Experimental analysis and predictive modeling of the tensile and flexural strength of FDM-printed PLA for clinical devices

想象一个这样的世界：医生用来治愈病人的工具不再是工厂大规模生产的，而是根据患者身体的独特形状进行量身定制、逐一打造的。这就是增材制造（通常被称为3D打印）所承诺的前景。与从固体块中切除材料的传统方法不同，这项技术是通过逐层堆叠物体来构建的，就像堆叠薄薄的面团片，直到形成一个面包卷。这种工艺最常用的材料之一是源自玉米淀粉或甘蔗的塑料，被称为聚乳酸（PLA）。它之所以受到青睐，是因为它对人体安全，能随时间自然降解，且相对容易打印。然而，为了让这些打印出的物体能够作为医疗器械使用，例如手术导板或定制植入物，它们必须足够坚固，能够承受人体内部的力量而不会折断或弯曲。挑战在于，3D打印机铺设这种塑料的方式会在材料内部产生微小的弱点，使得材料在受到不同方向的拉力或压力时表现出不同的特性。

突尼斯马纳尔大学和莫纳斯提尔大学的研究小组致力于通过将3D打印过程视为一种精确的“配方”来解开这个谜题。他们想要准确了解三个特定设置——每层塑料的厚度、打印机的移动速度以及喷嘴挤出的额外塑料量——是如何改变最终物体的强度的。虽然科学家们早已知晓层厚度和速度非常重要，但挤出的塑料量（即挤出比）却一直是一个谜。研究人员怀疑，挤出比略高于标准设置的量可能会填补层与层之间的微小间隙，从而创造出更致密、更坚固的部件。为了测试这一点，他们没有依赖猜测。相反，他们打印了数百个小型测试件，每个测试件都具有这三个设置的不同组合，然后对它们进行了严格的物理测试。他们通过拉伸测试件来测量其抗拉强度（即破坏它们所需的力），并通过弯曲测试来测量其抗弯强度（即它们抵抗压力而不折断的能力）。

结果揭示了一个关于这些打印部件如何结合在一起的清晰且令人惊讶的事实。研究人员发现，喷嘴挤出的塑料量是决定强度的最重要因素。当他们将挤出比提高到110%时（即比标准设置多挤出10%的材料），塑料内部的间隙和微小孔洞几乎完全消失了。这一简单的调整改变了材料，使其变得显著更加坚韧。他们发现，打印出的部件具有天然的各向异性，这意味着它们在某些方向上比其他方向更强。在弯曲测试中，部件可以承受34到51兆帕的力，但在直接拉伸测试中，它们只能承受12到24兆帕。这种差异发生的原因是，层与层之间在外部融合在一起，但在被直接拉开时更容易分离。

为了找到创造最强医疗器械的完美平衡点，该团队使用数学方法分析了所有数据并预测了理想的设置。他们确定，要实现强度和刚性的最大化，最佳组合是使用0.20毫米的层厚、40毫米/秒的打印速度以及那个至关重要的110%挤出比。当他们在新的样本上测试这些特定设置时，实际结果与他们的预测高度吻切，误差小至1.89%，且不超过6.32%。这种高水平的精确度证实了，通过仔细控制沉积材料的量，工程师可以消除通常困扰3D打印部件的薄弱环节。该研究结论指出，这种优化方法为制造高性能PLA组件提供了一个可靠的蓝图，为制造既轻便又极其耐用的定制医疗工具、植入物和其他设备提供了前进的路径。