摘 要：
在热塑性复合材料的材料挤出大幅面增材制造中，沿多方向路径实现可靠的层间结合仍具挑战，因为层间形成过程对沉积界面局部热条件的变化极为敏感。为此，本文提出一种方法：依据瞬时沉积方向，在喷嘴前方选择 LED 模块与局部测温区域，并以所选 LED 加热区的代表性温度作为反馈来调节 LED 功率。针对 30 wt% 玻璃纤维增强聚丙烯（PP-GF30）与 40 wt% 碳纤维增强聚酰胺 6（PA6-CF40）表征了加热响应：在相同 LED 功率与行进速度下，两种材料的表观表面温度不同。对 PP-GF30，与定向自适应开环 LED 预热相比，闭环方法使 LED 加热区温度的变异系数由直路径上的 7.9%～10.7% 降至 1.2%～1.9%，曲路径上为 2.0%～4.3%。对 PA6-CF40，在基体温度设定值 150 ℃ 时，所提方法使 z 向平均拉伸强度提高 19.0%；在 180 ℃ 时使 z 向平均弯曲强度提高 13.2%。截面光学显微观察揭示了界面特征与几何均匀性的工艺条件依赖性差异。所提出的定向自适应 LED 预热与闭环温度控制改善了多方向路径下的热一致性，而力学与形貌响应仍取决于材料与工艺。
关键词：大幅面增材制造；材料挤出；定向自适应 LED 预热；闭环温度控制；纤维增强热塑性复合材料
1 引言
随着增材制造（AM）的发展，将其用于制造功能与结构件的需求不断增长[1]。在各种增材制造技术中，基于材料挤出的大幅面增材制造（LFAM）近年来快速增长[2]。由于设备与材料成本相对较低，材料挤出 LFAM 越来越多地用于制造大型模具[3–5]、备件[6]与功能部件[2]。此外，目前的应用实例表明，采用高性能材料的材料挤出 LFAM 在航空航天[7,8]、汽车[9,10]与船舶[11,12]领域呈增长趋势。
材料挤出 LFAM 的原理如图 1a 所示。在该过程中，热塑性复合材料粒料在螺杆挤出机中熔融，并经喷嘴沉积，从而获得较高的沉积速率，可高效制造大型构件[13]，基于工业机器人的 LFAM 系统如图 1b 所示。然而，材料挤出 LFAM 固有的逐层特性往往导致明显的力学各向异性，面外（z 向）强度通常显著低于面内强度[14,15]，这会实质性限制承载构件的结构性能。层间结合不足或不一致还可能造成局部弱区、打印缺陷，甚至成形失败[16]。对纤维增强工程热塑性塑料与高性能热塑性塑料而言，成形失败或层间分层会造成材料与制造时间的巨大浪费。因此，在整个制造构件中确保可靠且空间一致的层间结合，对材料挤出 LFAM 至关重要[11,17]。尤其是沉积界面的局部热历史——即新料沉积时已沉积层的温度——强烈影响最终的结合质量与空间一致性[18,19]。
图 1 材料挤出大幅面增材制造的工艺与系统。(a) 工艺原理图；(b) 基于工业机器人的大幅面增材制造系统
因此，已有研究探索了多种非接触加热方式，在后续沉积前改变已沉积材料的温度，包括红外（IR）加热[20,21]、热风加热[22]与激光加热[23,24]。Kishore 等人[20]用红外发射器加热已沉积层，证明当表面温度由低于玻璃化转变温度提高到接近或高于该温度时，层间性能改善；该研究还指出，由于测温光斑难以与沉积熔丝对准，高温计测量存在较大波动。Tagscherer 等人[17]研究了恒功率运行的双发射器红外配置，在沉积区周围布置高温计以表征基体温度。Nycz 等人[21]用高温计原位监测基体温度，并手动调节红外灯功率以达到目标预沉积温度；这种基于光斑的测量只能提供局部而非空间温度信息。Hümbert 等人[22]开发了用于聚醚醚酮层板多轴堆叠的紧凑型热风预热系统，并评价了不同行进速度与床板加热条件下的可达基体温度。激光局部预热也因其能提供高度局域化的能量输入而受到关注：Layher 等人[23]采用带光束传输光学系统与红外温度监测的二氧化碳激光器，但报道的配置仅限于既定沉积方向。表 1 对代表性非接触预热方法作了定性比较。
在表 1 所总结的既有方法中，定向自适应源选择仅在前文报道的环形激光系统中得到验证[24]。该配置采用周向布置的激光二极管，通过切换光源使加热区随沉积方向移动，无需机械转动挤出头。在 30 mm/s 的行进速度下，当总激光功率由 0 增至 30 W、辐照面积约 6 mm × 2 mm 时，该系统将 10 wt% 碳纤维增强聚酰胺 6 的基体温度由约 100 ℃ 提高到 336 ℃[24]。然而，该系统以预设激光功率运行，未实现基于反馈的温度调节。将定向自适应热量传递与局部温度反馈相结合的完整方案仍然缺乏，这限制了对多方向且几何变化的路径在沉积界面维持一致、明确热条件的能力。针对这一空白，本工作开发并实验评价了一种采用可见光 LED 模块的定向自适应闭环预热方法，以在多方向材料挤出 LFAM 过程中维持设定的局部热条件。有源加热区与局部测温区域均随瞬时沉积方向调整，加热功率则依据实测局部温度进行调节。实验评价表征了材料与工艺相关的 LED 加热响应，考察了沉积方向变化下的温度调节，并分析了选定工艺条件下的力学响应与截面响应。
表 1 材料挤出 LFAM 代表性非接触局部预热方法的比较
| 方法 | 热量传递方式 | 路径适用性与自适应能力 | 温度监测与控制 |
| 红外加热[17] | 双发射器大幅面辐照 | 固定加热方向 | 高温计监测，发射器功率恒定 |
| 红外加热[20] | 灯式大幅面辐照 | 固定加热方向 | 高温计监测，灯功率预设 |
| 红外加热[21] | 灯式大幅面辐照 | 固定加热方向 | 高温计监测，手动调节灯功率 |
| 热风加热[22] | 定向热风气流 | 固定加热方向 | 热电偶在最大加热功率下表征温度 |
| 固定方向激光加热[23] | 光学整形局域光斑 | 限于既定沉积方向 | 热像监测，激光功率预设 |
| 定向自适应环形激光加热[24] | 分区选择性局域光斑 | 定向自适应源选择 | 固定侧装热像仪监测，激光功率预设 |
| 可见光 LED 加热（本工作） | 分区选择性局域光斑 | 定向自适应 LED 区与局部测温区选择 | 闭环调节 LED 加热区温度 |
2 定向自适应 LED 预热与闭环温度控制
2.1 LED 预热与热源分布
沿多方向路径实施带闭环温度调节的局部预热，要求 LED 加热区与测温区都与瞬时沉积方向保持一致。如图 2 所示的概念图，固定方向的开环预热在沿曲线路径沉积时会使加热区偏离沉积方向（图 2a）。预热源的定向自适应选择可使加热区保持在喷嘴前方、沿瞬时沉积方向，但系统仍以恒定功率运行，没有反馈温度调节（图 2b）。所提出的闭环方法则进一步按沉积方向调整相应的局部测温区域，并以实测温度作为反馈调节 LED 功率（图 2c）。
图 2 沿曲线路径的局部预热策略概念对比。(a) 固定方向开环预热；(b) 定向自适应热源选择、预设恒功率无温度反馈；(c) 定向自适应加热配合局部闭环温度反馈
为实现沿多方向路径的定向自适应预热，采用了多个 LED 模块。每个 LED 模块配有一个焦距 75 mm 的光学元件，将发射的可见光导向被辐照的打印表面，该表面位于距聚焦光学元件约 75 mm 的设计焦平面附近。发射光的波长范围约为 430～700 nm，且在该范围内光谱功率分布不均匀。图 3a 给出代表性单模块斜入射配置下归一化模拟热源分布，展示了 LED 预热场的空间特征。光源相对于被辐照表面法线的入射角为 30°。在该代表性配置下，最大归一化强度位于照射区中心附近，并随距中心距离增大而逐渐降低。图 3b 给出过峰值强度位置的局部 x、y 方向强度剖面；两个剖面均为单峰分布并向两侧衰减，x、y 方向的半高全宽分别约为 21.3 mm 与 26.3 mm。y 方向剖面更宽，说明沿名义沉积方向的加热足迹略有延长。打印时同时激活三个相邻 LED 模块构成有源 LED 区，所形成的 LED 加热区位于喷嘴前方。
图 3 代表性单模块斜入射配置下 LED 预热场的归一化模拟空间分布。(a) 二维归一化热源强度分布；(b) 归一化 x、y 方向剖面
2.2 定向自适应 LED 区与感兴趣区（ROI）选择及闭环温度调节
为使加热区与测温区在沉积方向变化时始终位于喷嘴前方，所提策略依据机器控制器给出的面内工具中心点（TCP）运动方向，以电子方式同步更新这两个区域。打印时用 TCP 运动方向代表瞬时沉积方向。图 2c 展示了总体思路，图 4 汇总了相应的 LED 区与 ROI 选择流程。
对于定向自适应 LED 区选择，将机器报告的 TCP 运动方向矢量变换到 LED 末端执行器的局部坐标系，得到局部方向 θLED。对周向布置的 N 个 LED 模块，名义角分辨率为 Δθ = 360°/N，10 模块与 16 模块配置分别为 36° 与 22.5°。如图 4a 所示，选取名义方向最接近 θLED 的模块作为中心有源模块 (i)，该模块与其相邻的两个模块 (i−1)、(i+1) 被激活并以同一功率指令运行，其余模块不工作。当 θLED 越过相邻两个模块方向之间的角平分线时，有源三模块组离散地平移一个模块。
图 4 定向自适应 LED 区选择与基于 ROI 的温度反馈示意。(a) 依据局部 TCP 运动方向选择三个相邻 LED 模块；(b) 定向自适应选择 ROI
TCP 运动方向信号同时决定有源测温方向。将 TCP 运动方向矢量变换到预定义测量区域的局部坐标系，得到局部测量方向 θmeas。如图 4b 所示，局部温度传感器从预定义测量区域提供实时测量值。依据 θmeas，在预定义测量区域内选取两个定向自适应测量区域：LED 加热区 ROI（ROILED）靠近喷嘴，覆盖被局部预热的表面；基体温度 ROI（ROIsub）位于喷嘴更前方，用于在局部 LED 辐照之前测量已沉积的熔丝。随着沉积方向改变，有源 LED 区与所选 ROI 以电子方式更新。基于 ROI 的温度提取与控制指令以约 10 Hz 的名义频率更新。
在每个所选 ROI 内，将像素温度按降序排列，取预设数量 Nhot 个最热像素的平均值作为代表性表观表面温度；同一实验系列内 Nhot 保持不变。由 ROIsub 提取的值记为 Tsub，代表局部 LED 辐照前已沉积材料的表观表面温度；由 ROILED 提取的值记为 TLED，代表新料沉积前已沉积材料上 LED 加热区内的表观表面温度。
两种温度均以闭环方式调节。控制器增益按相应工况经实验整定，以获得稳定且超调有限的调节效果。对 LED 温度调节，将 TLED 与其设定值 TLED,set 比较，并将限幅于 0～100% 的同一功率指令施加于三个 LED 模块。在试样打印实验中对基体温度调节，将 Tsub 与其设定值 Tsub,set 比较，所得控制指令作用于 TCP 速度，详见 3.1 节。
表 2 本研究 LED 预热运行模式与独立基体温度控制的定义
| 模式/控制功能 | 定向自适应 LED 区选择 | 定向自适应 ROI 选择 | 温度信号与作用 | 控制动作 |
| 开环模式（OL 模式） | 是 | 是，含 ROILED 与 ROIsub | TLED 仅监测，不用于反馈 | 预设恒定 LED 功率指令 |
| 闭环模式（CL 模式） | 是 | 是，含 ROILED 与 ROIsub | TLED 作为反馈量 | 基于反馈调节 LED 功率 |
| 基体温度控制（STC） | 不适用 | 是，使用 ROIsub | Tsub 作为反馈量 | 基于反馈调节 TCP 速度 |
2.3 原型配置与实验范围
两种相关的原型配置用于不同的实验任务，汇总于表 3。控制与热响应原型用于开展定点与移动辐照试验，并在直、曲路径下比较 OL 与 CL 模式；试样打印原型用于制造 PA6-CF40 力学测试试样以及 PA6-CF40 与 PP-GF30 显微试样。图 5 给出了集成于挤出单元的 10 模块代表性原型，各配置参数与实验用途列于表 3。
表 3 原型配置与实验用途
| 配置 | LED 模块 | 主要用途 |
| 控制与热响应原型 | 10 | 定点与移动辐照试验；直、曲路径下 OL 与 CL 模式对比 |
| 试样打印原型 | 16 | PA6-CF40 力学试样制造；PA6-CF40 与 PP-GF30 显微试样 |
图 5 安装于挤出头周围的代表性集成原型。(a) 仰视图；(b) 末端执行器斜视图
在两种配置下，局部温度传感器均以发射率 ε = 1.00 运行，未作材料专用发射率修正；因此所报数值代表在一致采集设置下获得的表观表面温度。2.2 节所述温度提取流程在各实验系列内保持一致。
3 材料与实验方法
3.1 材料与打印条件
研究了两种纤维增强热塑性塑料：30 wt% 玻璃纤维增强聚丙烯（PP-GF30）与 40 wt% 碳纤维增强聚酰胺 6（PA6-CF40）。PP-GF30 牌号为 Scolefin® 53 G-10（Ravago Manufacturing，比利时），用于加热响应表征、直/曲路径下 OL 与 CL 模式对比以及基于光学显微的截面分析。PA6-CF40 为 AKROMID® B3 ICF 40 schwarz (5020)（AKRO-PLASTIC GmbH，德国），用于加热响应表征、温控试样制造、力学测试与光学显微表征。加工前，PA6-CF40 粒料在料斗干燥机中于 80 ℃ 干燥约 12 h。记录数据包括由所选 ROI 提取的代表性温度值及相关工艺变量；相应热像仅在温度提取时实时处理，未予保存。
表 4 汇总了用于 PA6-CF40 试样制造的名义工艺温度条件，固定打印参数列于表 5。C1 与 C2 关闭 LED 预热，C3～C5 则通过反馈控制器调节 LED 功率以调控 TLED。所有工况下，Tsub,set 作为实验设定值给定，TCP 速度作为基体温度控制回路的操纵变量；全程以相同的固定配置施加风冷，以辅助基体温度调节。由于 TCP 速度会影响 LED 加热区的停留时间，基体温度控制回路引入的变化也可能影响 TLED，但 LED 功率控制器可补偿由此产生的温度偏差。C3～C5 的 LED 温度控制器增益为 Kp = 0.35、Ki = 0.0025、Kd = 0.08；C1～C5 的基体温度控制器增益为 Kp = 0.001、Ki = 0.001、Kd = 0.02。控制器输出以百分比形式的TCP 速度覆盖量施加，而非绝对速度指令；每次打印全程记录所得 TCP 速度，其工况相关分布见 4.4.1 节。
表 4 用于 PA6-CF40 力学试样制造的名义工艺温度设置
| 参数 | 设定值 | 单位 |
| 挤出机 1 区温度 | 280 | ℃ |
| 挤出机 2 区温度 | 285 | ℃ |
| 挤出机 3 区温度 | 290 | ℃ |
| 挤出机 4 区温度 | 290 | ℃ |
| 挤出机 5 区（喷嘴）温度 | 290 | ℃ |
表 5 用于 PA6-CF40 试样制造及开环/闭环对比用 PP-GF30 构件的固定打印参数
| 参数 | PA6-CF40 | PP-GF30 | 单位 |
| 层高 | 3 | 3 | mm |
| 喷嘴直径 | 9 | 9 | mm |
| 编程路径宽度 | 10 | 10 | mm |
为适应这些 TCP 速度调整，材料输送通过容积式齿轮泵系统与 TCP 运动同步，并按单位路径长度保持一致的沉积量来调节材料流量。名义体积沉积速率按 V̇nom = vwh 估算，其中 v 为记录的 TCP 速度，w = 10 mm 为编程路径宽度，h = 3 mm 为名义层高（表 5）。该基于几何的估算假定沉积截面为矩形，并不代表独立测得的挤出流量。
表 2 定义的 OL 与 CL 模式在包含直线与曲线路径段的 PP-GF30 构件上进行比较，总体闭合墙体构型见图 6a。该对比构件按表 5 所列相应参数制造。对比中的 CL 运行，LED 温度控制器取 Kp = 0.15、Ki = 0.025、Kd = 0.08。通过用风扇冷却构件一侧引入局部热扰动。对比内容包括：无预热基线、恒定功率指令 20% 与 30% 的OL 模式、以及 LED 加热区温度设定值为 200、220 和 240 ℃ 的 CL 模式。记录的 TLED 在共同时间窗内评价，并按直线段与曲线段分类。
3.2 热响应与温控实验
本节所有实验均使用表 3 所述的控制与热响应原型，每次试验使用含三个相邻 LED 模块的有源 LED 区，表观表面温度按 2.2 节所述 ROI 温度值记录。定点与移动辐照热响应试验在表 2 定义的 OL 模式下进行。
定点试验中，向控制系统给定预设的沉积方向信号，以复现打印时所用的定向自适应加热与测温配置，同时有源 LED 区相对于平坦的 PP-GF30 或 PA6-CF40 试样保持静止。试验在 OL 模式下进行，名义 LED 功率为 10%、20%、30% 与 40%。PP-GF30 名义辐照 5 s，PA6-CF40 名义辐照 10 s，时间原点取辐照开始时刻。对每个材料–功率条件，在辐照期间及关灯后的冷却阶段于三个表面位置记录 TLED。由于手动关灯会引入时间不确定性，名义关灯时刻与实测温度峰值之间的微小延迟未作定量评价。
移动辐照试验在 OL 模式下进行，有源 LED 区沿直线路径掠过机加工平面，名义功率 10%～40%，行进速度 10～100 mm/s。每次测量前让基体冷却以限制热量累积，平均初始表面温度约为 33 ℃；每个条件在三个表面位置测量。
温度一致性用标准差（SD）与变异系数（CV）评价。SD 描述 TLED 随时间的绝对波动，CV 则以平均温度水平为参照表示该波动。此处平均温度 TLED 指分析时间窗内 TLED 的时间平均值。设定值跟踪进一步用均方根误差（RMSE）与归一化均方根误差（NRMSE）量化，由分析窗内的温度误差 e = T − Tset 逐点计算（NRMSE = 100×RMSE/Tset）。
PA6-CF40 试样制造在典型实验室条件下进行，制造过程中环境温度与相对湿度未主动控制或记录。
3.3 试样制备与取样
PA6-CF40 力学测试结构以单一闭合墙体连续打印，由两段直线段与两段半圆段连接而成，如图 6a、b 所示。图 6a 中 L、W 为编程路径中心线的总长与总宽，S 为直线段长度，R 为半圆半径，t、H、h 分别为名义壁宽、成形高度与层高；名义壁宽 t 对应编程路径宽度 10 mm（表 5）。
图 6 构件几何、打印后切割与力学试样提取。(a) 名义路径几何与尺寸；(b) 打印后的闭合墙体结构；(c) 切割方案与试样提取
打印后按图 6c 所示对每个结构进行切割，得到两段直墙与两段曲线端部。直墙段随后端面铣削，制成具有两个光滑平行表面的板材。再由这些板材按两种取向加工拉伸与弯曲试样（图 6c）：z 向对应成形方向，x 向对应路径方向，也对应打印材料中纤维的主要取向。
3.4 力学测试与统计评价
拉伸试验按 ISO 527-2 进行，采用 1B 型试样，横梁速度 1 mm/min。轴向应变用非接触光学引伸计在 20 mm 标距内测量，工程应力按试样实际截面积计算。拉伸模量由 0.05%～0.25% 工程应变区间的最小二乘线性回归确定。每个 z 向拉伸试样的标距段跨越多个沉积层界面。三点弯曲试验按 ISO 178 进行，横梁速度 2 mm/min，支点跨距 64 mm；弯曲模量由弯曲应变 0.05%～0.25% 之间的弦斜率确定。
每个工艺条件制造一个打印结构，该条件下的所有试样均取自相应结构；因此所报的试样级离散性代表同一成形件内试样之间的差异。多数试验组含 6 个试样；C4、C5 的 x 向弯曲试验加工后可用 5 个试样。一个 C1 的 z 向弯曲试样因存在预裂纹在试验前被剔除。其余成功制备并测试的试样均纳入评价。结果以单件数值与平均值±标准差表示，n = 5～6（视试验组而定）。
3.5 光学显微与图像分析
用光学显微观察选定工艺条件下 PA6-CF40 与 PP-GF30 试样的截面形貌。对 PA6-CF40，将无 LED 预热的 C1 条件与有 LED 预热的 C4 条件对比。对 PP-GF30，则检查来自另一组显微专用打印系列的试样：这些试样采用材料专用的独立配置制造，喷嘴 6 mm、层高 3 mm，相应挤出温度设置见表 S1。无 LED 预热的条件采用 100 ℃ 的基体温度设定值，实测 Tsub 平均值为 100.0 ℃；LED 预热条件采用 115 ℃ 的基体温度设定值与 200 ℃ 的 LED 加热区温度设定值，实测 Tsub 与 TLED 平均值分别为 115.0 ℃ 与 198.7 ℃。为便于对比，显微照片统一取向，使图像水平方向对应成形方向（z 向）。
光学显微照片在 5× 名义放大倍数下采集，空间尺寸由图像标尺校准确定。由于 PA6-CF40 与 PP-GF30 的光学对比度与截面特征不同，采用了材料专用的图像分析流程。
对 PA6-CF40，每张分析图像评价 8 个界面 ROI。每个 ROI 以熔丝间谷为中心，宽度固定为 1000 μm，长度取局部谷–谷距离的 90%，以排除外侧自由表面。暗特征通过将灰度值不高于 60 的像素分类、并施加 10 μm 最小等效直径阈值进行分割。由于光学显微的空间分辨率与对比度不足以可靠区分孔隙与纤维拔出、抛光凹坑及局部界面间隙，分割面积以“界面暗特征面积分数”而非孔隙率报告。8 个 ROI 视为空间子样本而非独立测量，因此分析聚焦于观察到的截面形貌及其空间变化。
对 PP-GF30，光学显微分析聚焦于截面几何。厚度剖面分析区自第一对至最后一对检测到的上下相对熔丝间谷，排除外侧边缘。垂直厚度在上、下边界之间以 0.1 mm 均匀间隔采样，用于计算平均厚度、SD 与 CV；为改善厚度剖面曲线的视觉连续性，仅在检测到的峰谷附近补充采样点。相对谷–谷距离同样按上下截面边界上配对谷点之间的距离测量，相应结果见 4.5 节。
4 结果与讨论
4.1 定点辐照下的局部 LED 加热动力学
如图 7a 所示，PP-GF30 的平均峰值 TLED 随功率由 10% 时的 92.7 ℃ ± 1.8 ℃ 升高到 40% 时的 319.5 ℃ ± 6.3 ℃。对 PA6-CF40（图 7b），在相同功率范围内平均峰值 TLED 由 73.5 ℃ ± 1.3 ℃ 升至 201.4 ℃ ± 4.0 ℃。在平坦表面试验中，PA6-CF40 测得的最高表观表面温度仍低于其数据手册熔点 220 ℃[25]。打印过程中基体通常保留前次沉积的余热，因此相同 LED 功率产生的表面温度会高于从接近环境温度开始的平坦表面试验；此外，PP-GF30 与 PA6-CF40 的加热响应差异显著，需要材料专用的目标预热温度。这些差异凸显了闭环温度控制在打印过程中维持所需局部热条件的重要性。
图 7 不同 LED 功率下 (a) PP-GF30 与 (b) PA6-CF40 的定点温度历程。误差棒为 ± 标准差（n = 3）
在 TLED 峰值处，三个测量位置之间的空间差异有限，PP-GF30 与 PA6-CF40 的变异系数分别为 1.1%～2.0% 与 1.2%～2.2%。同一材料内三个位置的总体冷却趋势相似，但冷却阶段的位置差异更为明显，PA6-CF40 尤为突出：在 60 s 时，PP-GF30 与 PA6-CF40 的变异系数分别为 0.6%～3.6% 与 9.5%～15.5%。因此定点加热在每种材料内都产生了明确的功率相关温度响应。
4.2 PP-GF30 与 PA6-CF40 移动 LED 预热的速度–功率操作窗口
如图 8 所示，TLED 随 LED 功率升高而升高、随行进速度升高而降低，且速度依赖性在低速时最强。相同设置下 PP-GF30 的 TLED 始终高于 PA6-CF40：在 40% 功率时，速度由 10 mm/s 增至 100 mm/s，PP-GF30 的 TLED 由 196.8 ℃ ± 0.8 ℃ 降至 70.5 ℃ ± 1.8 ℃，PA6-CF40 则由 106.6 ℃ ± 3.3 ℃ 降至 57.0 ℃ ± 1.1 ℃。该差异与 4.1 节定点辐照结果一致。两种材料体系在基体、纤维类型、纤维含量与表面微观结构上均不相同；此外，由于光谱吸收率、热输运性质与红外相关发射率未独立表征，这些因素各自的贡献无法从本工作中分辨。
图 8 直线路径上不同 LED 功率与行进速度下机加工平面的温度响应：(a) PP-GF30；(b) PA6-CF40
4.3 直、曲路径下开环与闭环 LED 预热模式的比较
图 9a 比较了恒定 LED 功率 30% 的 OL 模式与 TLED,set = 220 ℃ 的 CL 模式预热。在 OL 模式下，TLED 为 213.1 ℃、SD 为 16.9 ℃；在 CL 模式下，TLED 达到 220.4 ℃，而 SD 降至 4.7 ℃。图 9b 汇总的补充条件呈现相同趋势：OL 模式在 20%～30% 恒功率下，SD 为 16.0～16.9 ℃，CV 为 7.9%～8.5%；CL 模式在 TLED,set 为 200、220 与 240 ℃ 时，相应 TLED 分别为 200.46、220.44 与 240.45 ℃，SD 降至 4.1～6.6 ℃，CV 与 NRMSE 为 1.7%～3.3%。
图 9 直、曲路径下开环与闭环模式预热的比较。(a) TLED 随时间的变化；(b) 各模式与路径下的 TLED
图 10 进一步比较了不同路径类型的控制性能。相对 OL 模式，CL 模式在 TCP 运动方向变化时于直、曲路径上均保持了准确的设定值跟踪与较低的温度波动，偏差不超过 0.71 ℃。这些结果表明，CL 模式在 TCP 运动方向改变时仍能在直、曲路径上维持精确的设定值跟踪与低温度波动。
图 10 不同路径下开环与闭环模式的 TLED 比较。(a) 曲线路径；(b) 直线路径
4.4 PA6-CF40 的工艺温度与力学测试结果
4.4.1 实测工艺温度与工具中心点速度
实测 Tsub 与 TLED 汇总于表 6，相应 TCP 速度分布见图 11。温度与速度统计在排除起始与结束瞬态的准稳态分析窗内计算，时间平均的实测温度 Tsub 与 TLED 按 2.2 节定义的相应 ROI 评价，Tsub,set 与 TLED,set 为各自的名义设定值；ΔTLED 为时间平均实测温度减去相应设定值。
表 6 PA6-CF40 打印过程中基体与 LED 加热区的名义温度设定值及实测温度统计
| 条件 | Tsub,set/℃ | 实测 Tsub/℃ | TLED,set/℃ | 实测 TLED/℃ | ΔTLED/℃ | RMSE [NRMSE] |
| C1 | 150 | 153.8 ± 4.9 | — | — | — | — |
| C2 | 180 | 185.5 ± 4.6 | — | — | — | — |
| C3 | 150 | 152.5 ± 3.9 | 180 | 179.9 ± 1.7 | 0.1 | 1.74 [0.96] |
| C4 | 180 | 184.7 ± 3.8 | 220 | 220.0 ± 1.7 | 0.0 | 1.74 [0.79] |
| C5 | 180 | 181.1 | 260 | 248.7 | 11.3 | 15.37 [5.91] |
如表 6 所示，C3、C4 中 LED 加热区温度 TLED 紧密跟踪其设定值，平均绝对偏差不超过 0.1 ℃，两种条件下的 NRMSE 均低于 1%。但在 C5 中，原型配置的加热能力不足以达到 TLED,set = 260 ℃，TLED 仅为 248.7 ℃，偏差 11.3 ℃，NRMSE 为 5.91%。因此 C5 应理解为高设定值、功率受限的工况，用于表征试样打印配置的上限工作边界，而非完全实现的 260 ℃ 预热条件。
实测基体温度 Tsub 同样接近其名义设定值。150 ℃ 与 180 ℃ 两个基体温度水平区分清晰，而各设定值组内的实测 Tsub 相近：C1 与 C3 相差 1.3 ℃，C2 与 C4 相差 0.8 ℃。这降低了在同一温度水平下比较有无 LED 预热条件时基体温度差异的影响。不过，环境温度与湿度的潜在变化未纳入本分析，可能影响 PA6-CF40 结果的可重复性。
在各条件给定 Tsub,set 的情况下，基体温度 Tsub 通过闭环控制器调节 TCP 速度维持在设定值附近。所得 TCP 速度分布与相应名义体积沉积速率见图 11，图 11 右轴为依据固定编程路径宽度与名义层高对记录 TCP 速度所作的线性换算。平均 TCP 速度为 12.89～17.73 mm/s，SD 为 0.44～0.56 mm/s，对应名义体积沉积速率 23.20～31.92 cm³/min。基体温度设定值越高，平均速度越高；在相同基体温度设定值下，LED 预热的平均速度低于无预热条件：150 ℃ 时为 12.89 mm/s 对 13.93 mm/s，180 ℃ 时为 16.41 mm/s 对 17.73 mm/s，相应名义体积沉积速率分别由 25.07 降至 23.20 cm³/min、由 31.92 降至 29.53 cm³/min。LED 预热下较低的平均速度说明零件内热量累积更多，这可能促使基体温度控制器为维持设定温度而降低 TCP 速度。
图 11 PA6-CF40 试样制造过程中各条件的工具中心点速度分布及相应名义体积沉积速率
4.4.2 x 向与 z 向拉伸结果
开展拉伸试验以评价 PA6-CF40 在所研究温控工艺条件下的拉伸响应，评价指标为极限拉伸强度、拉伸模量与最大应力下的应变，x 向与 z 向结果见图 12。拉伸响应呈现明显的取向依赖性：x 向试样的极限拉伸强度显著更高，组平均值为 141.3～156.2 MPa，而 z 向试样为 29.2～34.8 MPa。这证实拉伸行为仍呈强各向异性，z 向响应主要由层间结合决定。同一方向内拉伸模量变化相对较小，x 向为 20.8～22.1 GPa，z 向为 3.6～4.3 GPa，说明各条件之间的差异在失效相关指标上比在初始弹性刚度上更明显。
图 12 PA6-CF40 的拉伸测试结果。(a)(b) z 向与 x 向极限拉伸强度；(c)(d) 拉伸模量；(e)(f) 最大应力下的应变
在 Tsub,set = 150 ℃ 时，z 向平均极限拉伸强度由 C1 的 29.2 MPa ± 3.7 MPa 提高到 C3 的 34.8 MPa ± 0.7 MPa，最大拉伸应力下的应变由 0.91% ± 0.17% 提高到 1.15% ± 0.04%。在 180 ℃ 基体条件下，C2-z 与 C4-z 的差异较小，极限拉伸强度仅由 33.0 MPa ± 3.2 MPa 提高到 33.9 MPa ± 3.2 MPa。x 向拉伸强度未见一致的工况相关趋势。
4.4.3 x 向与 z 向弯曲结果
开展弯曲试验以评价 PA6-CF40 在所研究温控工艺条件下的弯曲响应，评价指标为极限弯曲强度、弯曲模量与最大弯曲应力下的应变，见图 13。弯曲响应呈现与拉伸相同的明显取向依赖性，x 向平均强度为 243.3～259.0 MPa，z 向为 65.0～73.6 MPa。
图 13 PA6-CF40 的弯曲测试结果。(a)(b) z 向与 x 向极限弯曲强度；(c)(d) 弯曲模量；(e)(f) 最大弯曲应力下的应变
在 150 ℃ 基体温度设定值下，有 LED 预热的 z 向平均弯曲强度略高于无预热条件，由 C1-z 的 65.7 MPa ± 3.5 MPa 提高到 C3-z 的 68.0 MPa ± 1.6 MPa。在 Tsub,set = 180 ℃ 时，z 向平均弯曲强度由 C2-z 的 65.0 MPa ± 1.9 MPa 提高到 C4-z 的 73.6 MPa ± 2.5 MPa；z 向弯曲模量也由 C2-z 的 2.57 GPa ± 0.11 GPa 提高到 C4-z 的 3.07 GPa ± 0.09 GPa，相应提高 19.4%。
4.4.4 强度对比与代表性应力–应变曲线
拉伸与弯曲结果都显示出明显的 x–z 强度差异，这与短纤维增强挤出沉积物的方向性增强一致。在本试样中，x 向对应挤出诱导的主要纤维取向，因而受益于纤维增强；z 向跨越沉积层界面，更多由基体与界面主导的载荷传递控制。采用 LED 预热后，在 150 ℃ 基体温度设定值下，z 向与 x 向平均强度之比由 18.7% 提高到 23.4%（拉伸）；在 180 ℃ 下由 26.0% 提高到 28.4%（弯曲）。这些提高说明在选定条件下强度各向异性有所减弱，可能反映界面形貌与层间响应的变化，而与短纤维取向有关的方向性增强仍然存在。
表 7 比较了在给定基体温度设定值下、有无 LED 预热的 z 向强度。Δstrength 的 95% 置信区间用 Welch 双样本 t 区间计算。由于每个工艺条件仅由一个打印结构代表，所报置信区间描述的是各成形件之间的试样级差异，并未量化成形件之间的不确定性。
表 7 150 与 180 ℃ 基体温度设定值下有无 LED 预热的 z 向强度
| 测试 | 条件对 | 无 LED 预热强度/MPa | 有 LED 预热强度/MPa | 相对变化 | Δ强度的 95% 置信区间/MPa |
| 拉伸 | C3 对 C1 | 29.2 ± 3.7 | 34.8 ± 0.7 | 19.0% | [1.7, 9.4] |
| 拉伸 | C4 对 C2 | 33.0 ± 3.2 | 33.9 ± 3.2 | 2.6% | [−3.2, 5.0] |
| 弯曲 | C3 对 C1 | 65.7 ± 3.5 | 68.0 ± 1.6 | 3.6% | [−1.9, 6.7] |
| 弯曲 | C4 对 C2 | 65.0 ± 1.9 | 73.6 ± 2.5 | 13.2% | [5.7, 11.5] |
Tsub,set = 150 ℃ 时 19.0% 的拉伸强度增益与 Tsub,set = 180 ℃ 时 13.2% 的弯曲强度增益在试样级获得统计支持，两个置信区间均完全位于零以上。150 ℃ 时较大的拉伸强度增益可能反映改善热限制层间结合的潜力更大：无 LED 预热时，180 ℃ 的平均拉伸强度本已较高，而两个预热条件给出的平均强度相近。
拉伸与弯曲响应的差异部分源于应力状态与失效敏感性的不同。z 向拉伸主要使层间界面承受法向拉伸，而弯曲在试样厚度方向产生拉、压、剪应力非均匀组合。因此界面质量的局部差异在两种加载方式下对失效的影响不同，而温度相关的聚合物互扩散与基体变形也可能进一步促成这些差异。
如图 14a、b 所示，代表性 z 向拉伸与弯曲曲线在初始加载阶段响应大体相似，各条件之间的主要差异出现在接近峰值应力与失效处。匹配基体温度条件下 z 向拉伸与弯曲试样的代表性试验后形貌分别见图 14c、d。
图 14 PA6-CF40 的 z 向代表性拉伸与弯曲响应。(a)(b) 应力–应变曲线；(c)(d) 试验后形貌
4.5 PA6-CF40 与 PP-GF30 的截面分析
按 3.5 节所述材料专用流程，PA6-CF40 以界面暗特征面积分数评价，PP-GF30 则基于截面几何均匀性评价。
4.5.1 PA6-CF40 界面暗特征面积分数
图 15a、b 给出所分析的 PA6-CF40 界面区域与代表性分割暗特征。如图 15i 所示，C4 的平均界面暗特征面积分数（1.32% ± 0.25%）低于 C1（2.22% ± 0.45%），与两个截面之间观察到的定性差异一致。C1 与 C4 的形貌差异与所研究工艺条件下 z 向力学响应的差异在定性上一致。所报平均值与 SD 表征的是每个分析截面内 8 个 ROI 之间的空间变化，而非试样间或成形件间的变异性。
图 15 无 LED 预热（C1）与有 LED 预热（C4）条件下 PA6-CF40 的界面暗特征分析
4.5.2 PP-GF30 截面几何分析
图 16 比较了 PP-GF30 试样在所研究的无预热与 LED 预热条件下的截面几何。平均截面厚度变化不大，由无预热截面的 6.81 mm ± 0.78 mm 变为 LED 预热截面的 6.69 mm ± 0.60 mm；相比之下，CV 由 11.38% 降至 8.98%，相对降低 21.1%；平均谷–谷距离由 4.52 mm ± 0.30 mm 增至 5.55 mm ± 0.19 mm，相对增大 22.7%。厚度统计描述各厚度剖面分析区内的空间变化，而谷–谷距离的 SD 描述所测相对谷对之间的变化。
图 16 PP-GF30 的截面几何分析。(a)(c) 无、有 LED 预热的截面；(b)(d) 相应厚度剖面
这些结果表明，PP-GF30 两种研究条件之间的差异主要与截面厚度波动的减小有关，而非平均厚度的改变。此外，更大的相对谷–谷距离说明 LED 预热截面上、下熔丝间谷之间的局部厚度更大，与熔丝界面处局部厚度减小程度较轻相符。
图 16 中可见的周期性谷反映实际的打印层状几何。在 LFAM 中，30 wt% 玻璃纤维增强聚丙烯的类似几何特征已用接触宽度、层高与沉积厚度等参数定量[19]；玻璃纤维增强聚丙烯的多熔丝截面研究也表明，熔丝间几何对层高与材料流量敏感[26]。本工作的 PP-GF30 截面观察到类似的熔丝间几何特征，与既有 LFAM 研究一致[19,26]。在本工作的 PP-GF30 截面中，平均相对谷–谷距离与平均截面厚度之比由无 LED 预热时的 0.66 提高到LED 预热时的 0.83，说明层界面处的局部收窄程度较轻。相对粗糙的层状轮廓也与大层高挤出工艺固有的几何分辨率限制相符——降低层高与改善挤出流量控制已被证明可提高表面与几何质量[27]。
5 结论
本研究针对纤维增强热塑性塑料的材料挤出 LFAM，提出了一种定向自适应 LED 预热方法，并对 LED 加热区温度实施闭环调节。实验研究了加热响应、温控性能以及 LED 预热对层间性能的影响，主要结论如下：
（1）LFAM 打印过程中沉积方向的改变要求 LED 局部预热在空间自适应与热调节上协同配合。自适应调整加热区与测量 ROI 可使其在沉积前方保持空间对齐，而温度反馈则调节由此产生的热响应。对 PP-GF30，反馈调节使温度 CV 由定向自适应恒功率运行时的 7.9%～10.7% 降至直路径上的 1.2%～1.9%、曲路径上的2.0%～4.3%。
（2）LED 预热条件取决于材料与工艺。PP-GF30 与 PA6-CF40 在相同功率与行进速度下表现出不同的表观表面温度响应，说明仅靠预设功率无法建立可迁移的实测热条件。因此温度目标与运行设置需兼顾材料需求以及在所选行进速度下可用的加热能力。
（3）在选定条件下，温控局部 LED 预热改善了层间性能与局部截面均匀性，但 x–z 强度差异仍然显著。这种持续的各向异性与沿挤出方向的纤维增强以及跨层以基体和界面为主的载荷传递相符。局部温度控制可以改善层间质量，但并不单独决定力学性能，也无法消除沉积材料的力学方向性响应。
总体而言，所提出的 LED 预热方法在界面结合之前于基体表面建立了受控的局部热条件，使多方向路径上的层间形成更加一致。
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来源：Journal of Materials Processing Technology、迈爱德编辑整理
