引用論文

Yazhou Li, Qiang Yang, Fu Wang, Lingyun Jian, Qianyuan Wang, Jintao Xiao, Tao Wu, Dichen Li. Research on the Morphology and Mechanical Property of Bonding Interfaces Fabricated by Multimaterial Digital Light Processing. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 4, Issue 3, 2025, 200200.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200200.

文章鏈接：

1研究背景及目的

多材料數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)，憑借高分辨率和快速成形能力，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能集成中具有重要應(yīng)用。然而，不同材料之間的固化行為和物理性能差異導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度不足，影響其在高性能結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用。本文旨在研究多材料DLP 3D打印中兩種樹(shù)脂的界面結(jié)合形貌及力學(xué)性能，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型并優(yōu)化工藝參數(shù)。

2論文亮點(diǎn)

（1）系統(tǒng)研究了不同工藝參數(shù)對(duì)多材料DLP 3D打印試件界面宏微觀形貌及力學(xué)性能的影響；

（2）建立了界面結(jié)合強(qiáng)度的優(yōu)化模型并通過(guò)優(yōu)化算法確定了界面處的最優(yōu)打印參數(shù)，為多材料DLP 3D打印過(guò)程提供了理論依據(jù)；

（3）提出了一種界面變參數(shù)打印策略并進(jìn)行了驗(yàn)證，在不犧牲打印效率的前提下，顯著提高了界面結(jié)合強(qiáng)度。

3試驗(yàn)方法

本研究采用兩種光敏樹(shù)脂進(jìn)行多材料DLP 3D打印，通過(guò)更換料池實(shí)現(xiàn)不同樹(shù)脂的打印，制備了力學(xué)試樣。隨后對(duì)試件的界面宏微觀形貌與拉伸斷面進(jìn)行觀察。在此過(guò)程中使用三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)采集變形數(shù)據(jù)，生成應(yīng)變?cè)茍D以分析材料的表面變形情況。除此之外，通過(guò)有限元仿真模擬多材料試樣界面的應(yīng)力分布。建立了DLP工藝參數(shù)對(duì)多材料試樣界面結(jié)合強(qiáng)度影響規(guī)律并揭示了拉伸斷裂機(jī)理，最后通過(guò)界面變參數(shù)打印驗(yàn)證了界面結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)化模型。

Fig. 1. Schematic of multi-material DLP forming

Fig. 2Interface variable-parameter printing specimens and their tensile strength with macro- and microscopic morphology: (a) tensile specimens after fracture, (b) stress-strain curve, (c)

variable layer thickness printing near the interface, (d) interfacial bonding condition, and

(e) microscopic morphology of the fracture surface.

4結(jié)果

（1）適當(dāng)增加額外曝光時(shí)間可以使材料間結(jié)合顯著改善，界面結(jié)合更加緊密，沒(méi)有明顯的裂縫或缺陷，并且光聚合反應(yīng)更加充分，內(nèi)部形成一些互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（IPN），提高了材料粘結(jié)力和整體力學(xué)性能；

（2）過(guò)度曝光會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)度固化和膨脹，從而影響界面平整度，甚至可能使試件在界面階梯處存在應(yīng)力集中；

（3）較小的打印層厚和適當(dāng)增加曝光時(shí)間可以提高多材料試樣的力學(xué)性能，使其接近單一材料的強(qiáng)度，但較小層厚導(dǎo)致打印效率低?；诖蛴?shù)對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律，建立起界面結(jié)合強(qiáng)度與打印參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)優(yōu)化算法得到最優(yōu)工藝參數(shù)。基于最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)行界面變參數(shù)打印可以保證多材料的界面結(jié)合強(qiáng)度并提高打印效率。

Fig. 3 Microscopic interface bonding conditions of specimens formed with different layer thicknesses and exposure times: (a) 0.025 mm layer thickness, (b) 0.035 mmlayer thickness, (c) 0.05 mm layer thickness, and (d) 0.1 mm layer thickness.

Fig. 4 Multimaterial tensile specimens and their relationship with tensile strength, different layer thicknesses, and exposure times: (a) Multimaterial tensile specimens, (b) Relationship between tensile strength, different layer thicknesses, and exposure times, (c–f) Stress-strain curves of specimens formed with different exposure times at layer thicknesses of 0.025 mm, 0.035 mm, 0.05 mm, and 0.1 mm, (g, h) DIC tensile strain contour maps for specimens with a layer thickness of 0.025 mm and extra exposure time of +1 s vs. no extra exposure time.

Fig. 5 The relationship between interfacial bonding strength S, layer thickness t, and extra exposure time Te obtained from four types of fitting models.

5結(jié)論

(1) 增加額外曝光時(shí)間促進(jìn)了兩種材料之間的交聯(lián)反應(yīng)，減少了界面處的微觀缺陷，界面結(jié)合地更加牢固，試件力學(xué)性能逐漸增加接近單一材料試件，但過(guò)度曝光導(dǎo)致樹(shù)脂脆化以及膨脹，在界面處形成明顯臺(tái)階引起應(yīng)力集中致使拉伸強(qiáng)度下降。

(2) 基于打印參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律，建立起界面結(jié)合強(qiáng)度與打印參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)優(yōu)化算法可以得到最優(yōu)工藝參數(shù)，并在界面附近采用最佳參數(shù)進(jìn)行變參數(shù)打印可以提高界面結(jié)合強(qiáng)度且保證打印效率。

6前景與應(yīng)用

本文提出的界面變參數(shù)打印策略為多材料DLP 3D打印提供了優(yōu)化工藝的有效途徑，顯著提升了打印件的界面結(jié)合強(qiáng)度和力學(xué)性能。該方法為航空航天、醫(yī)療器械等需要復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高性能要求的領(lǐng)域，提供了新的技術(shù)解決方案，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)于團(tuán)隊(duì)

作者介紹

李滌塵（團(tuán)隊(duì)帶頭人），西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院特聘教授，主要從事增材制造與生物制造方向研究，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造（3D打?。┓謺?huì)總干事。獲得國(guó)家“新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程”、中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)和國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，獲得首屆“全國(guó)創(chuàng)新?tīng)?zhēng)先”獎(jiǎng)狀。

王富（本文通訊作者），國(guó)家級(jí)青年人才，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院青年拔尖人才特聘教授，博士生導(dǎo)師，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)客座教授，江蘇省雙創(chuàng)人才，陜西省杰出青年基金獲得者，人社部高層次留學(xué)人才回國(guó)資助項(xiàng)目獲得者，陜西省激光快速成型與模具制造工程研究中心主任，中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)（中，英）、China Foundry、特種鑄造及有色合金青年編委。研究面向我國(guó)“卡脖子”問(wèn)題，主要從事先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)用空心渦輪葉片（單晶、定向葉片）缺陷控制、制備技術(shù)、裝備和3D打印快速成形技術(shù)的研究，先后主持多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目及企業(yè)合作項(xiàng)目。在Acta Materialia, Journal of Materials Science & Technology, Additive Manufacturing等期刊發(fā)表論文60余篇。

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[1] Designing model for adaptive variable withdrawal rate strategies to control misaligned grains during directional solidification of large-sized complex-shaped turbine blades. Journal of Materials Research and Technology, 34, 2025, 832-844, ISSN 2238-7854. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.12.110.

[2] Freckle prediction model incorporating geometrical effects for Ni-based single-crystal superalloy components. Acta Materialia, 266, 2024, 119702, ISSN 1359-6454. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119702.

[3] Microscale stray grains formation in single-crystal turbine blades of Ni-based superalloys. Journal of Materials Science & Technology, 191, 2024, 134-145, ISSN 1005-0302. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.01.012.

[4] In-situ joining of carbon fiber reinforced silicon carbide composite to Ni-based single-crystal superalloy by active unidirectional casting technology. Materials & Design, 236, 2023, 112521, ISSN 0264-1275. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112521.[5] Fabrication and posttreatment for inorganic binder jetting sand molds for casting. Additive Manufacturing,73,2023,103690,ISSN 2214-8604. https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103690.

作 者：李滌塵

責(zé)任編輯：李 娜

責(zé)任校對(duì)： 金 程

審 核： 張 彤

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