西安交通大學李滌塵教授團隊：多材料數字光處理成型界面形貌與力學性能研究 | AMF論文推薦

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

多材料數字光處理（DLP）3D打印技術，憑借高分辨率和快速成形能力，在復雜結構和功能集成中具有重要應用。然而，不同材料之間的固化行為和物理性能差異導致界面結合強度不足，影響其在高性能結構件制造中的應用。本文旨在研究多材料DLP 3D打印中兩種樹脂的界面結合形貌及力學性能，構建數學模型并優化工藝參數。

2論文亮點

（1）系統研究了不同工藝參數對多材料DLP 3D打印試件界面宏微觀形貌及力學性能的影響；

（2）建立了界面結合強度的優化模型并通過優化算法確定了界面處的最優打印參數，為多材料DLP 3D打印過程提供了理論依據；

（3）提出了一種界面變參數打印策略并進行了驗證，在不犧牲打印效率的前提下，顯著提高了界面結合強度。

3試驗方法

本研究采用兩種光敏樹脂進行多材料DLP 3D打印，通過更換料池實現不同樹脂的打印，制備了力學試樣。隨后對試件的界面宏微觀形貌與拉伸斷面進行觀察。在此過程中使用三維全場應變測量分析系統采集變形數據，生成應變云圖以分析材料的表面變形情況。除此之外，通過有限元仿真模擬多材料試樣界面的應力分布。建立了DLP工藝參數對多材料試樣界面結合強度影響規律并揭示了拉伸斷裂機理，最后通過界面變參數打印驗證了界面結合強度優化模型。

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結果

（1）適當增加額外曝光時間可以使材料間結合顯著改善，界面結合更加緊密，沒有明顯的裂縫或缺陷，并且光聚合反應更加充分，內部形成一些互穿網絡結構（IPN），提高了材料粘結力和整體力學性能；

（2）過度曝光會導致材料過度固化和膨脹，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力集中；

（3）較小的打印層厚和適當增加曝光時間可以提高多材料試樣的力學性能，使其接近單一材料的強度，但較小層厚導致打印效率低。基于打印參數對力學性能的影響規律，建立起界面結合強度與打印參數的數學模型，并通過優化算法得到最優工藝參數。基于最優參數，進行界面變參數打印可以保證多材料的界面結合強度并提高打印效率。

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結論

(1) 增加額外曝光時間促進了兩種材料之間的交聯反應，減少了界面處的微觀缺陷，界面結合地更加牢固，試件力學性能逐漸增加接近單一材料試件，但過度曝光導致樹脂脆化以及膨脹，在界面處形成明顯臺階引起應力集中致使拉伸強度下降。

(2) 基于打印參數對力學性能的影響規律，建立起界面結合強度與打印參數的數學模型，并通過優化算法可以得到最優工藝參數，并在界面附近采用最佳參數進行變參數打印可以提高界面結合強度且保證打印效率。

6前景與應用

本文提出的界面變參數打印策略為多材料DLP 3D打印提供了優化工藝的有效途徑，顯著提升了打印件的界面結合強度和力學性能。該方法為航空航天、醫療器械等需要復雜結構和高性能要求的領域，提供了新的技術解決方案，具有廣泛的應用前景。

關于團隊

作者介紹

李滌塵（團隊帶頭人），西安交通大學機械工程學院特聘教授，主要從事增材制造與生物制造方向研究，中國機械工程學會增材制造（3D打印）分會總干事。獲得國家“新世紀百千萬人才工程”、中國青年科技獎、獲得國家技術發明獎二等獎和國家科技進步二等獎，獲得首屆“全國創新爭先”獎狀。

王富（本文通訊作者），國家級青年人才，西安交通大學機械工程學院青年拔尖人才特聘教授，博士生導師，德國亞琛工業大學客座教授，江蘇省雙創人才，陜西省杰出青年基金獲得者，人社部高層次留學人才回國資助項目獲得者，陜西省激光快速成型與模具制造工程研究中心主任，中國有色金屬學報（中，英）、China Foundry、特種鑄造及有色合金青年編委。研究面向我國“卡脖子”問題，主要從事先進航空發動機和工業燃氣輪機用空心渦輪葉片（單晶、定向葉片）缺陷控制、制備技術、裝備和3D打印快速成形技術的研究，先后主持多項國家級、省部級重點項目及企業合作項目。在Acta Materialia, Journal of Materials Science & Technology, Additive Manufacturing等期刊發表論文60余篇。

近年團隊發表文章

[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

責任編輯：李 娜

責任校對： 金 程

審 核： 張 彤

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