摘要
聚乳酸（PLA）作为最常用的FDM 3D打印材料，因其环保、易用且打印温度低而广受欢迎，但也存在脆性大、耐热性差（约60℃）等局限。通过材料改性（如添加纳米材料或共聚物）和工艺参数优化（包括调整层厚、打印角度、温度及填充密度），可显著提升其力学性能、热稳定性及尺寸精度。优化后的PLA在生物医学和工业制造等领域展现出更广阔的应用前景，成为功能型工程材料的潜力巨大。
产品介绍
随着3D打印技术的普及，聚乳酸(PLA)因其环保性和易用性已成为最受欢迎的打印材料之一，但其固有的脆性和热局限性也不容忽视。
随着3D打印技术的快速发展，熔融沉积成型（FDM）已成为最广泛应用的3D打印技术之一。而在众多FDM打印材料中，聚乳酸（PLA）凭借其环保特性和易于打印的特点，成为了初学者和专业用户的首选材料。
PLA是一种源自可再生资源（如玉米淀粉或甘蔗）的生物基材料，可生物降解且打印过程中无有毒气体释放。但PLA也存在明显不足：机械性能有限、耐热性差（约60℃）和应用范围受限。
01 PLA材料的优势与局限性
PLA在3D打印领域的受欢迎程度绝非偶然。其较低的打印温度（通常180-220℃）降低了对打印设备的要求，减少了能源消耗。打印过程中几乎无味，非常适合办公和家庭环境使用。
然而，PLA的局限性同样明显。其脆性大、易断裂的特点使得它不适合制作需要承受较大外力的功能部件。同时，PLA的耐热性较差，在高温环境下容易软化和变形，这限制了它在汽车部件等领域的应用。
PLA还存在环境稳定性问题：暴露在紫外线下或受潮后可能逐渐脆化，缩短产品使用寿命。不同品牌和厂家的PLA质量参差不齐，这种不一致性也会影响打印质量和可重复性。
02 材料改性：增强PLA性能的有效途径
为克服PLA的固有缺陷，研究人员开发了多种改性方法。共混改性是其中最常用的策略之一，通过将PLA与其他材料复合来提升其性能。
研究表明，添加有机改性的蒙脱土可以显著提高PLA打印件的拉伸和弯曲强度，同时增加热分解温度。类似地，通过添加聚己内酯（PCL）和纤维素纳米晶（CNCs）也可以创造增强型可降解复合材料。
这些复合材料的断裂伸长率从6.76%提升至40.25%，韧性从2.94 MJ/m³增至14.48 MJ/m³，同时热稳定性提升至256°C。
共聚改性和表面改性也是改善PLA性能的有效方法。这些改性方法不仅保持了PLA的可生物降解性，还显著拓展了其应用范围。
03 工艺参数优化：提升打印质量的关键
除了材料本身的改进，打印工艺参数的优化也对PLA打印件的性能有着至关重要的影响。多项研究采用不同的实验设计和优化方法，寻求最佳打印参数组合。
研究表明，打印层厚、打印角度、填充密度和打印温度四个工艺参数对PLA制件的拉伸强度有显著影响。通过响应面法优化，研究人员发现当打印层厚为0.2mm、打印角度为70°、填充密度为70%、打印温度为200℃时，FDM打印试件的力学性能最佳。
另一项研究采用基于高斯过程回归的优化方法，聚焦于改善3D打印件在长度和宽度方向上的尺寸偏差。研究选取填充密度、喷头温度、热床温度和打印速度作为影响因子，最终获得最佳打印参数组合为：填充密度61.96%、喷头温度200℃、热床温度50℃和打印速度63.67mm/s，最佳尺寸偏差为0.0716mm。
还有研究发现，分层厚度为0.3mm、打印速度为90mm/s、喷嘴温度为220℃、填充角度为45°/45°时，FDM制件的力学性能最优。这些研究表明，通过系统优化打印参数，可以显著提升PLA打印件的机械性能和尺寸精度。
04 存储与后处理：确保打印质量的重要环节
PLA材料的存储条件对其打印质量和性能保持同样重要。PLA材料容易受潮，暴露在潮湿环境中会吸收水分，导致打印过程中出现气泡和缺陷，甚至使打印件变脆。
建议将PLA材料存放在干燥凉爽的地方，避免阳光直射。不使用时应使用防潮袋包裹，拆开的料要尽快用完，因为自然环境下PLA会有降解特性。
后处理也是改善PLA打印件性能的重要环节。对于某些高性能材料如ULTEM 1010，研究表明通过后处理热处理（225°C）可以消除残余应力而不引起零件变形。虽然这项研究针对的是ULTEM材料，但类似的后处理概念也可能适用于PLA材料，以改善其性能。
05 应用前景与未来发展方向
随着材料改性和打印技术的不断进步，PLA在3D打印中的应用前景十分广阔。在生物医学领域，PLA基材料已被用于制作组织工程支架、药物输送系统和其他医疗设备。
在工业制造领域，改性PLA材料正在突破原有的性能限制，逐步应用于需要更高机械性能和热稳定性的部件。例如，添加碳纤维或木粉的PLA复合材料，既保持了环保特性，又提高了材料的机械强度。
未来，随着立构聚乳酸等新型材料的开发，PLA类材料有望在保持可生物降解性的同时，提供更优异的耐热性和耐水解性。同时，机器学习等先进算法的引入，将进一步提高打印参数优化的效率和精度。
研究表明，当打印层厚为0.2毫米、打印角度为70度、填充密度为70%、打印温度为200摄氏度时，PLA打印件的力学性能达到最佳状态。
改性后的PLA复合材料热稳定性提升至256°C，断裂伸长率提高至40.25%，韧性达14.48 MJ/m³。这些数字标志着PLA已从简单的原型制作材料，逐步过渡到能够满足功能型需求的工程材料。
未来通过材料科学与制造工艺的深度融合，PLA可能会成为高端制造领域的重要选择之一。
