缺乏直接、准确的表征方法。现有模型多基于等温或牛顿流体假设，难以真实反映非等温、非牛顿性的材料沉积过程。为解决以上问题，同济大学的研究团队在Composites Science and Technology发表了相关研究成果。该研究通过构建高保真计算流体动力学模型，并结合高精度力监测平台，系统揭示了打印压力的产生机理及其对微观结构与力学性能的调控作用。论文标题为”Understanding printing pressure on the mechanical performances of 3D printed thermoplastic composites: modelling and experiments”。

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为精确模拟打印过程中的热-流耦合行为，该研究构建了一个非等温、非牛顿流体的CFD模型，采用VOF方法追踪熔体与空气界面，并引入Cross模型结合Arrhenius定律描述材料黏度随剪切速率与温度的变化关系。模型通过设置喷嘴进口速度与平台移动速度的匹配关系，模拟材料从挤出、撞击到铺展的全过程。在数值求解方面，计算域采用六面体结构化网格，最小尺寸为20微米，确保在沉积区捕捉到显著的热梯度与界面动态。为验证模型准确性，研究团队在打印平台下方集成高精度力传感器，实时监测打印过程中的动态载荷。通过信号调理与数据采集系统，将电压信号转换为力值，并结合涡流位移传感器补偿平台平面度误差，提升测量可靠性。实验系统在不同层高、温度、速度与挤出比条件下采集数据，与模拟结果进行对比，最大偏差控制在13.4%以内，显著优于以往间接估算方法。研究发现打印压力主要由两种机制贡献：一是喷嘴对新生材料的压缩作用，二是熔体撞击平台时的动量转化产生的冲击力。随着层高从0.1 mm增至0.25 mm，平均打印压力从0.115 MPa非线性下降至0.076 MPa，压力分布形态由对称圆形渐变为不对称伞形。提高打印温度会降低材料黏度，削弱力传递能力，导致压力每10 K下降约10%–12%。尽管提高打印速度会因剪切稀化降低黏度，但冲击效应占主导，压力仍显著上升。在线宽调控方面，提高挤出比比增大喷嘴直径更能有效提升压力，如在0.5 mm线宽下，压力从0.0636 MPa（0.5 mm喷嘴）提升至0.0704 MPa（0.4 mm喷嘴+125%挤出比），增幅达10.7%。通过微CT图像与空隙统计可见，沉积于平台的样件相比空中挤出的参考样件空隙率大幅降低。当层高从0.2 mm降至0.1 mm时，内部空隙体积分数由4.4%降至0.63%，降幅达85.7%，同时 bead 间空隙也从8.32%降至4.67%，表明高压有效促进了界面贴合与缺陷压缩。层间拉伸试验进一步显示，在0.15 mm层高时层间强度最优，过高或过低的层高会因冷却速率与界面缺陷密度变化导致性能回落。平均打印压力0.115 MPa（0.1 mm层高）→ 0.076 MPa（0.15 mm层高）↓33.9%内部空隙体积分数4.4%（0.2 mm层高）→ 0.63%（0.1 mm层高）↓85.7%打印压力0.0636 MPa（0.5 mm喷嘴）→ 0.0704 MPa（0.4 mm喷嘴+125%挤出比）↑10.7%该模型明确了压力通过压缩空隙和扩大界面接触提升打印质量的机制，SEM断口显示优化压力后断面呈现 bead 撕裂特征，印证层间结合增强；研究为工艺参数选择提供定量依据，如追求强度需平衡层高与挤出比，避免过热与变形，为高性能复合材料打印提供理论与实验支持。

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图1 （a）打印力监测系统示意图；（b）用于补偿构建平台表面不平度的涡流传感器示意图

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图2 （a）沿构建方向打印板的尺寸；（b）参考ASTM D638-22的拉伸试样；（c）单轴拉伸实验设置

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图3 CFD模型示意图

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图4 条件12下的模拟结果：（a）构建平台上的压力分布；（b）模拟前1.5秒内构建平台上的载荷；（c）线宽直径圆形区域内的归一化打印压力

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图5 随层高增加，（a）打印压力、（b）平台压力分布、（c）新生材料形状与（d）速度分布的变化

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图6 随打印温度升高，（a）平台压力分布、（b）打印压力与（c）新生材料黏度分布的变化

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图7 随打印速度增加，（a）打印压力、（b）平台压力分布、（c）黏度分布与（d）速度分布的变化

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图8 （a）不同打印线宽下的打印压力；（b）不同挤出比下的压力分布；（c）不同挤出比下沉积材料形状差异

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图9 样品的微CT图像：（a）空中挤出；（b）0.2 mm层高打印；（c）0.1 mm层高打印

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图10 单轴拉伸试验中层间断裂形貌的SEM图像原始文献：Tong, X., Fu, K., Zhang, Z., Zhang, J., Guo, Y., & Li, Y. (2025). Understanding printing pressure on the mechanical performances of 3D printed thermoplastic composites: modelling and experiments.Composites Science and Technology, 270, 111274.原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2025.111274责任编辑：复小可 本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请点击举报。