利用实验与人工神经网络评估石墨烯增强粘接剂粘合的增材制造碳纤维增强PLA粘接件的结构性能

面向实际应用的更强3D打印部件

如今许多人依赖3D打印制造小工具、工具乃至医疗器械，但打印塑料部件在接合处往往太脆弱。本研究探讨如何使3D打印件之间的粘接连接更强、更可靠，从而让轻量打印结构在汽车、飞机及其他日常技术中承受真实载荷时更安全。

为何粘接接头在3D打印中至关重要

大多数桌面3D打印机只能在其构建区内打印物体，因此较大的结构需由较小零件组装而成。这些零件通常用螺栓或铆钉连接，会增加重量并可能损伤塑料；也可用胶水粘合，胶水能更温和地分布载荷，但若粘结弱则会失效。作者关注一种常见的可降解塑料PLA，并用短碳纤维增强，研究如何设计一款粘接搭接接头，使其在断裂前能承受更高的力。

将石墨烯掺入粘接剂

为提高胶层强度，团队将微小的石墨烯片加入标准环氧粘接剂，并用其粘接碳纤维增强PLA条状件，采用简单的单搭接接头。他们制备了不同石墨烯含量的若干粘接剂配方，并用超声分散颗粒。在制作接头前，先打印了不同打印方向的试件，发现将打印线与拉力方向对齐可获得最高的基准强度，因此将此设置用于所有后续样品。

新型接头在弯曲与剪切下的表现

研究者随后对粘接条进行拉伸和弯曲测试，测量其可承受的力和伸长距离。加入少量石墨烯后接头强度迅速提升，在约1.5%（质量分数）时性能显著改善，剪切强度增加超过一倍，弯曲强度较无石墨烯粘接剂提高约三分之二。在该含量下，接头在断裂前吸收了更多能量，失效模式从粘接剂与塑料脱离（剥离）转变为粘接剂本身撕裂，表明粘接剂与打印件之间的粘结大幅改善。

观察裂纹与振动的微观原因

为了解石墨烯为何能带来如此变化，团队在强力电子显微镜下检查了断裂表面。未加石墨烯的粘接剂断裂面平滑，表明裂纹直切而过阻力小。加入适量石墨烯后，断裂面变得粗糙并充满微小特征，颗粒迫使裂纹扭曲、分支并绕行，延缓最终失效。若石墨烯加入过多，颗粒聚集形成团块，产生易起裂纹的薄弱区，解释了高含量下强度反而下降的原因。团队还敲击粘接条研究其振动特性，发现最优石墨烯含量的接头具有更高的固有频率和更低的阻尼，意味着它们更刚性，振动时能量损失更少。

教计算机预测接头性能

除了实验测试，作者还训练了一个人工神经网络——一种受大脑启发的计算模型——来预测接头的表现。模型输入了有关接头载荷、石墨烯含量以及在剪切、弯曲与振动中观测到的响应。训练后，该模型能较好地拟合测量结果，误差仅为几个百分点。这表明工程师可以使用类似模型快速估算新接头设计的性能，而无需构建和测试大量实体样品。

对未来3D打印结构的意义

通俗地说，这项工作表明在碳纤维增强PLA部件之间使用的胶水中精心掺入少量石墨烯，可以显著提高接头的强度与刚度，并存在明显的最优含量。结合能可靠预测性能的计算模型，这种方法有望帮助设计师为车辆、建筑与需承受实际载荷的设备打造更轻、更坚韧的3D打印组件，而不仅仅是桌面陈列品。

引用: Dhilipkumar, T., Karthikeyan, N., Murali, A.P. et al. Assessing the structural performance of additively manufactured carbon fibre reinforced PLA-based adherends bonded with graphene-enhanced adhesive using experimental and ANN analysis. Sci Rep 16, 15609 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42780-w

关键词: 3D打印接头, 石墨烯粘接剂, 碳纤维PLA, 结构强度, 神经网络预测