西安交通大学李涤尘教授团队：多材料数字光处理成型界面形貌与力学性能研究 | AMF论文推荐|力学|应力|形貌|李涤尘|材料|西安交通大学

引用论文

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.

文章链接：

1研究背景及目的

多材料数字光处理（DLP）3D打印技术，凭借高分辨率和快速成形能力，在复杂结构和功能集成中具有重要应用。然而，不同材料之间的固化行为和物理性能差异导致界面结合强度不足，影响其在高性能结构件制造中的应用。本文旨在研究多材料DLP 3D打印中两种树脂的界面结合形貌及力学性能，构建数学模型并优化工艺参数。

2论文亮点

（1）系统研究了不同工艺参数对多材料DLP 3D打印试件界面宏微观形貌及力学性能的影响；

（2）建立了界面结合强度的优化模型并通过优化算法确定了界面处的最优打印参数，为多材料DLP 3D打印过程提供了理论依据；

（3）提出了一种界面变参数打印策略并进行了验证，在不牺牲打印效率的前提下，显著提高了界面结合强度。

3试验方法

本研究采用两种光敏树脂进行多材料DLP 3D打印，通过更换料池实现不同树脂的打印，制备了力学试样。随后对试件的界面宏微观形貌与拉伸断面进行观察。在此过程中使用三维全场应变测量分析系统采集变形数据，生成应变云图以分析材料的表面变形情况。除此之外，通过有限元仿真模拟多材料试样界面的应力分布。建立了DLP工艺参数对多材料试样界面结合强度影响规律并揭示了拉伸断裂机理，最后通过界面变参数打印验证了界面结合强度优化模型。

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结果

（1）适当增加额外曝光时间可以使材料间结合显著改善，界面结合更加紧密，没有明显的裂缝或缺陷，并且光聚合反应更加充分，内部形成一些互穿网络结构（IPN），提高了材料粘结力和整体力学性能；

（2）过度曝光会导致材料过度固化和膨胀，从而影响界面平整度，甚至可能使试件在界面阶梯处存在应力集中；

（3）较小的打印层厚和适当增加曝光时间可以提高多材料试样的力学性能，使其接近单一材料的强度，但较小层厚导致打印效率低。基于打印参数对力学性能的影响规律，建立起界面结合强度与打印参数的数学模型，并通过优化算法得到最优工艺参数。基于最优参数，进行界面变参数打印可以保证多材料的界面结合强度并提高打印效率。

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结论

(1) 增加额外曝光时间促进了两种材料之间的交联反应，减少了界面处的微观缺陷，界面结合地更加牢固，试件力学性能逐渐增加接近单一材料试件，但过度曝光导致树脂脆化以及膨胀，在界面处形成明显台阶引起应力集中致使拉伸强度下降。

(2) 基于打印参数对力学性能的影响规律，建立起界面结合强度与打印参数的数学模型，并通过优化算法可以得到最优工艺参数，并在界面附近采用最佳参数进行变参数打印可以提高界面结合强度且保证打印效率。

6前景与应用

本文提出的界面变参数打印策略为多材料DLP 3D打印提供了优化工艺的有效途径，显著提升了打印件的界面结合强度和力学性能。该方法为航空航天、医疗器械等需要复杂结构和高性能要求的领域，提供了新的技术解决方案，具有广泛的应用前景。

关于团队

作者介绍

李涤尘（团队带头人），西安交通大学机械工程学院特聘教授，主要从事增材制造与生物制造方向研究，中国机械工程学会增材制造（3D打印）分会总干事。获得国家“新世纪百千万人才工程”、中国青年科技奖、获得国家技术发明奖二等奖和国家科技进步二等奖，获得首届“全国创新争先”奖状。

王富（本文通讯作者），国家级青年人才，西安交通大学机械工程学院青年拔尖人才特聘教授，博士生导师，德国亚琛工业大学客座教授，江苏省双创人才，陕西省杰出青年基金获得者，人社部高层次留学人才回国资助项目获得者，陕西省激光快速成型与模具制造工程研究中心主任，中国有色金属学报（中，英）、China Foundry、特种铸造及有色合金青年编委。研究面向我国“卡脖子”问题，主要从事先进航空发动机和工业燃气轮机用空心涡轮叶片（单晶、定向叶片）缺陷控制、制备技术、装备和3D打印快速成形技术的研究，先后主持多项国家级、省部级重点项目及企业合作项目。在Acta Materialia, Journal of Materials Science & Technology, Additive Manufacturing等期刊发表论文60余篇。

近年团队发表文章

[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：李涤尘

责任编辑：李娜

责任校对：金程

审核：张彤

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