基于标准熔融长丝制造 （FFF） 的 3D 打印机由聚乳酸 （PLA） 等热聚合物制造零件。一系列新的金属基PLA复合材料为这种3D打印机提供了一系列新的潜在工程材料。目前，这些复合材料的材料数据有限，特别是热性能表征。

因此，这些材料不可能应用于功能工程系统。本研究旨在通过量化铜填充、青铜填充、磁性铁PLA和不锈钢PLA复合材料的热性能来填补知识空白，并深入了解FFF复合材料3D打印的技术考虑因素。

具体而言，本研究探讨了复合材料微观结构与印刷参数的相关性，并提供了热导率分析结果作为印刷基体特性的函数。考虑到与长丝原始体积分析的相对偏差，结果表明打印操作显著影响了所得组件密度。

然而，实验收集的热导率值与文献中的理论模型无关，需要更严格的定量练习来确定真实孔隙率百分比，以准确模拟空气孔体积分数对热导率的影响。尽管存在这种限制，但提供的热导率值可用于使用这些基于PLA的复合材料将热导率设计成3D打印部件。最后，回顾了这种看起来有金属但导热系数低的3D打印材料的几个高价值应用。

Adrian Bowyer发布的开源RepRap（自我复制快速原型）3D打印机大大加速了3D打印的采用。标准 RepRap 3D 打印机使用熔丝制造 （FFF）制造零件，这种开源设计现在构成了部署的3D打印机的大多数。

由于RepRap组件的成本已降至500美元以下，并且可以以1000-2200美元的价格购买高质量的商业RepRaps组装，因此在发展中国家和发达国家使用3D打印进行分散制造的潜力是可行的。这种分散的数字制造大大降低了印刷小批量特种产品的成本。例如，小批量生产适合3D打印;高度可定制的对象、功能原型和维护/更换组件。先前的研究表明，这种制造不仅可以降低消费者甚至简单产品的成本，而且对环境的影响也较小。

传统的FFF 3D打印机主要用ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）和PLA（聚乳酸）的硬热聚合物打印，然而，市场上还有许多其他材料可用于消费FFF 3-D打印，包括尼龙，聚碳酸酯，高密度聚乙烯，高抗冲聚苯乙烯。此外，还有许多新的功能材料，包括黑暗中的发光，柔性，水溶性（PVA），导电PLA，HIPS，INVOA-1800，Laybrick，Laywoo-D3，铜填充，青铜填充，磁性铁PLA和不锈钢PLA。

一种功能是将金属/聚合物基复合材料用于热应用。例如，使用FFF印刷技术制造的铁/尼龙原料已被证明适用于快速模具嵌件。发现基体的导热系数与金属填料添加剂的导热系数成正比。同样，将铁粉实施到ABS基体中将提高聚合物基体的玻璃化转变温度，从而降低潜在注塑材料的软化点。

与传统方法相比，金属/聚合物复合材料的3D打印制造已被证明可以提高尺寸稳定性，同时降低制造成本。已经提出了增强导热聚合物/金属复合材料;杂化填料，纳米多孔颗粒嵌入，聚丙烯复合材料与石墨和炭黑以及用于散热的聚合物复合材料正在许多工程领域扩展。

一系列新的开放式金属基PLA复合材料已推向市场，提供了一系列新的潜在工程材料。目前，可用的材料数据有限，特别是热性能表征。因此，这些材料不可能应用于功能工程系统。本研究旨在通过量化铜填充、青铜填充、磁性铁PLA和不锈钢PLA复合材料的热性能来填补空白，并为FFF复合材料3D打印的技术考虑提供见解。具体来说，将了解复合微观结构以及打印参数与最终性能的相关性。

我们分析了四种金属/聚合物复合材料：铜填充，青铜填充，不锈钢PLA和磁性铁PLA。ColorFabb和ProtoPasta（不锈钢PLA和磁性铁PLA）是这些复合长丝类型的唯一主要供应商。复合长丝是PLA/PHA与金属粉末添加剂（例如铜，青铜，铁素体铁和不锈钢）的混合物。

用于此分析的灯丝材料根据各自供应商的标准包装要求以 0.75 kg 线轴形式获得。由于采用3D打印机设计，选择2.85毫米（0.112英寸）±0.05毫米（±0.001英寸）的标称灯丝直径进行开发。

ColorFabb的技术数据表表明，铜填充和青铜填充的最大抗拉强度分别为25和30 MPa。此外，铜填充的弯曲强度和弯曲模量分别为40 MPa和7.0 GPa，青铜填充的弯曲强度和弯曲模量分别为40 MPa和9.0 GPa。

ProtoPasta不报告机械性能信息，但是，由于配方和材料类型的相似性，预计最大拉伸强度，弯曲强度和弯曲模量与ColorFabb的报告值相对相似。此外，制造条件和/或加工方法未在ColorFabb的技术数据表中报告。因此，将加工参数与这些机械性能相关联应根据经验确定操作人员的制造条件。

开源架构的使用允许快速开发数字构建文件和物理样本。应用ASTM F433中描述的测试方法，在OpenSCAD中对热导率样品进行了建模。如ASTM F433所述，尺寸要求生产的对称圆柱体直径为50.8毫米（2英寸）±0.25毫米（0.010英寸），厚度为2.29-12.7毫米（0.090-0.50英寸）。

切片，即将体积形状数字制造成二维矢量路径，使用Cura 15.04.4使用供应商推荐的参数集作为基线。确定切片条件的参数是为了生产100%致密的样品而开发的。因此，有效的“填充”条纹、“轮廓”偏移对齐、挤出温度和流动百分比至关重要。然而，在初始参数开发过程中，如果不进行进一步分析，很难量化每个矢量路径之间的空间空隙。因此，预计制造样品将包含微观气孔。

采用了一台Lulzbot TAZ 3.0打印机和一个直径为0.5毫米的挤出机喷嘴。使用单个打印机消除了FFF 3D打印机中观察到的可变性。需要对 Budaschnozzle 2.0 挤出机进行修改，因为标准的 3.0 mm 聚四氟乙烯 （PTFE） 长丝导向装置需要增加 0.5 mm，以解决通过热端的金属/聚合物复合材料流的尺寸膨胀过大。

使用飞利浦 XL 40 环境扫描电子显微镜（ESEM）对横向的印刷组件断裂表面进行成像，以进行定性元素分析和背散射电子成像。ESEM断裂表面提供了光学显微镜无法提供的金属颗粒形态信息。捕获的背散射电子图像突出显示了基质成分的平均原子序数，从而提供了定性的元素分析。

由于PLA成分，样品上积聚的过量电荷影响了SEM-BSE（扫描电子显微镜背散射电子）图像。因此，需要低真空水气氛进行分析。低真空模式限制了来自电子源的可用入射keV。由于这种限制条件，用EDS（能量色散光谱）进行元素映射被证明是不充分的。

ImageJ 1.49软件用于将SEM-BSE显微照片转换为8位图像文件。从转换后的图像中，创建一个二进制表示，并制定“白色”与“黑色”的相对百分比，允许测量体积百分比,应该注意的是，这种方法会低估尺寸，相比之下，重量百分比可通过阿基米德密度分析计算。公式将干样品重量与湿样品重量之间的关系相等，得出密度分析，测量金属聚合物基质内的表观孔隙率。

印刷材料的热导率测量利用ASTM F433的防护热流方法使用Holometrix TCA300通平面热导率测试仪。在每次分析导热膏之前，将道康宁340硅散热器化合物应用于每个样品。在55°C下进行热导率测量，提供接近环境的温度，同时也在Holometrix TCA300内产生足够的温度梯度。通过方程对通过两个固体平面之间的圆盘试样的热流进行建模，以测量热导率。

印刷的原始PLA材料为该分析设定了基线。测量允许识别由于印刷操作和/或添加金属填充材料而导致的热导率净增加百分比。两相系统的热导率可以使用各个相的热导率进行建模。根据先前分析确定的相对体积百分比可以计算复合热导率。

在所提出的系统中，各个金属颗粒的空间分布不受控制。因此，热导率模型没有考虑金属填料材料的形态特征。正如Mamunya 所描述的两相系统的体积浓度对体积热导率的依赖性遵循Lichtenecker方程。Lichtenecker的依赖性没有考虑渗透理论。两阶段建模不需要适应热导率比为1比10的渗透理论3被目击。因此，金属填料颗粒独立于其最近的邻居，即在这些分析中没有现成的连续导电流路。

Holmetrix TCA300 分析生成的样品培养基，每个 FFF 层彼此平行。具体来说，由于制造过程的逐层方式，热导率测量是对每层每条流的串联相互作用的预测。正如Agarwala所描述的，印刷过程的分层效应会产生复合无意的孔隙形成。孔相（孔隙率成分）实际上是热绝缘体。本体复合基质的孔导率和孔体积分数小于15%。

相反，青铜填充，磁性铁PLA和不锈钢PLA的基体内有明显的空隙。这些结果与上述阿基米德密度分析不一致，因为所有印刷部件似乎都因印刷而表现出外在孔隙率。这些情况可能是由于实验过程错误造成的。

通过体粗丝密度假设和粗丝浮力，对表观空隙分数的表征不足。具体来说，通过将块状粗丝阿基米德密度与复合打印样品的密度进行比较来确定空隙分数。选择阿基米德密度分析作为适当的方法，因为没有其他理想的方法来确定不规则形状物体的密度。此外，在比较过程中，假设确定的块状粗丝密度为100%。结果体积密度假设，除了灯丝样品的潜在和未解释的显着浮力外，还可能导致阿基米德分析中材料密度的错误表示。因此，使用ImageJ 1.49对孔隙分数进行了更准确的演示，因为该方法未考虑样品在水中的重量。

除不锈钢PLA外，分析中存在明显偏差。计算出的λ 史密斯铜填充、青铜填充和磁性铁PLA的值相对于Holometrix TCA 300测量的热导率分别变化（+）157.29、（+）93.03和（+）33.18%。相反，不锈钢PLA的测量值偏差为4.17%。金属/聚合物复合材料的最大方差，其中金属成分热导率为103倍于聚合物成分。将基础 PLA 0.1849 W/m K 与测量值进行比较意味着，与每种成分的热导率相比，对表观打印密度的依赖性更大。

孔隙率加上缺乏足够的金属成分横截面导致导热性能下降。目前的制造和二次加工技术表明，铜填充、青铜填充、磁性铁PLA和不锈钢PLA基体的导热系数分别提高了81.28%、98.81%、45.66%和71.51%。虽然经过严格的分析后已经克服了非理想的结果，但已经提出了概念验证。

定量体积分数测定需要进一步改进，包括适当的模型拟合。所使用的热力学模型不能正确模拟FFF打印样品聚乳酸-金属复合材料的当前状态。未来的工作需要正确表示金属粉末的不规则空隙分数形状、层间界面机制和渗流位点概率/随机分散。二次加工机制，特别是CIP，已被证明能够降低印刷基质孔隙率。需要进一步进行CIP开发以减少几何偏移（即过程中的翘曲）。