如何为机械臂选择打印耗材
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FDM 3D 打印已成为业余和小规模机器人项目中最实用的制造方式之一。它支持快速原型制作、短设计迭代、低生产成本，并且无需专用工装即可制造复杂零件。设计可以在几小时内修改、重新打印并完成测试，因此开发机器人机构的速度远快于传统制造方法。它还让备件和小批量生产变得可行，无需昂贵的设备或模具。
尽管有这些优势，FDM 打印也带来若干工程挑战。打印件通常不如机加工件或注塑件刚硬和结实，由于层间各向异性，其力学性能高度依赖打印方向，而且许多常见材料在温度并不算高时就会失去刚度或发生变形。最终性能不仅取决于材料本身，还取决于打印参数、零件几何形状和后处理。
对机械臂而言，这些限制直接影响实际表现。结构件必须承受反复载荷而不过度弯曲，保持尺寸精度，抵抗长期变形，并在温度较高的环境中持续可靠工作。它们还可能因碰撞、急停急动、接触机械限位、意外跌落或装配操作而承受突然载荷。在缓慢或持续载荷下表现良好的材料，受到冲击时仍可能开裂或失效。
本文比较了几种常见的碳纤维增强耗材，并以普通 PLA 和 PETG 作为参照材料。目的是在贴近实际的打印条件下评估它们对机器人结构件的实用适配性。我们没有仅依赖厂商数据表，而是基于可重复的弯曲刚度、耐热性、长期变形和冲击行为测量进行比较。
碳纤维增强耗材
碳纤维增强（CF）耗材是一类复合材料，将短碳纤维混入 PLA、PETG 或 PET 等常规热塑性树脂中。碳纤维作为增强填料，在保持 FDM 打印便利性的同时改变打印件的力学行为。
与未增强的同类材料相比，CF 耗材通常能打印出刚度更高、尺寸稳定性更好、热膨胀更小的零件。它们还具有特有的哑光表面，可以掩盖层纹，使零件外观更专业。实际提升幅度取决于基体树脂和碳纤维含量，因此 PET-CF、PETG-CF 和 PLA-CF 应被视为不同的材料系列，而非同一材料的变体。
在本研究中，我们将碳纤维增强耗材与作为参照的普通 PLA、PETG 进行比较，评估它们为机械臂结构件带来多少实际改善。
退火处理
退火是在树脂熔点以下进行的受控热处理。视材料而定，该过程可以释放内应力并提高结晶度，从而改善刚度、耐热性以及载荷下的尺寸稳定性。许多碳纤维增强耗材的厂商建议在工程应用中进行退火，以获得最佳力学性能。
退火效果在很大程度上取决于基体树脂。PET-CF、PETG-CF 和 PLA-CF 的反应可能各不相同，改善幅度随配方和工艺条件从微乎其微到相当显著。退火还可能引起收缩或翘曲等尺寸变化，这对精密机械装配是不利的。
为评估其实际收益，本研究中的每种碳纤维增强耗材都在刚打印完成的状态和按厂商推荐工艺退火后的状态下进行了测试。这样便可将退火效果与额外的处理时间和可能的尺寸变化一并权衡。
试验方案概览
单一材料性能并不能决定某种耗材是否适合机器人结构件。有的材料非常刚硬，却在温度升高时变形；有的耐热良好，却在持续载荷下逐渐弯曲。为此，我们用四项互补试验评估这些材料，每项针对机械臂实际使用中的不同方面。
- 三点弯曲试验 — 在四级受控载荷下记录试样挠度，以衡量弯曲刚度。测得的数据用于计算弯曲模量，从而在不受试样间微小尺寸差异影响的前提下比较不同材料的刚度。
- 耐热试验 — 评估承载试样在 65–70 °C 下保持形状的能力。之所以选择该温度区间，是因为机器人关节内部的舵机在连续运行时可达到类似温度。如果结构件因电机发热而软化或变形，即使没有过大的外部载荷，定位精度和机械可靠性也会下降。
- 长期变形试验 — 评估材料在持续载荷下的抗蠕变能力。在机器人应用中，结构件常常在支撑机械臂自重或负载的同时长时间承受相同的力。
- 摆锤冲击试验 — 用悬臂梁（Izod）和简支梁（Charpy）两种配置，比较试样在突然受载时吸收能量的能力。两种配置的支撑和加载条件不同，因而反映出断裂行为的不同侧面。
研究的局限性
本研究旨在在受控且可重复的打印与试验条件下比较不同耗材的表现。为尽量减小几何形状的影响，所有试样均以相同设置打印为实心（100% 填充）。这种做法使各材料的结果可直接比较，但并不能完全代表真实机械臂零件的构造方式。
在实际应用中，大多数 FDM 结构件采用30–40% 填充、多层外壁以及为增材制造优化的几何形状。加强筋、角撑、箱型截面和更厚的壁面能在保持较低重量和打印时间的同时显著提升刚度与强度。因此，本研究测得的绝对挠度不应被理解为成品机械臂零件的预期表现。
冲击试验使用的是一台小型、未经认证的摆锤试验装置，用于材料的比较评估，而非标准化的冲击强度测量。记录结果以相对吸收能量指数表示，不能解释为以焦耳或千焦每平方米计的冲击强度，也不能与厂商数据表或标准化的 Izod、Charpy 数值直接比较。
受测材料
Polymaker Fiberon PET-CF17 被选为机械臂结构件的主要候选材料之一。PET-CF 是以 PET 为基体的碳纤维增强耗材，旨在把 PET 的尺寸稳定性与耐久性同碳纤维带来的更高刚度结合起来。对本项目而言，它的吸引力在于可能在刚度、可打印性和实用强度之间取得良好平衡，而无需转向更难加工的高温工程塑料。
Bambu Lab PETG-CF 是一种碳纤维增强的 PETG 耗材。据 Bambu Lab 介绍，该材料旨在相对普通 PETG 同时提升力学性能和表面观感，并保留 PETG 的耐水、耐油、耐油脂、抗紫外线和抗冲击等优点。它对我们项目同样重要，因为它被定位为可在消费级打印机上制作功能件的材料，表面更整洁、柔性低于普通 PETG。
CC3D PETG-CF 作为另一种以 PETG 为基体的碳纤维复合材料被纳入比较。它与 Bambu Lab PETG-CF 形成有价值的对照：两者基于类似的 PETG-CF 思路，却来自不同厂商。这样便可检验观察到的表现主要源于材料类型本身，还是各厂商的配方会对刚度、表面质量和打印质量产生明显影响。
Creality Hyper PLA-CF 作为以 PLA 为基体的碳纤维增强材料被纳入比较。PLA 通常易于打印且刚度良好，碳纤维增强则可进一步提高刚度并减弱可见的层纹。Creality 称其 Hyper PLA-CF 具有高强度、良好的层间结合、哑光表面、极小的层纹以及最高 300 mm/s 的打印速度。对机械臂零件来说，它有望在相对容易打印的同时提供高刚度和良好的表面质量。
Creality PETG 作为未增强的 PETG 参照材料参与测试。PETG 常用于功能性 3D 打印件，因为它比普通 PLA 更韧、脆性更低，同时仍可在常见的桌面 FDM 打印机上打印。在本研究中，它作为基准，用于评估碳纤维增强相对普通 PETG 在刚度和弯曲表现上的提升幅度。
Soleyin Ultra PLA 作为标准 PLA 参照材料参与测试。PLA 应用广泛、易于打印、尺寸稳定，打印件外观通常干净整洁。但它可能比 PETG 系材料更脆，对承受较高温度或冲击载荷的零件适应性较差。在本次比较中，它为理解普通 PLA 相对碳纤维增强方案的表现提供了有用基准。
试验装置与方法
三点弯曲试验
本试验的目的是测量材料在受控载荷下的弹性变形。对机器人结构件而言，刚度是重要特性，因为即使载荷远低于破坏极限，过大的挠度也会降低定位精度和重复性。
在实验对比中，我们采用了 Stefan Hermann（CNC Kitchen）公开的 三点弯曲试验台设计 ，并针对我们手头可用的销轴直径做了细微修改。试样尺寸与原设计保持一致，以确保试验几何一致、结果可比。
试验台由两个下支撑销和一个上加载销组成。试验时试样两端受支撑，垂直载荷施加在跨中。所产生的跨中挠度在预设载荷级别下用数显千分表测量。随后利用这些测量值计算各试样的弯曲模量，并在相同条件下比较所测材料的刚度。
弯曲模量的测量
本试验比较的主要数值是弯曲模量，它描述试样在弹性区间内的抗弯刚度。
通俗地说，弯曲模量表示打印试样在已知载荷下抵抗弯曲的能力。弯曲模量较高的材料在相同作用力下挠度更小，模量较低的材料则弯曲更多。
对我们的机械臂应用来说，这一点尤为重要，因为我们希望在机械臂完全伸展并承载标准负载时，把结构挠度降到最低。
在三点弯曲试验中，我们为每个试样测量四个基准载荷点：
(F₁, δ₁), (F₂, δ₂), (F₃, δ₃), (F₄, δ₄)
其中 F 为施加的力，δ 为测得的跨中挠度。
由这些点可以计算力-挠度曲线的斜率：
k = ΔF / Δδ
其中 k 为试样的抗弯刚度。它可由第一个和最后一个测量点估算：
k = (F₄ − F₁) / (δ₄ − δ₁)
也可以对四个测量点做直线拟合求得。
对于三点弯曲中的矩形截面试样，弯曲模量按下式计算：
E = (kL³) / (4bh³)
其中 L 为两个下支撑销之间的距离，b 为试样宽度，h 为试样在弯曲方向上的厚度。
实际试验条件
所有材料均在相同的打印和测量条件下进行三点弯曲试验。每种试验状态至少准备两个试样。对碳纤维增强耗材，正常（刚打印完成）和退火两种状态各至少评估两个试样，而参照材料 PLA 和 PETG 仅在刚打印完成的状态下测试。每个试样均为实心打印，4 层外壁，层高 0.2 mm，喷嘴直径 0.4 mm。试样公称尺寸为 120 × 12 × 4 mm，每个试样的实际尺寸单独测量并用于弯曲模量计算。两个下支撑销之间的距离为 102.5 mm。
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 耗材干燥时长 | 6 小时 |
| 外壁层数 | 4 |
| 填充率 | 100% |
| 喷嘴直径 | 0.4 mm |
| 层高 | 0.2 mm |
| 试样公称尺寸 | 120 × 12 × 4 mm |
| 支撑跨距 L | 102.5 mm |
| 每级载荷的基准质量 | 0.350 kg |
| 每级载荷的作用力 | 3.43 N |
表 1. 三点弯曲试验的打印与测量条件。
载荷通过可重复使用的基准砝码分四级施加。基准质量约为 0.35 kg，在标准重力下相当于每级 3.43 N；四个载荷等级约为 3.43 N、6.86 N、10.30 N 和 13.73 N。每一级都用数显千分表测量跨中挠度。正常试样在打印后直接测试；Fiberon PET-CF17、Bambu Lab PETG-CF、Creality PLA-CF 和 CC3D PETG-CF 另外以单独退火的试样进行了测试。
| 耗材 | 打印温度 (°C) | 退火温度 (°C) | 退火时间 |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 | 300 | 110 | 6 小时 |
| Bambu Lab PETG-CF | 255 | 65–70 | 6 小时 |
| Creality PLA-CF | 220 | 60 | 6 小时 |
| CC3D PETG-CF | 255 | 65–70 | 6 小时 |
表 2. 碳纤维增强试样所用的退火工艺。
补充试验条件
耐热试验采用与三点弯曲试验相同的试样几何。每个试样支撑跨距为 100 mm，跨中悬挂 110 g（约 1.08 N）的载荷。试样在 65–70 °C 的实验室烘箱中放置 1 小时，随后测量永久挠度并与初始状态比较。
长期变形试验采用相同的三点支撑布置，跨中载荷为 1 kg（约 9.81 N）。施加载荷后立即测量初始挠度，30 分钟后进行第二次测量以量化随时间发展的变形（蠕变）。随后卸载，试样恢复 2 分钟后记录最终残余挠度。该流程可以区分弹性变形、持续载荷下的蠕变以及卸载后的永久变形。
摆锤冲击试验
冲击试验的目的是比较不同耗材试样在突然受载时能够吸收多少能量。它与评估缓慢加载下变形的三点弯曲试验互为补充。某种材料在正常受载时可能非常刚硬，受到撞击却会骤然断裂；而韧性更好的材料可以弯曲更多，在破坏前吸收更多能量。因此，对可能遭遇碰撞、接触机械限位、意外跌落或其他短时载荷的机器人零件来说，冲击试验很有价值。
试验台以 Printables 上公开的开源项目 Izod Impact Test 作为参考设计搭建。它使用从可重复初始位置释放的摆锤，并通过机械刻度显示摆锤撞击试样后继续摆动的距离。摆锤剩余行程减少得越多，说明试样在变形和断裂过程中吸收的能量越多。同一台装置可配置为 Izod 式和 Charpy 式试验，使材料能够在两种不同的支撑与加载布置下进行比较。
摆锤冲击试验实拍。
在 Izod 配置中，试样垂直放置并在一端夹紧，上部保持自由。摆锤撞击试样的外露部分，产生动态悬臂弯曲载荷。该配置使应力集中在夹持部位附近，便于比较材料对突然局部载荷的抵抗能力。试样位置、夹持深度、摆锤释放位置以及撞击方向相对于打印层的关系，在各次试验中保持一致。
在 Charpy 配置中，试样水平放置在两个支点上，摆锤从两支点之间撞击。这会产生动态弯曲载荷，总体布置与三点弯曲相似，但以冲击速度施加。试样在断裂前可以沿支撑跨距变形，因此结果既反映断裂抗力，也反映材料通过弯曲吸收能量的能力。由于两种配置产生的应力分布不同，不能视作可直接互换的测量值，因此 Izod 与 Charpy 结果分别评估。
摆锤刻度被用作相对度量，而非经过标定的能量读数。相对吸收能量指数按 100 减去冲击后的摆锤读数计算，因此数值越高表示在本装置内吸收的能量越多。因此，这些结果应理解为在同一装置、相同条件下测试的试样之间的比较，而不是以焦耳或千焦每平方米表示的标准化冲击强度。
冲击试样沿用了其他试验中相同的耗材种类和打印条件。普通 PLA 和 PETG 仅在刚打印完成的状态下测试，而每种碳纤维增强耗材则在打印态和退火态下分别测试。退火试样按前面表 2 中列出的各材料专用温度和时长处理。
三点弯曲刚度结果
在刚打印完成的试样中，Creality PLA-CF 和 Fiberon PET-CF17 刚度最高，计算得到的弯曲模量分别为 2898 MPa 和 2891 MPa。两者在载荷下的挠度也最小，是打印态下表现最好的材料。CC3D PETG-CF 以 2319 MPa 位列第三，优于普通 PETG 和普通 PLA。
参照材料的结果表明，仅靠碳纤维增强并不能保证性能提升。Creality PETG（2029 MPa）和 Soleyin PLA（1862 MPa）虽然完全不含碳纤维，却明显比 Bambu Lab PETG-CF（1595 MPa）更刚硬。这说明基体树脂和整体配方比单纯的碳纤维含量更为关键。
| # | 耗材 | 弯曲模量 E (MPa) | 最大挠度 (mm) |
|---|---|---|---|
| 1 | Creality PLA-CF 正常 | 2898.32 | 1.58 |
| 2 | Fiberon PET-CF17 正常 | 2891.47 | 1.50 |
| 3 | Soleyin PLA | 1862.16 | 2.40 |
| 4 | Bambu Lab PETG-CF 正常 | 1594.96 | 2.80 |
| 5 | Creality PETG | 2029.01 | 2.40 |
| 6 | CC3D PETG-CF 正常 | 2319.00 | 2.00 |
| 7 | Fiberon PET-CF17 退火后 | 3480.37 | 1.20 |
| 8 | Bambu Lab PETG-CF 退火后 | 1831.19 | 2.50 |
| 9 | Creality PLA-CF 退火后 | 2948.27 | 1.50 |
| 10 | CC3D PETG-CF 退火后 | 2495.82 | 1.90 |
表 3. 三点弯曲刚度与最大挠度结果。
力-挠度曲线直观地呈现了同样的趋势。Fiberon PET-CF17（退火后）在整个载荷范围内始终挠度最小，其次是 Creality PLA-CF。Bambu Lab PETG-CF 在退火前后都是最柔的材料，其余材料处于中间位置。
退火对弯曲刚度的影响
退火提高了所有受测碳纤维增强耗材的弯曲刚度，但提升幅度在很大程度上取决于材料。如图所示，其响应从几乎无法测出的变化到刚度的大幅提升不等。
从退火中获益最大的是 Fiberon PET-CF17，其弯曲模量从 2891 MPa 提高到 3480 MPa，提升 20%。它由此从打印态下与 Creality PLA-CF 基本持平，跃升为整个比较中刚度最高的材料。
Bambu Lab PETG-CF 同样有明显改善，从 1595 MPa 提高到 1831 MPa，提升 15%。虽然它仍是受测碳纤维复合材料中刚度最低的，但这一提升说明退火可以明显提高 PETG-CF 类材料的刚度。
CC3D PETG-CF 的响应较为温和，弯曲模量提升 8%（从 2319 MPa 到 2496 MPa）。
Creality PLA-CF 仅变化 2%（从 2898 MPa 到 2948 MPa），说明推荐的退火工艺几乎不能为该材料带来额外刚度。
这些结果表明，退火的收益不能推广到所有碳纤维增强耗材。虽然每种材料都变得更刚硬，但提升幅度随基体树脂和配方从微不足道到相当可观。若以最大刚度为首要目标，在受测条件下从退火中获得最大实际收益的是 Fiberon PET-CF17。
耐热性
舵机在连续运行时可达到 65–70 °C，在持续载荷下或封闭式机器人关节内部尤其如此。因此，靠近电机的结构件必须在高温下保持形状，以免损失定位精度或产生机械干涉。本试验评估各材料在贴近真实运行温度下承受恒定载荷时保持几何形状的实际能力。
试样以与三点弯曲试样相同的公称几何，在 65–70 °C 下测试 1 小时。每个试样支撑跨距为 100 mm，跨中加载 110 g（约 1.08 N）的重物。试验后测得的跨中挠度用作载荷下耐热性的指标。
| 耗材 | 正常 (mm) | 退火后 (mm) | 改善倍数 |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 | 3.4 | 0.3 | 11.3× |
| Bambu Lab PETG-CF | 5.9 | 2.5 | 2.4× |
| CC3D PETG-CF | 6.0 | 2.3 | 2.6× |
表 4. 在 1.08 N 载荷下、65–70 °C 保持 1 小时后的热挠度。
Creality PLA-CF、Soleyin PLA 和未填充的 Creality PETG 在此条件下变形过于严重，无法给出有意义的可比测量值。
结果表明，退火对耐热表现的影响远大于对室温刚度的影响。Fiberon PET-CF17 改善最为显著，挠度从 3.4 mm 降至 0.3 mm，保形能力提高约 11 倍。两种 PETG-CF 材料同样从退火中大幅受益，挠度减少一半以上，但仍明显不如退火后的 Fiberon PET-CF17 稳定。
其余材料在试验条件下无法保持形状。这并不意味着它们在所有应用中都不可用，但表明除非工作温度能够保持在受测范围以下相当多，否则不应将它们用于连续运行舵机附近的结构件。
长期变形
机械臂零件常常在支撑机械臂自重或负载的同时承受持续载荷。即使材料足够刚硬，也可能随时间逐渐变形，并在卸载后无法完全回弹。本试验评估材料对随时间发展的变形（蠕变）的抵抗能力，以及长时间受载后恢复原有形状的能力。
每个试样按前述相同的三点支撑布置，在跨中加载 1 kg 重物并保持 30 分钟。施加载荷后立即记录初始挠度，30 分钟后进行第二次测量以量化蠕变。卸载后让试样恢复 2 分钟，再测量剩余的残余挠度。
| 耗材 | 初始挠度 (mm) | 30 分钟后 (mm) | 残余挠度 (mm) |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 N | 1.08 | 1.18 | 0.10 |
| Fiberon PET-CF17 A | 0.82 | 0.92 | 0.02 |
| Bambu Lab PETG-CF N | 1.88 | 2.12 | 0.20 |
| Bambu Lab PETG-CF A | 1.80 | 2.00 | 0.15 |
| CC3D PETG-CF N | 1.60 | 1.64 | 0.14 |
| CC3D PETG-CF A | 1.57 | 1.63 | 0.20 |
| Creality PLA-CF N | 1.15 | 1.37 | 0.29 |
| Creality PLA-CF A | 1.00 | 1.13 | 0.40 |
| Soleyin PLA N | 1.60 | 2.05 | 0.30 |
| Creality PETG N | 1.70 | 1.83 | 0.10 |
表 5. 1 kg 载荷下的长期变形及恢复 2 分钟后的残余挠度。
在所有受测材料中，Fiberon PET-CF17 的长期尺寸稳定性最佳。退火使其初始挠度从 1.08 mm 降至 0.82 mm，而 30 分钟加载期间的蠕变在两种状态下都很小（0.10 mm）。更重要的是，残余挠度从 0.10 mm 降至仅 0.02 mm，说明卸载后几乎完全恢复。
Bambu Lab PETG-CF 也从退火中受益，残余挠度从 0.20 mm 降至 0.15 mm。相比之下，CC3D PETG-CF 在本试验中收益甚微，退火后残余挠度反而从 0.14 mm 略增至 0.20 mm。在碳纤维复合材料中残余变形最大的是 Creality PLA-CF，退火后从 0.29 mm 增至 0.40 mm。
这些结果凸显了刚度与长期尺寸稳定性之间的重要差别。虽然退火提高了所有受测碳纤维耗材的弯曲模量，但并未普遍改善持续受载后的回复能力。对需要长时间承载的机械臂零件而言，唯一在刚度、耐热性和长期尺寸稳定性上都明显改善的材料是 Fiberon PET-CF17。
冲击试验结果
摆锤冲击试验用于比较受测材料在两种不同配置下对突然载荷的响应。在 Izod 配置中，每个试样作为垂直夹持的悬臂受载；在 Charpy 配置中，试样两端水平支撑并在支点之间受到撞击。由于两种配置产生的应力分布不同、允许的试样变形量也不同，其结果分别呈现。
记录的数值以摆锤刻度计算得到的相对吸收能量指数表示。数值越高，说明冲击过程中从摆锤带走的能量越多。这些数值仅用于比较在同一装置上测试的试样，不应解释为标准化的冲击强度数值。
| 耗材 | 状态 | Izod | Charpy |
|---|---|---|---|
| Creality PLA-CF | 正常 | 20 | 12 |
| Fiberon PET-CF17 | 正常 | 15 | 5 |
| Soleyin PLA | 正常 | 17 | 15 |
| Bambu Lab PETG-CF | 正常 | 29 | 65 |
| Creality PETG | 正常 | 24 | 60 |
| CC3D PETG-CF | 正常 | 20 | 8 |
| Fiberon PET-CF17 | 退火后 | 8 | 10 |
| Bambu Lab PETG-CF | 退火后 | 25 | 22 |
| Creality PLA-CF | 退火后 | 18 | 12 |
| CC3D PETG-CF | 退火后 | 21 | 13 |
表 6. Izod 与 Charpy 冲击试验的相对吸收能量指数。数值越高表示吸收的能量越多。
最明显的结果是正常状态下 Bambu Lab PETG-CF 和普通 Creality PETG 的 Charpy 能量吸收显著更高，相对吸收能量指数分别为 65 和 60。同一配置下其他正常试样均在 15 及以下。Izod 结果则更为接近，最高值仍由 Bambu Lab PETG-CF 取得，其次是普通 PETG。
退火带来了若干明显变化，最突出的是 Bambu Lab PETG-CF 的 Charpy 结果从 65 降至 22，以及 Fiberon PET-CF17 的 Izod 结果从 15 降至 8。相反，正常与退火试样之间约 5% 的细小差异处于本装置的实际能力范围之内，不应视为已确认的改善或劣化。
结果讨论
刚度与抗冲击性
结果表明，刚度与抗冲击性是彼此独立的材料性能，不应混为一谈。三点弯曲试验衡量试样在缓慢加载下抵抗弹性变形的能力，而摆锤试验评估其在突然冲击中吸收的能量。因此，某种材料在正常工作时可能非常刚硬，受到撞击却会骤然失效。
把 Fiberon PET-CF17 与 PETG 系材料相比时，这一区别尤为清晰。Fiberon 属于最刚硬的试样之一，退火后更成为最刚硬的材料，但它的冲击结果相对偏低。相反，Bambu Lab PETG-CF 在弯曲试验中是刚度最低的 CF 材料，却在正常试样中取得最高的冲击指数。普通 Creality PETG 也呈现相同规律：刚度中等，而 Charpy 能量吸收非常高。
这些结果说明，材料选择应取决于零件预期的受载条件。刚性连杆、舵机支架以及必须保持定位精度的结构，主要受益于高刚度和低蠕变。外壳、护板、夹爪部件以及易受碰撞的零件，则更适合能够吸收冲击能量的韧性 PETG 系材料。当两种性能都重要时，通过零件几何、壁厚、局部加强和可更换的保护件来解决，往往比依据单一试验结果选材更有效。
碳纤维增强耗材与普通耗材
结果证实，碳纤维增强可以显著提升打印结构件的性能，但仅仅加入碳纤维并不能保证提升。基体树脂和整体配方的影响似乎大于碳纤维本身的存在。
在刚打印完成的试样中，Fiberon PET-CF17 和 Creality PLA-CF 明显比参照材料 PLA 和 PETG 更刚硬。CC3D PETG-CF 在三点弯曲试验中也优于普通 PETG。然而 Bambu Lab PETG-CF 的刚度低于两种参照材料，说明碳纤维增强耗材并不会自动比未填充树脂更刚硬。
冲击结果揭示了另一个重要差别。普通 Creality PETG 取得了本研究中最高的 Charpy 吸收能量指数之一，仅略低于 Bambu Lab PETG-CF，远高于其他 CF 复合材料。这表明碳纤维增强未必能提高抗冲击能力，反而可能削弱材料在断裂前变形并吸收能量的能力。该效应随配方差异很大：Bambu Lab PETG-CF 在正常试样中冲击能量吸收最高，而 CC3D PETG-CF 和 Fiberon PET-CF17 的 Charpy 结果则低得多。
碳纤维增强还带来了明显更好的表面质量。所有受测 CF 材料都呈现均匀的哑光外观，层纹不明显，打印件几乎不需要外观后处理。总体而言，CF 耗材应被视为具有特定刚度、热稳定性、抗蠕变性和冲击行为组合的独立工程材料，而不是其未增强版本的简单升级。
退火的实际应用
退火提高了所有受测碳纤维增强材料的刚度和耐热性，但变化幅度与总体价值在很大程度上取决于具体耗材。收益最大的是 Fiberon PET-CF17，其弯曲刚度、耐热性和长期尺寸稳定性均有改善。Bambu Lab PETG-CF 和 CC3D PETG-CF 也变得更刚硬，并在高温下更好地保持形状，但改善的全面性较差。
长期变形试验与冲击试验表明，退火不应被视为普遍适用的改进手段。刚度提高并不总能带来持续受载后更好的回复，抗冲击性则可能随材料和试验配置提高或下降。最显著的负面结果出现在 Bambu Lab PETG-CF：其 Charpy 吸收能量指数在退火后从 65 降至 22。Fiberon PET-CF17 的 Izod 结果也大幅下降。
因此，是否退火应根据成品零件的主导需求来决定。当热稳定性、刚度和抗缓慢变形是首要目标时，退火非常有益，对 Fiberon PET-CF17 尤其如此。但对于需要吸收碰撞或突然载荷的零件，退火可能降低有用的韧性，应谨慎评估。其效果取决于基体树脂、纤维含量、厂商配方，以及具体机器人零件所需的性能平衡。
结论
本研究通过四项互补试验比较了几种市售碳纤维增强耗材：三点弯曲刚度、载荷下的耐热性、长期变形，以及 Izod 与 Charpy 配置下的摆锤冲击试验。结果表明，没有任何单一性能足以确定适用于所有机械臂零件的最佳耗材。刚度、热稳定性、抗蠕变能力和抗冲击性必须分别考量。
对于位于舵机附近或需承受持续载荷的刚性结构件，Fiberon PET-CF17 的综合表现最佳。它兼具很高的刚度、出色的热稳定性以及长时间受载后最小的残余变形。退火还带来了可观的额外收益，使其成为本研究中最适合连杆、舵机支架及其他精度关键结构件的材料。不过其冲击结果相对偏低，因此在以抗碰撞为首要要求的场合适配性较差。
CC3D PETG-CF 是一个务实的次选方案，适合看重中等刚度、退火后更好的耐热性、PETG 的易打印性以及良好表面质量的场合。它在刚度、耐热性和长期尺寸稳定性上都不及 Fiberon，冲击表现也有限，但作为一般结构件的折中方案仍然实用。
对于可能遭遇突然弯曲、碰撞或意外冲击的零件，正常状态下 Bambu Lab PETG-CF 和普通 Creality PETG 的 Charpy 结果最好。它们刚度较低、耐热性较弱，限制了在发热电机附近精密结构件中的应用，但更适合外壳、护板、夹爪部件、缓冲件等以吸收能量而非保持高刚度为目标的零件。
Creality PLA-CF 在打印态下刚度出色，但耐高温能力较差，冲击能量吸收也只是中等。因此它最适合工作温度远低于 PLA 软化区间的被动或轻载结构，在这类场合高刚度和易加工比耐热或抗冲击更重要。
退火不应被当作普遍适用的改进。它显著提升了若干材料的刚度和热稳定性，对 Fiberon PET-CF17 尤为明显，但并未一致地改善长期回复能力，还可能降低冲击能量吸收。因此，热处理应依据最终零件的主导需求来选择，而不是自动施加。
总体而言，最佳材料取决于预期的失效模式。刚性且承受热负荷的结构首选 Fiberon PET-CF17，CC3D PETG-CF 是务实的次选结构材料，而在抗冲击比最大刚度更重要的零件上，Bambu Lab PETG-CF 或普通 PETG 可能更合适。选材应逐件进行，依据工作温度、持续载荷、所需定位精度以及遭遇突然冲击的可能性来决定。
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