综述：Beyond standard ABS: Recent advances in modified and composite filaments prepared for fused deposition modeling

《Heliyon》：Beyond standard ABS: Recent advances in modified and composite filaments prepared for fused deposition modeling

本综述聚焦于熔融沉积建模（FDM）中改性和复合材料的研究进展，探索其在3D打印中的应用潜力。

　　

引言

熔融沉积建模（FDM）作为一种材料挤出型3D打印技术，因其设计灵活性、快速成型能力和成本效益而成为现代原型制造和制造领域的基石。然而，标准的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）材料在某些高级应用中存在局限性，尤其是在需要卓越机械性能、特殊功能或与特定打印平台兼容性方面。因此，研究者们开始探索改性和复合材料，以突破这些限制。

标准ABS在FDM中的优势与局限

优势

• 成本效益：ABS材料价格相对较低，易于采购，适合快速原型设计。
• 打印性能：ABS具有良好的熔体流动指数（MFI），能够顺畅地通过喷嘴挤出，减少堵塞或不一致的挤出问题。同时，ABS在打印过程中几乎不发生翘曲，适合打印复杂几何形状。
• 机械性能平衡：ABS具有良好的拉伸强度和抗冲击性，同时具备一定的柔韧性，适合用于需要中等机械负荷的功能原型和最终使用部件。
• 成熟的打印参数：由于ABS在FDM中的广泛应用，积累了大量的打印参数知识，简化了用户的打印过程。

局限

• 机械强度有限：与一些特种材料相比，标准ABS在拉伸强度和模量方面存在不足。
• 温度敏感性：ABS的热变形温度（HDT）较低，在高温环境下容易软化和变形。
• 功能单一性：标准ABS缺乏如高电导率、生物相容性或阻燃性等特殊功能。

改性ABS材料

聚合物共混和多材料

通过将不同特性的聚合物进行共混，可以设计出具有优越性能的复合材料。例如，将ABS与聚碳酸酯（PC）共混，可以提高材料的拉伸强度和冲击强度。此外，通过优化打印参数，如填充模式和层高，可以进一步提升复合材料的性能。研究还表明，将ABS与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等材料共混，可以改善其热性能和机械性能。

打印工艺改进

通过优化打印工艺参数，如填充间距、打印方向和挤出速率，可以显著改善FDM打印件的机械性能。例如，采用新型的平面各向同性工具路径策略，可以减少材料在层内的各向异性分布，从而提高拉伸强度。此外，通过调整打印速度和层高，可以优化层间结合强度，减少因层间结合不良导致的机械性能下降。

后处理技术

后处理技术是提升FDM打印件性能的重要手段。例如，通过大气压等离子体处理，可以显著改善ABS表面的润湿性和粗糙度，从而提高打印件的机械性能。此外，通过环氧树脂渗透和化学气相平滑等方法，可以减少打印件内部的孔隙率，增强层间结合力。

复合材料的发展

为了克服标准ABS的局限性，研究者们广泛探索了在聚合物基体中加入各种填料，如碳基材料、金属颗粒和陶瓷粉末，以扩展3D打印件的功能性。

碳（纳米）材料

碳基材料因其独特的物理和化学性质而受到广泛关注。例如，将石墨（Graphite）加入ABS中，可以显著提高材料的热导率和电导率。研究表明，添加5%的石墨可以将ABS的拉伸强度提高13%。此外，通过激光辅助3D打印技术，可以进一步优化石墨/ABS复合材料的表面形貌和层间结合，从而提升其机械性能。

石墨烯纳米片（GNPs）和碳纳米管（CNTs）也是常用的碳基填料。研究表明，GNPs可以显著提高ABS的弹性模量和动态储能模量，同时改善其热稳定性。而CNTs则可以增强ABS的机械性能和电导率。例如，添加3%的多壁碳纳米管（MWCNTs）可以将ABS的拉伸强度提高288%，并显著增加其电导率。

金属颗粒

金属颗粒的加入可以显著改善ABS的机械性能、热性能和电性能。例如，将铁（Fe）颗粒加入ABS中，可以显著提高其耐磨性和热稳定性。而铜（Cu）颗粒的加入则可以提高ABS的电导率和热导率。研究表明，Cu含量的增加可以显著降低ABS的电阻率，使其适用于制造功能性电路和电子设备。

陶瓷粉末

陶瓷粉末的加入可以改善ABS的热性能和机械性能。例如，将二氧化钛（TiO?）加入ABS中，可以提高其辐射屏蔽能力和热稳定性。而氧化锆（ZrO?）的加入则可以提高ABS的硬度和表面光洁度。此外，一些稀土金属氧化物，如氧化钆（Gd?O?）和氧化铒（Er?O?），也被用于制备具有优良屏蔽性能的ABS复合材料。

挑战与未来方向

尽管3D打印技术在材料科学领域取得了显著进展，但仍面临一些挑战。例如，如何在保持材料性能的同时提高打印效率，以及如何优化打印参数以实现更复杂的结构设计。未来的研究方向可能包括开发新型复合材料、改进打印工艺和开发更高效的后处理技术，以进一步提升3D打印件的性能和应用范围。

结论

本综述全面分析了通过材料共混、填料添加、后处理和打印工艺改进等方法来提升ABS基3D打印件的机械性能和其他功能特性的研究进展。这些方法在改善打印件的机械强度、热性能、电性能和耐化学性方面表现出显著效果。通过比较这些技术的效果和可实现的机械性能，本综述建立了一个评估框架，以确定这些技术对FDM部件在高性能应用中的适用性。未来的研究将集中在进一步提升打印件的机械性能，同时探索提高效率的新方法，以满足不同工业应用的需求。