異質(zhì)功能件三維打?。汗袒c燒結(jié)參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的深度剖析

異質(zhì)功能件三維打?。汗袒c燒結(jié)參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代制造業(yè)快速發(fā)展的背景下，三維打印技術(shù)作為一種具有創(chuàng)新性的增材制造技術(shù)，近年來取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。它突破了傳統(tǒng)制造工藝的限制，能夠依據(jù)三維數(shù)字模型，通過逐層堆積材料的方式直接制造出復(fù)雜形狀的零部件，極大地縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，并顯著提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。異質(zhì)功能件三維打印技術(shù)作為三維打印領(lǐng)域的重要分支，更是實(shí)現(xiàn)了在同一零件中集成多種不同材料和功能，滿足了航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車制造等眾多高端領(lǐng)域?qū)?fù)雜零部件高性能、多功能的嚴(yán)格要求。在航空航天領(lǐng)域，飛行器的輕量化設(shè)計(jì)與高性能需求迫切。通過異質(zhì)功能件三維打印技術(shù)，能夠制造出集高強(qiáng)度、耐高溫、低密度等多種特性于一體的零部件，有效減輕飛行器重量，提升飛行性能與燃料效率。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)部件制造中，利用該技術(shù)打印出的高溫合金與陶瓷復(fù)合材料結(jié)合的部件，既具備高溫合金的高強(qiáng)度和良好的機(jī)械性能，又擁有陶瓷材料的耐高溫、抗氧化特性，從而顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和可靠性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，個(gè)性化醫(yī)療需求日益增長(zhǎng)。異質(zhì)功能件三維打印技術(shù)可以根據(jù)患者的具體情況，精確打印出具有生物相容性、力學(xué)性能匹配且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的植入物，如定制化的骨骼、牙齒等，為患者提供更加精準(zhǔn)有效的治療方案，改善患者生活質(zhì)量。然而，異質(zhì)功能件三維打印過程中，固化及燒結(jié)參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。固化參數(shù)包括光照強(qiáng)度、曝光時(shí)間、樹脂溫度等，這些參數(shù)直接決定了液態(tài)樹脂轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過程和效果。若光照強(qiáng)度不足或曝光時(shí)間過短，樹脂無法充分固化，導(dǎo)致成型件強(qiáng)度低、尺寸精度差；反之，若光照強(qiáng)度過高或曝光時(shí)間過長(zhǎng)，可能使樹脂過度固化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引發(fā)成型件變形、開裂等問題。燒結(jié)參數(shù)如燒結(jié)溫度、升溫速率、保溫時(shí)間等，則對(duì)粉末材料的燒結(jié)效果起著關(guān)鍵作用。燒結(jié)溫度過低或保溫時(shí)間不足，粉末無法充分燒結(jié)，成型件致密度低、力學(xué)性能差；而燒結(jié)溫度過高或升溫速率過快，可能導(dǎo)致粉末過度燒結(jié)、晶粒長(zhǎng)大，同樣影響成型件的性能和精度。因此，深入研究異質(zhì)功能件三維打印固化及燒結(jié)參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化打印工藝、提高打印質(zhì)量和效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過精準(zhǔn)調(diào)控這些參數(shù)，可以有效減少成型缺陷，提高成型件的尺寸精度、表面質(zhì)量和力學(xué)性能，滿足不同領(lǐng)域?qū)Ξ愘|(zhì)功能件的高質(zhì)量需求，推動(dòng)三維打印技術(shù)在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀三維打印技術(shù)作為一種前沿制造技術(shù)，在全球范圍內(nèi)受到了廣泛關(guān)注和深入研究。關(guān)于三維打印參數(shù)與成形質(zhì)量關(guān)系的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度、采用多種方法展開了大量工作，取得了一系列有價(jià)值的成果。在國(guó)外，美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在三維打印技術(shù)研究方面處于領(lǐng)先地位。美國(guó)南加州大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)研究了光固化三維打印中光照強(qiáng)度、曝光時(shí)間等固化參數(shù)對(duì)成型件精度和力學(xué)性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，合適的光照強(qiáng)度和曝光時(shí)間能夠使樹脂充分固化，提高成型件的尺寸精度和表面質(zhì)量，同時(shí)增強(qiáng)其力學(xué)性能；而參數(shù)設(shè)置不當(dāng)則會(huì)導(dǎo)致成型件出現(xiàn)變形、開裂等缺陷。德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所對(duì)選擇性激光燒結(jié)三維打印工藝進(jìn)行了深入研究，分析了燒結(jié)溫度、掃描速度、掃描間距等燒結(jié)參數(shù)對(duì)粉末材料燒結(jié)效果和成型件性能的影響。研究表明，精確控制燒結(jié)溫度和掃描速度可以有效提高粉末的燒結(jié)密度，進(jìn)而提升成型件的力學(xué)性能；掃描間距的合理選擇則對(duì)成型件的表面質(zhì)量和精度有著重要影響。日本東京大學(xué)的學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬方法，研究了熔融沉積成型三維打印中打印溫度、打印速度、層厚等參數(shù)對(duì)成型過程中材料流動(dòng)和溫度分布的影響，為優(yōu)化打印參數(shù)提供了理論依據(jù)。國(guó)內(nèi)眾多高校和科研機(jī)構(gòu)也在積極開展三維打印技術(shù)相關(guān)研究，并取得了顯著進(jìn)展。清華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)金屬材料的三維打印，研究了激光功率、掃描策略等參數(shù)對(duì)成型件微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過優(yōu)化這些參數(shù)，成功制備出了具有良好力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的金屬成型件。西安交通大學(xué)對(duì)陶瓷材料的三維打印進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，探討了燒結(jié)溫度、升溫速率、保溫時(shí)間等燒結(jié)參數(shù)對(duì)陶瓷成型件致密度、硬度和強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，合適的燒結(jié)參數(shù)能夠顯著提高陶瓷成型件的致密度和力學(xué)性能。上海大學(xué)采用響應(yīng)面法對(duì)三維打印工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，綜合考慮打印速度、填充率、支撐結(jié)構(gòu)等多個(gè)參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響，建立了數(shù)學(xué)模型，通過模型預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，找到了最優(yōu)的參數(shù)組合，有效提高了成型件的質(zhì)量和打印效率。盡管國(guó)內(nèi)外在三維打印參數(shù)與成形質(zhì)量關(guān)系的研究方面已取得豐碩成果，但仍存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有研究多集中于單一材料的三維打印，對(duì)于異質(zhì)功能件這種涉及多種材料組合的三維打印研究相對(duì)較少，而異質(zhì)功能件在實(shí)際應(yīng)用中的需求日益增長(zhǎng)，其打印參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響機(jī)制更為復(fù)雜，需要進(jìn)一步深入研究。另一方面，目前的研究方法主要以實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬為主，雖然這些方法能夠揭示參數(shù)與成型質(zhì)量之間的關(guān)系，但缺乏對(duì)打印過程中物理現(xiàn)象和微觀機(jī)制的深入理解。例如，在固化和燒結(jié)過程中，材料的相變、擴(kuò)散、應(yīng)力應(yīng)變等微觀過程對(duì)成型質(zhì)量的影響尚未得到充分研究。此外，不同研究之間的實(shí)驗(yàn)條件和材料體系差異較大，導(dǎo)致研究結(jié)果的通用性和可比性受到一定限制，難以形成統(tǒng)一的理論和標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。因此，深入系統(tǒng)地研究異質(zhì)功能件三維打印固化及燒結(jié)參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響，探索更加有效的研究方法和優(yōu)化策略，是當(dāng)前三維打印領(lǐng)域亟待解決的重要問題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文聚焦于異質(zhì)功能件三維打印中固化及燒結(jié)參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響，具體研究?jī)?nèi)容與方法如下：研究?jī)?nèi)容：通過實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究固化參數(shù)（如光照強(qiáng)度、曝光時(shí)間、樹脂溫度等）和燒結(jié)參數(shù)（如燒結(jié)溫度、升溫速率、保溫時(shí)間等）在不同取值下對(duì)異質(zhì)功能件三維打印成形質(zhì)量的影響。其中，成形質(zhì)量主要從尺寸精度、表面質(zhì)量、致密度和力學(xué)性能等方面進(jìn)行評(píng)估。通過精確測(cè)量打印試件的實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的偏差來確定尺寸精度；利用表面粗糙度測(cè)量?jī)x和顯微鏡觀察來分析表面質(zhì)量；通過測(cè)量試件的密度并與理論密度對(duì)比計(jì)算致密度；通過拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能測(cè)試獲取力學(xué)性能數(shù)據(jù)。同時(shí)，深入分析固化及燒結(jié)過程中參數(shù)與成形質(zhì)量之間的內(nèi)在聯(lián)系和作用機(jī)制。基于材料科學(xué)和傳熱學(xué)等理論，探究參數(shù)變化如何影響材料的固化和燒結(jié)過程，進(jìn)而影響成形質(zhì)量，如在固化過程中，光照強(qiáng)度和曝光時(shí)間如何影響樹脂的聚合反應(yīng)程度和固化速度，在燒結(jié)過程中，燒結(jié)溫度和升溫速率如何影響粉末的擴(kuò)散、融合和晶粒生長(zhǎng)等。此外，建立固化及燒結(jié)參數(shù)與成形質(zhì)量之間的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用數(shù)據(jù)擬合、回歸分析等方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，構(gòu)建能夠準(zhǔn)確描述參數(shù)與成形質(zhì)量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，為實(shí)際生產(chǎn)中工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。研究方法：采用實(shí)驗(yàn)研究法，設(shè)計(jì)并開展多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取不同水平的固化及燒結(jié)參數(shù)組合，進(jìn)行異質(zhì)功能件的三維打印實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)均制備多個(gè)試件，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。利用數(shù)值模擬法，借助專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、COMSOL等，對(duì)異質(zhì)功能件三維打印的固化及燒結(jié)過程進(jìn)行模擬。通過建立物理模型，輸入材料參數(shù)和工藝參數(shù)，模擬材料在不同參數(shù)條件下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布以及固化和燒結(jié)過程中的微觀組織演變，從理論層面深入理解參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響機(jī)制。結(jié)合理論分析法，運(yùn)用材料科學(xué)、傳熱學(xué)、力學(xué)等相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析和解釋。探討參數(shù)變化引起的物理現(xiàn)象和微觀機(jī)制，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供理論支撐，同時(shí)也為進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)提供指導(dǎo)。二、異質(zhì)功能件三維打印技術(shù)概述2.1三維打印技術(shù)原理與分類三維打印技術(shù)，又被稱為增材制造技術(shù)，它是依據(jù)三維數(shù)字模型，通過逐層堆積材料的方式來制造三維實(shí)體的先進(jìn)制造技術(shù)。其原理突破了傳統(tǒng)減材制造（如切削加工）和等材制造（如鍛造、鑄造）的模式，極大地拓展了制造的可能性。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，三維打印技術(shù)具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)階段，它能夠快速將設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。例如，在汽車零部件的設(shè)計(jì)中，利用三維打印技術(shù)可以快速制造出樣件，進(jìn)行性能測(cè)試和優(yōu)化，避免了傳統(tǒng)制造方法中模具制造的高成本和長(zhǎng)時(shí)間周期。在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件方面，三維打印技術(shù)更是展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠輕松實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造技術(shù)難以完成的復(fù)雜幾何形狀，如內(nèi)部具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，通過三維打印可以直接制造出來，提高了零部件的性能和效率。而且，三維打印技術(shù)還具有高度的個(gè)性化定制能力，能夠根據(jù)客戶的具體需求，制造出獨(dú)一無二的產(chǎn)品，滿足不同客戶的特殊要求，在醫(yī)療領(lǐng)域，定制化的植入物可以根據(jù)患者的身體狀況和解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)打印，提高治療效果和患者的生活質(zhì)量。根據(jù)材料的狀態(tài)和固化方式，常見的三維打印技術(shù)可分為多種類型，每種類型都有其獨(dú)特的原理和適用范圍。光固化成型（SLA）技術(shù)，是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的三維打印技術(shù)之一。其原理是利用紫外光照射液態(tài)光敏樹脂，使樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)逐層固化成型。在實(shí)際應(yīng)用中，首先通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件創(chuàng)建三維模型，然后將模型切片成一系列二維圖像，控制紫外光按照切片圖像的輪廓對(duì)液態(tài)樹脂進(jìn)行掃描照射，被照射的樹脂迅速固化，形成一層固態(tài)的薄片，接著打印平臺(tái)下降一個(gè)切片厚度的距離，再次進(jìn)行樹脂涂覆和光照固化，如此反復(fù)，最終堆積出三維實(shí)體。SLA技術(shù)具有高精度、表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，能夠制造出細(xì)節(jié)豐富、精度高的零件，廣泛應(yīng)用于珠寶首飾、模具制造、文物修復(fù)等領(lǐng)域。例如，在珠寶首飾制造中，利用SLA技術(shù)可以制作出復(fù)雜精美的首飾模型，通過鑄造工藝轉(zhuǎn)化為金屬首飾，滿足消費(fèi)者對(duì)個(gè)性化、高品質(zhì)首飾的需求。熔融沉積成型（FDM）技術(shù)也是一種應(yīng)用廣泛的三維打印技術(shù)。該技術(shù)主要利用熱塑性材料的熱熔性和粘結(jié)性，將絲狀的熱塑性材料通過加熱噴頭熔化，噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，按照三維模型的切片路徑運(yùn)動(dòng)，將熔化的材料擠出并逐層堆積在打印平臺(tái)上，冷卻后材料固化，從而形成三維實(shí)體。FDM技術(shù)的設(shè)備成本相對(duì)較低，操作簡(jiǎn)單，可使用的材料種類豐富，如常見的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）等。由于其操作便捷、材料成本低，F(xiàn)DM技術(shù)在桌面級(jí)三維打印領(lǐng)域占據(jù)重要地位，常用于教育、創(chuàng)意設(shè)計(jì)、小批量生產(chǎn)等領(lǐng)域。在教育領(lǐng)域，學(xué)生可以通過FDM打印機(jī)將自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)快速打印出來，直觀地展示和驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)則是利用激光束掃描粉末材料，使粉末在激光的作用下受熱熔化并燒結(jié)在一起，實(shí)現(xiàn)逐層堆積成型。在SLS打印過程中，首先在打印平臺(tái)上均勻鋪上一層粉末材料，然后激光束根據(jù)三維模型的切片數(shù)據(jù)對(duì)粉末進(jìn)行掃描，被掃描到的粉末吸收激光能量，溫度升高至熔點(diǎn)以上，粉末顆粒相互融合燒結(jié)，形成一層固態(tài)的薄片，接著打印平臺(tái)下降一個(gè)層厚的距離，再次鋪粉并進(jìn)行激光掃描燒結(jié)，如此循環(huán)，直至完成整個(gè)三維實(shí)體的制造。SLS技術(shù)可以使用多種粉末材料，如金屬粉末、塑料粉末、陶瓷粉末等，能夠制造出具有較高強(qiáng)度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、模具制造等領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域，利用SLS技術(shù)可以制造出高強(qiáng)度、輕量化的金屬零部件，滿足飛行器對(duì)零部件性能和重量的嚴(yán)格要求。2.2異質(zhì)功能件的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域異質(zhì)功能件是一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能的先進(jìn)零部件，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和性能兩個(gè)方面。從結(jié)構(gòu)上看，異質(zhì)功能件通常由多種不同材料組成，這些材料在空間上按照特定的設(shè)計(jì)進(jìn)行分布，形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。例如，一些異質(zhì)功能件可能包含金屬、陶瓷、聚合物等多種材料，通過巧妙的設(shè)計(jì)，使不同材料在零件中發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)單一材料無法達(dá)到的功能。這種多材料的組合結(jié)構(gòu)使得異質(zhì)功能件能夠滿足復(fù)雜的工程需求，為解決各種實(shí)際問題提供了更多的可能性。從性能角度而言，異質(zhì)功能件具有優(yōu)異的綜合性能。由于集成了多種材料的特性，它可以同時(shí)具備高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、輕量化等多種性能。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪葉片為例，通過采用異質(zhì)材料制造，葉片的基體部分可以使用高強(qiáng)度的高溫合金，以承受高溫和高壓的工作環(huán)境，而葉片的表面則可以涂覆陶瓷涂層，提高其耐高溫和抗氧化性能，從而使渦輪葉片在惡劣的工作條件下仍能保持良好的性能。異質(zhì)功能件的這些特點(diǎn)使其在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，異質(zhì)功能件發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。飛行器的輕量化設(shè)計(jì)是提高其性能的關(guān)鍵因素之一，而異質(zhì)功能件通過合理選用輕質(zhì)材料與高強(qiáng)度材料的組合，能夠在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下有效減輕零件重量。例如，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在其新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，采用了異質(zhì)金屬材料制造推力組件。該組件結(jié)合了鈦合金的輕質(zhì)高強(qiáng)特性和鎳基合金的耐高溫性能，使得火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在提高推力的同時(shí)減輕了自身重量，從而提高了火箭的運(yùn)載能力和飛行效率。在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部件的制造中，也大量應(yīng)用了異質(zhì)功能件。通過使用碳纖維復(fù)合材料與金屬材料的組合，既保證了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度和高剛度，又減輕了重量，降低了發(fā)射成本，同時(shí)提高了衛(wèi)星在太空中的穩(wěn)定性和可靠性。汽車制造領(lǐng)域也是異質(zhì)功能件的重要應(yīng)用場(chǎng)景。隨著汽車行業(yè)對(duì)節(jié)能減排和性能提升的不斷追求，異質(zhì)功能件在汽車零部件中的應(yīng)用越來越廣泛。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中，利用異質(zhì)材料制造的活塞、氣門等零部件，能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和動(dòng)力性能。例如，一些高性能汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞采用了鋁合金與鋼的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，鋁合金部分減輕了活塞的重量，降低了慣性力，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和響應(yīng)速度；而鋼質(zhì)的頂部則增強(qiáng)了活塞的耐磨性和耐高溫性能，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷工作條件下的可靠性。在汽車的輕量化設(shè)計(jì)方面，異質(zhì)功能件同樣發(fā)揮著重要作用。通過采用輕質(zhì)的復(fù)合材料與高強(qiáng)度金屬材料相結(jié)合，制造汽車的車身框架、底盤等部件，在保證汽車安全性能的前提下，有效降低了車身重量，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。例如，特斯拉汽車在其部分車型中采用了鋁合金與碳纖維復(fù)合材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)車身，不僅提高了車身的強(qiáng)度和剛性，還顯著減輕了車身重量，使得汽車的續(xù)航里程得到了提升。三、固化參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響3.1固化參數(shù)的定義與種類在異質(zhì)功能件三維打印過程中，固化參數(shù)是決定打印質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，其定義和種類在不同的三維打印技術(shù)中雖有差異，但都圍繞著將液態(tài)材料轉(zhuǎn)化為固態(tài)這一核心目標(biāo)。以光固化成型（SLA）技術(shù)為例，固化深度是指在特定的光照條件下，液態(tài)光敏樹脂能夠被固化的深度。在實(shí)際打印過程中，固化深度并非固定不變，它受到多種因素的影響，如光照強(qiáng)度、曝光時(shí)間、樹脂的光敏特性等。當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)，樹脂吸收的光能增多，引發(fā)聚合反應(yīng)的活性點(diǎn)增多，從而使得固化深度增加；曝光時(shí)間的延長(zhǎng)也會(huì)使樹脂有更多的時(shí)間進(jìn)行聚合反應(yīng)，進(jìn)而增加固化深度。在一些實(shí)驗(yàn)研究中，通過改變光照強(qiáng)度和曝光時(shí)間，發(fā)現(xiàn)固化深度與二者呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)光照強(qiáng)度從20mW/cm2增加到40mW/cm2，曝光時(shí)間從10s延長(zhǎng)到20s時(shí)，固化深度從0.5mm增加到1.2mm。曝光時(shí)間同樣是SLA技術(shù)中的重要固化參數(shù)，它是指紫外光照射液態(tài)樹脂使其發(fā)生固化反應(yīng)的時(shí)間。曝光時(shí)間對(duì)固化效果有著直接的影響，過短的曝光時(shí)間會(huì)導(dǎo)致樹脂固化不完全，成型件強(qiáng)度不足，容易出現(xiàn)變形、開裂等問題；而曝光時(shí)間過長(zhǎng)，則可能使樹脂過度固化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同樣會(huì)影響成型件的質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)樹脂的種類、固化深度要求以及打印設(shè)備的性能等因素來合理確定曝光時(shí)間。不同品牌和型號(hào)的光敏樹脂，其固化特性存在差異，所需的最佳曝光時(shí)間也不同。例如，某品牌的光敏樹脂在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，最佳曝光時(shí)間為15s，此時(shí)成型件的尺寸精度和表面質(zhì)量都能達(dá)到較好的水平；若曝光時(shí)間縮短至10s，成型件的邊緣會(huì)出現(xiàn)模糊、不清晰的現(xiàn)象，尺寸精度下降；若曝光時(shí)間延長(zhǎng)至20s，成型件表面會(huì)變得粗糙，內(nèi)部可能出現(xiàn)微小裂紋。對(duì)于采用數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)的三維打印，固化參數(shù)也有著獨(dú)特的表現(xiàn)形式。DLP技術(shù)通過數(shù)字微鏡器件（DMD）將光源發(fā)出的光聚焦并投射到液態(tài)樹脂表面，實(shí)現(xiàn)整層固化。在這種技術(shù)中，光強(qiáng)分布是一個(gè)重要的固化參數(shù)。由于DMD的工作原理，投射到樹脂表面的光強(qiáng)并非均勻分布，中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的光強(qiáng)存在差異，這種光強(qiáng)分布的不均勻性會(huì)對(duì)固化效果產(chǎn)生影響。中心區(qū)域光強(qiáng)較高，樹脂固化速度較快；邊緣區(qū)域光強(qiáng)相對(duì)較低，固化速度較慢，可能導(dǎo)致成型件邊緣出現(xiàn)固化不完全或固化過度的情況。為了減少光強(qiáng)分布不均勻?qū)袒Ч挠绊?，一些研究通過優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)，如采用特殊的透鏡組或光勻化器，使投射到樹脂表面的光強(qiáng)更加均勻，從而提高成型件的質(zhì)量。在實(shí)際打印過程中，通過調(diào)整光勻化器的參數(shù)，使邊緣區(qū)域與中心區(qū)域的光強(qiáng)差異從20%降低到5%以內(nèi)，成型件的邊緣質(zhì)量得到明顯改善，尺寸精度提高了10%左右。此外，在一些基于噴射成型的三維打印技術(shù)中，如PolyJet技術(shù)，固化參數(shù)還包括固化劑的噴射量和噴射頻率。固化劑與液態(tài)材料在噴射過程中混合，引發(fā)固化反應(yīng)。固化劑的噴射量直接影響固化反應(yīng)的程度，噴射量不足會(huì)導(dǎo)致材料固化不完全，強(qiáng)度和穩(wěn)定性差；噴射量過多則可能造成材料過度固化，產(chǎn)生脆性。噴射頻率則影響固化反應(yīng)的速度和均勻性，合適的噴射頻率能夠使固化劑均勻地分布在材料中，確保固化過程的一致性。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)固化劑噴射量從標(biāo)準(zhǔn)值的80%增加到120%時(shí)，成型件的硬度先增加后降低，在100%標(biāo)準(zhǔn)噴射量時(shí)達(dá)到最大值；噴射頻率從10Hz增加到20Hz時(shí)，成型件的表面平整度得到明顯改善，粗糙度降低了30%左右。3.2各固化參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的具體影響3.2.1固化深度對(duì)尺寸精度和表面質(zhì)量的影響固化深度作為異質(zhì)功能件三維打印中的關(guān)鍵固化參數(shù)，對(duì)成型質(zhì)量有著顯著影響，尤其在尺寸精度和表面質(zhì)量方面表現(xiàn)突出。以光固化陶瓷3D打印實(shí)驗(yàn)為例，西北工業(yè)大學(xué)蘇海軍教授團(tuán)隊(duì)在其研究中，深入探討了固化深度對(duì)素坯和燒結(jié)試樣的影響。實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)明確了所用漿料的固化特性曲線，并結(jié)合光-流變實(shí)驗(yàn)詳細(xì)探究了制備漿料的固化過程。研究發(fā)現(xiàn)，打印樣品的尺寸與固化深度之間存在密切關(guān)聯(lián)，隨著固化深度的增加，打印樣品的尺寸相應(yīng)增大。這是因?yàn)樵诠夤袒^程中，固化深度的增加意味著更多的液態(tài)樹脂轉(zhuǎn)化為固態(tài)，從而使打印層的厚度增加，最終導(dǎo)致整個(gè)打印樣品的尺寸增大。當(dāng)固化深度從80μm增加到200μm時(shí)，打印樣品的長(zhǎng)度尺寸從30.05mm增大到30.20mm，寬度尺寸從20.03mm增大到20.10mm。在表面質(zhì)量方面，固化深度同樣起著重要作用。該實(shí)驗(yàn)表明，固化深度的增加能夠明顯降低試樣的表面粗糙度。當(dāng)固化深度較低時(shí)，打印層的固化不夠充分，表面會(huì)出現(xiàn)較多的微小起伏和不平整，導(dǎo)致表面粗糙度較高。而隨著固化深度的增加，樹脂能夠更充分地固化，表面的微觀結(jié)構(gòu)更加均勻，從而降低了表面粗糙度。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)固化深度為80μm時(shí)，打印樣品的表面粗糙度Ra為3.2μm；當(dāng)固化深度增加到200μm時(shí)，表面粗糙度Ra降低到1.8μm。對(duì)于與打印方向有一定角度的試樣，固化深度的影響更為明顯。較低的固化深度和較大的傾角制備的樣品表面具有更多的鋸齒狀缺陷。這是由于在這種情況下，光固化過程中不同區(qū)域的固化程度差異較大，導(dǎo)致表面的固化不均勻，從而產(chǎn)生鋸齒狀缺陷。當(dāng)固化深度為80μm，試樣傾角為60°時(shí)，表面的鋸齒狀缺陷較為明顯，嚴(yán)重影響了表面質(zhì)量；而當(dāng)固化深度增加到200μm時(shí)，鋸齒狀缺陷明顯減少，表面質(zhì)量得到顯著改善。然而，需要注意的是，雖然固化深度的增加在一定程度上有利于提高表面質(zhì)量，但過高的固化深度也會(huì)帶來負(fù)面影響。過高的固化深度會(huì)使成型過程中激光能量的輸入密度過大，導(dǎo)致新打印層難以引發(fā)上一層同時(shí)固化，降低了層間結(jié)合力，進(jìn)而影響打印零件的形狀精度。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)固化深度超過層厚的4倍時(shí)，打印零件出現(xiàn)了明顯的層間分離現(xiàn)象，形狀精度大幅下降。3.2.2曝光時(shí)間對(duì)固化程度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響曝光時(shí)間是異質(zhì)功能件三維打印固化過程中的關(guān)鍵參數(shù)之一，它對(duì)固化程度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著重要影響，進(jìn)而直接關(guān)系到成型件的質(zhì)量和性能。當(dāng)曝光時(shí)間不足時(shí)，液態(tài)樹脂無法充分發(fā)生聚合反應(yīng)，導(dǎo)致固化不充分。在光固化成型（SLA）技術(shù)中，曝光時(shí)間不足會(huì)使樹脂中的雙鍵不能完全轉(zhuǎn)化為單鍵，從而使成型件內(nèi)部存在較多未反應(yīng)的液態(tài)樹脂。這些未反應(yīng)的樹脂會(huì)降低成型件的強(qiáng)度和硬度，使其容易變形、斷裂。在一項(xiàng)針對(duì)光敏樹脂的SLA打印實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)曝光時(shí)間設(shè)置為5s時(shí)，成型件的拉伸強(qiáng)度僅為15MPa，彎曲強(qiáng)度為20MPa；而當(dāng)曝光時(shí)間增加到15s時(shí)，拉伸強(qiáng)度提升至30MPa，彎曲強(qiáng)度提升至40MPa。這表明曝光時(shí)間不足會(huì)嚴(yán)重影響成型件的力學(xué)性能，無法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。曝光時(shí)間不足還會(huì)導(dǎo)致成型件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在缺陷。由于固化不充分，成型件內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)空洞、疏松等缺陷，這些缺陷會(huì)降低成型件的致密度和穩(wěn)定性。在顯微鏡下觀察曝光時(shí)間不足的成型件截面，可以清晰地看到內(nèi)部存在許多微小的空洞和縫隙，這些缺陷會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，在受力時(shí)容易引發(fā)裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)一步降低成型件的性能。相反，若曝光時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)使樹脂過度固化。過度固化會(huì)導(dǎo)致樹脂分子鏈過度交聯(lián)，使成型件變得脆性增加，韌性降低。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)曝光時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，成型件在受到較小的外力作用時(shí)就會(huì)發(fā)生破裂，無法承受較大的載荷。曝光時(shí)間過長(zhǎng)還可能使成型件內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。在固化過程中，樹脂分子鏈的快速交聯(lián)會(huì)導(dǎo)致體積收縮，而曝光時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)加劇這種收縮，從而在成型件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力的存在會(huì)使成型件在后續(xù)的加工或使用過程中出現(xiàn)變形、開裂等問題。在對(duì)曝光時(shí)間過長(zhǎng)的成型件進(jìn)行加工時(shí)，發(fā)現(xiàn)成型件容易出現(xiàn)翹曲變形的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了其尺寸精度和外觀質(zhì)量。為了探究曝光時(shí)間對(duì)固化程度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，研究人員通過實(shí)時(shí)紅外光譜（RTIR）法對(duì)光固化過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，隨著曝光時(shí)間的增加，樹脂的雙鍵轉(zhuǎn)化率逐漸提高，但當(dāng)曝光時(shí)間超過一定值后，雙鍵轉(zhuǎn)化率的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩，表明樹脂已接近完全固化。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)成型件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)曝光時(shí)間不足時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，存在大量空隙；而曝光時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得致密，但分子鏈排列緊密，缺乏柔韌性。3.2.3其他固化參數(shù)（如溫度、光強(qiáng)等）的影響在異質(zhì)功能件三維打印的固化過程中，除了固化深度和曝光時(shí)間外，溫度、光強(qiáng)等其他固化參數(shù)同樣對(duì)固化反應(yīng)速度和均勻性有著重要影響。溫度是一個(gè)不容忽視的固化參數(shù)。在光固化過程中，溫度的變化會(huì)影響樹脂的粘度和分子運(yùn)動(dòng)活性，進(jìn)而影響固化反應(yīng)速度。一般來說，溫度升高，樹脂的粘度降低，分子運(yùn)動(dòng)更加活躍，固化反應(yīng)速度加快。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度從25℃升高到35℃時(shí)，光固化樹脂的固化時(shí)間從10s縮短到7s。這是因?yàn)闇囟壬呤沟霉庖l(fā)劑更容易分解產(chǎn)生自由基，從而引發(fā)樹脂的聚合反應(yīng)。同時(shí)，溫度升高還能促進(jìn)自由基在樹脂中的擴(kuò)散，使聚合反應(yīng)更迅速地進(jìn)行。然而，過高的溫度也可能帶來負(fù)面影響。溫度過高會(huì)導(dǎo)致樹脂的熱穩(wěn)定性下降，可能引發(fā)一些副反應(yīng)，如熱降解等，從而影響成型件的質(zhì)量。在高溫環(huán)境下，樹脂中的某些成分可能會(huì)發(fā)生分解，導(dǎo)致成型件的性能下降。溫度的不均勻分布也會(huì)影響固化的均勻性，可能導(dǎo)致成型件出現(xiàn)局部固化不完全或過度固化的情況。光強(qiáng)作為另一個(gè)重要的固化參數(shù)，對(duì)固化反應(yīng)有著直接的影響。光強(qiáng)決定了樹脂吸收光能的多少，從而影響固化反應(yīng)的速度和程度。較高的光強(qiáng)能夠提供更多的能量，使樹脂中的光引發(fā)劑更快地分解產(chǎn)生自由基，加速固化反應(yīng)。在使用數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)的三維打印中，通過提高光強(qiáng)，可以顯著縮短固化時(shí)間。當(dāng)光強(qiáng)從30mW/cm2提高到50mW/cm2時(shí)，固化時(shí)間從8s縮短到5s。但是，光強(qiáng)過高也可能導(dǎo)致一些問題。過高的光強(qiáng)可能會(huì)使樹脂表面迅速固化，形成一層硬殼，阻礙內(nèi)部樹脂的進(jìn)一步固化，導(dǎo)致成型件內(nèi)部存在缺陷。光強(qiáng)過高還可能使樹脂產(chǎn)生過度的熱效應(yīng)，導(dǎo)致成型件變形或開裂。國(guó)內(nèi)外眾多研究案例都對(duì)這些固化參數(shù)的影響進(jìn)行了深入探討。美國(guó)的一項(xiàng)研究通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同溫度和光強(qiáng)條件下光固化成型件的性能。研究發(fā)現(xiàn)，在適宜的溫度和光強(qiáng)范圍內(nèi)，成型件的力學(xué)性能和尺寸精度都能達(dá)到較好的水平；而當(dāng)溫度或光強(qiáng)超出這個(gè)范圍時(shí)，成型件的質(zhì)量明顯下降。國(guó)內(nèi)的一些研究則運(yùn)用數(shù)值模擬方法，分析了溫度和光強(qiáng)在固化過程中的分布情況及其對(duì)固化效果的影響。通過模擬可以直觀地看到，溫度和光強(qiáng)的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致固化反應(yīng)的不均勻，從而影響成型件的質(zhì)量。這些研究成果為優(yōu)化固化參數(shù)提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。3.3案例分析：典型異質(zhì)功能件的固化參數(shù)優(yōu)化3.3.1案例選取與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)本研究選取航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片作為典型異質(zhì)功能件案例，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在航空領(lǐng)域中扮演著核心角色，其工作環(huán)境極端復(fù)雜，承受著高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速以及交變應(yīng)力等嚴(yán)苛條件。為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)葉片高性能、長(zhǎng)壽命的要求，葉片通常采用異質(zhì)材料制造，結(jié)合多種材料的優(yōu)異特性。以某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為例，其基體材料選用高溫合金，以確保在高溫環(huán)境下具備良好的強(qiáng)度和抗氧化性能；而葉片的涂層則采用陶瓷材料，利用陶瓷的耐高溫、隔熱以及耐磨特性，進(jìn)一步提升葉片的性能。在實(shí)驗(yàn)材料方面，選用的高溫合金為GH4169，該合金具有良好的綜合性能，在650℃以下具有較高的屈服強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，同時(shí)具備良好的抗疲勞性能和抗氧化性能，能夠滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在高溫、高壓環(huán)境下的工作要求。陶瓷涂層材料選用YSZ（釔穩(wěn)定氧化鋯），其具有優(yōu)異的耐高溫性能、隔熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效保護(hù)葉片基體免受高溫燃?xì)獾那治g。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用德國(guó)EOS公司的M290金屬3D打印機(jī)和美國(guó)3DSystems公司的ProXDMP320陶瓷3D打印機(jī)。M290金屬3D打印機(jī)采用選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的金屬零件打印，其激光功率為400W，光斑直徑為70μm，掃描速度最高可達(dá)7m/s。ProXDMP320陶瓷3D打印機(jī)采用立體光固化（SLA）技術(shù)，可用于打印高精度的陶瓷零件，其紫外光源波長(zhǎng)為405nm，光強(qiáng)可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，最小層厚可達(dá)25μm。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用多參數(shù)組合方式，全面研究固化參數(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片成型質(zhì)量的影響。對(duì)于光固化過程中的固化參數(shù)，選取光照強(qiáng)度、曝光時(shí)間和樹脂溫度三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究。光照強(qiáng)度設(shè)置為50mW/cm2、100mW/cm2、150mW/cm2三個(gè)水平；曝光時(shí)間設(shè)置為10s、15s、20s三個(gè)水平；樹脂溫度設(shè)置為25℃、30℃、35℃三個(gè)水平。通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，共進(jìn)行27組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)打印3個(gè)葉片試樣，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)過程中，利用高精度三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)葉片試樣的尺寸精度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量部位包括葉片的長(zhǎng)度、寬度、厚度以及葉型輪廓等關(guān)鍵尺寸；采用表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量葉片表面粗糙度；使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察葉片的微觀結(jié)構(gòu)，分析不同固化參數(shù)對(duì)葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。3.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同固化參數(shù)下航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的尺寸精度和表面粗糙度存在顯著差異。在尺寸精度方面，隨著光照強(qiáng)度的增加，葉片的尺寸精度呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)光照強(qiáng)度為100mW/cm2時(shí)，葉片的尺寸精度最高，長(zhǎng)度方向的尺寸偏差控制在±0.1mm以內(nèi)，寬度方向的尺寸偏差控制在±0.05mm以內(nèi)。這是因?yàn)檫m當(dāng)增加光照強(qiáng)度，能夠使樹脂充分固化，提高成型件的尺寸穩(wěn)定性；但光照強(qiáng)度過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致樹脂過度固化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而使葉片發(fā)生變形，尺寸精度下降。曝光時(shí)間對(duì)尺寸精度的影響也較為明顯，曝光時(shí)間過短，樹脂固化不完全，葉片尺寸偏差較大；曝光時(shí)間過長(zhǎng)，同樣會(huì)因內(nèi)應(yīng)力增加而導(dǎo)致尺寸精度下降。當(dāng)曝光時(shí)間為15s時(shí)，葉片的尺寸精度最佳。樹脂溫度對(duì)尺寸精度的影響相對(duì)較小，但在30℃時(shí)，葉片的尺寸精度略優(yōu)于其他溫度條件，這可能是因?yàn)樵谠摐囟认?，樹脂的流?dòng)性和固化反應(yīng)活性達(dá)到了較好的平衡。在表面粗糙度方面，隨著光照強(qiáng)度的增加，表面粗糙度先降低后升高。當(dāng)光照強(qiáng)度為100mW/cm2時(shí)，表面粗糙度Ra最低，達(dá)到0.8μm。這是因?yàn)檫m宜的光照強(qiáng)度能夠使樹脂均勻固化，減少表面缺陷，從而降低表面粗糙度；光照強(qiáng)度過高或過低，都會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度增加。曝光時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)使表面粗糙度逐漸增加，當(dāng)曝光時(shí)間為10s時(shí)，表面粗糙度Ra為0.6μm；當(dāng)曝光時(shí)間延長(zhǎng)至20s時(shí)，表面粗糙度Ra增加到1.2μm。這是由于曝光時(shí)間過長(zhǎng)，樹脂過度固化，表面微觀結(jié)構(gòu)變得粗糙。樹脂溫度升高，表面粗糙度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，在35℃時(shí)，表面粗糙度Ra為0.7μm。這可能是因?yàn)闇囟壬?，樹脂的粘度降低，流?dòng)性增強(qiáng)，能夠更好地填充模具表面的微小孔隙，從而降低表面粗糙度。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的成型質(zhì)量，在固化參數(shù)優(yōu)化方面，應(yīng)選擇光照強(qiáng)度為100mW/cm2、曝光時(shí)間為15s、樹脂溫度為30℃左右的參數(shù)組合。在此參數(shù)組合下，葉片能夠獲得較好的尺寸精度和表面質(zhì)量，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)葉片高性能的要求。未來的研究可以進(jìn)一步探索更多的固化參數(shù)組合，以及其他因素（如光引發(fā)劑濃度、添加劑等）對(duì)葉片成型質(zhì)量的影響，以不斷優(yōu)化固化工藝，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的制造水平。四、燒結(jié)參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響4.1燒結(jié)參數(shù)的定義與種類在粉末燒結(jié)3D打印過程中，燒結(jié)溫度是指在燒結(jié)階段，使粉末材料達(dá)到一定的高溫狀態(tài)，以促進(jìn)粉末顆粒之間的原子擴(kuò)散和融合，實(shí)現(xiàn)致密化的關(guān)鍵參數(shù)。不同材料的燒結(jié)溫度差異較大，這取決于材料的熔點(diǎn)、化學(xué)性質(zhì)以及粉末的粒度等因素。以金屬粉末為例，常見的鋁合金粉末燒結(jié)溫度一般在500℃-600℃之間，而鈦合金粉末的燒結(jié)溫度則較高，通常在800℃-1000℃。這是因?yàn)殁伜辖鹁哂休^高的熔點(diǎn)和較強(qiáng)的原子間結(jié)合力，需要更高的溫度才能使粉末顆粒發(fā)生充分的擴(kuò)散和融合。在實(shí)際打印中，燒結(jié)溫度的選擇直接影響著成型件的密度、強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)。如果燒結(jié)溫度過低，粉末顆粒之間的原子擴(kuò)散不充分，顆粒間的結(jié)合力較弱，導(dǎo)致成型件的密度低、孔隙率高，力學(xué)性能較差；相反，如果燒結(jié)溫度過高，可能會(huì)使粉末顆粒過度燒結(jié)，晶粒異常長(zhǎng)大，導(dǎo)致成型件的韌性下降，甚至出現(xiàn)開裂等缺陷。升溫速率也是一個(gè)重要的燒結(jié)參數(shù)，它表示在燒結(jié)過程中，溫度隨時(shí)間上升的速度。合適的升溫速率能夠使粉末材料均勻受熱，避免因溫度變化過快而產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響成型件的質(zhì)量。不同的材料和打印工藝對(duì)升溫速率的要求也有所不同。對(duì)于一些對(duì)溫度變化較為敏感的材料，如陶瓷粉末，通常需要采用較低的升溫速率，以防止在燒結(jié)過程中因熱應(yīng)力過大而導(dǎo)致開裂。在陶瓷粉末燒結(jié)過程中，升溫速率一般控制在5℃/min-10℃/min。這是因?yàn)樘沾刹牧系臒崤蛎浵禂?shù)較小，快速升溫會(huì)使內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而引發(fā)裂紋。而對(duì)于一些金屬粉末，升溫速率可以相對(duì)較高，如在選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝中，對(duì)于某些金屬粉末，升溫速率可以達(dá)到50℃/min-100℃/min。較高的升溫速率可以提高燒結(jié)效率，縮短打印周期，但同時(shí)也需要注意控制熱應(yīng)力，避免對(duì)成型件質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。保溫時(shí)間是指在達(dá)到設(shè)定的燒結(jié)溫度后，保持該溫度的持續(xù)時(shí)間。保溫時(shí)間對(duì)成型件的致密化和微觀結(jié)構(gòu)的均勻性有著重要影響。足夠的保溫時(shí)間可以使粉末顆粒之間的原子充分?jǐn)U散，填充孔隙，提高成型件的密度和強(qiáng)度。然而，過長(zhǎng)的保溫時(shí)間也可能導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，降低成型件的性能。對(duì)于金屬粉末燒結(jié)，一般保溫時(shí)間在30分鐘-2小時(shí)之間。在這段時(shí)間內(nèi)，粉末顆粒能夠充分融合，形成致密的結(jié)構(gòu)。但如果保溫時(shí)間過長(zhǎng)，晶粒會(huì)不斷長(zhǎng)大，導(dǎo)致晶界面積減小，材料的強(qiáng)度和韌性下降。對(duì)于陶瓷粉末燒結(jié)，保溫時(shí)間通常更長(zhǎng)，可能需要3小時(shí)-5小時(shí)。這是因?yàn)樘沾煞勰┑臒Y(jié)過程相對(duì)較慢，需要更長(zhǎng)的時(shí)間來完成原子擴(kuò)散和致密化。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)材料的特性、粉末的粒度以及燒結(jié)溫度等因素，合理確定保溫時(shí)間，以獲得最佳的成型質(zhì)量。4.2各燒結(jié)參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的具體影響4.2.1燒結(jié)溫度對(duì)密度和力學(xué)性能的影響燒結(jié)溫度在粉末燒結(jié)3D打印過程中起著至關(guān)重要的作用，對(duì)成型件的密度和力學(xué)性能有著顯著影響。當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)，粉末顆粒之間的原子擴(kuò)散不充分，顆粒間的結(jié)合力較弱，導(dǎo)致成型件的密度較低，力學(xué)性能較差。在對(duì)金屬粉末燒結(jié)的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燒結(jié)溫度低于某一臨界值時(shí)，粉末顆粒未能充分融合，成型件內(nèi)部存在大量孔隙，其密度僅能達(dá)到理論密度的70%左右，拉伸強(qiáng)度和硬度也較低。以鋁合金粉末燒結(jié)為例，若燒結(jié)溫度為500℃，明顯低于其最佳燒結(jié)溫度范圍（550℃-600℃），成型件的密度僅為2.4g/cm3，相比理論密度2.7g/cm3，密度降低了11%；拉伸強(qiáng)度僅為150MPa，遠(yuǎn)低于在最佳燒結(jié)溫度下制備的成型件拉伸強(qiáng)度（250MPa）。這是因?yàn)樵谳^低的燒結(jié)溫度下，原子的活動(dòng)能力較弱，粉末顆粒之間的擴(kuò)散和融合程度有限，無法形成致密的結(jié)構(gòu)，從而影響了成型件的密度和力學(xué)性能。隨著燒結(jié)溫度的升高，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，粉末顆粒之間的融合更加充分，成型件的密度和力學(xué)性能逐漸提高。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到一定值時(shí)，成型件的密度和力學(xué)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。繼續(xù)升高燒結(jié)溫度，可能會(huì)導(dǎo)致一些負(fù)面影響。過高的燒結(jié)溫度會(huì)使粉末顆粒過度燒結(jié)，晶粒異常長(zhǎng)大。晶粒的過度長(zhǎng)大導(dǎo)致晶界面積減小，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用減弱，從而降低了成型件的強(qiáng)度和韌性。在陶瓷材料的燒結(jié)過程中，當(dāng)燒結(jié)溫度過高時(shí)，晶粒尺寸明顯增大，材料的脆性增加，抗沖擊性能下降。以氧化鋁陶瓷燒結(jié)為例，當(dāng)燒結(jié)溫度從1500℃升高到1600℃時(shí)，晶粒尺寸從5μm增大到10μm，材料的抗彎強(qiáng)度從300MPa下降到200MPa。過高的燒結(jié)溫度還可能引發(fā)成型件的變形、開裂等缺陷。在高溫下，成型件內(nèi)部的熱應(yīng)力增大，當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的承受能力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致成型件變形或開裂。在金屬成型件的燒結(jié)過程中，若燒結(jié)溫度過高且升溫速度過快，容易在成型件內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而引發(fā)裂紋。4.2.2升溫速率對(duì)內(nèi)部缺陷和微觀結(jié)構(gòu)的影響升溫速率作為粉末燒結(jié)3D打印中的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)成型件的內(nèi)部缺陷和微觀結(jié)構(gòu)有著重要影響。當(dāng)升溫速率過快時(shí)，粉末材料在短時(shí)間內(nèi)吸收大量熱量，導(dǎo)致材料內(nèi)部溫度分布不均勻，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力是由于材料不同部位的熱膨脹系數(shù)差異以及溫度變化的不一致性引起的。在陶瓷粉末燒結(jié)過程中，由于陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)較小，對(duì)溫度變化較為敏感，快速升溫更容易產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)升溫速率達(dá)到50℃/min時(shí)，陶瓷成型件內(nèi)部可能出現(xiàn)明顯的熱應(yīng)力集中區(qū)域。這些熱應(yīng)力集中區(qū)域容易引發(fā)內(nèi)部缺陷，如裂紋、孔洞等。裂紋的產(chǎn)生是因?yàn)闊釕?yīng)力超過了材料的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)斷裂；孔洞則是由于熱應(yīng)力引起的材料局部變形和空洞的形成。這些內(nèi)部缺陷嚴(yán)重影響成型件的質(zhì)量和性能，降低了其強(qiáng)度和可靠性。升溫速率還會(huì)對(duì)成型件的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。升溫速率過快會(huì)使粉末顆粒的熔化和凝固過程迅速進(jìn)行，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)不均勻。在金屬粉末燒結(jié)中，快速升溫使得粉末顆粒表面迅速熔化，而內(nèi)部溫度相對(duì)較低，在凝固過程中，容易形成粗大的晶粒和不均勻的組織。這種不均勻的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致成型件的性能差異較大，力學(xué)性能不穩(wěn)定。研究表明，當(dāng)升溫速率從10℃/min提高到50℃/min時(shí)，金屬成型件的晶粒尺寸增大了30%，硬度和強(qiáng)度的波動(dòng)范圍也明顯增大。相反，適當(dāng)?shù)纳郎厮俾誓軌蚴狗勰┎牧暇鶆蚴軣?，減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生，有利于形成均勻、致密的微觀結(jié)構(gòu)。在適宜的升溫速率下，粉末顆粒能夠充分?jǐn)U散和融合，晶粒生長(zhǎng)更加均勻，晶界清晰，從而提高成型件的性能。在一些實(shí)驗(yàn)中，將升溫速率控制在10℃/min-20℃/min之間，金屬成型件的微觀結(jié)構(gòu)得到明顯改善，硬度和強(qiáng)度的均勻性提高，性能穩(wěn)定性增強(qiáng)。4.2.3保溫時(shí)間對(duì)成分均勻性和性能穩(wěn)定性的影響保溫時(shí)間在粉末燒結(jié)3D打印過程中，對(duì)成型件的成分均勻性和性能穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。當(dāng)保溫時(shí)間較短時(shí)，粉末顆粒之間的原子擴(kuò)散不充分，導(dǎo)致成型件內(nèi)部成分不均勻。在金屬粉末燒結(jié)中，不同元素的原子在燒結(jié)過程中需要一定的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和均勻分布。若保溫時(shí)間不足，可能會(huì)出現(xiàn)某些區(qū)域元素富集，而另一些區(qū)域元素貧化的情況。在鋁合金粉末燒結(jié)中，如果保溫時(shí)間僅為30分鐘，明顯短于最佳保溫時(shí)間（60分鐘-120分鐘），成型件中可能會(huì)出現(xiàn)硅元素的偏析現(xiàn)象。硅元素的偏析會(huì)導(dǎo)致成型件不同部位的力學(xué)性能存在差異，影響其整體性能。成分不均勻還可能導(dǎo)致成型件在后續(xù)的使用過程中出現(xiàn)腐蝕、疲勞等問題，降低其使用壽命。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，原子擴(kuò)散更加充分，成型件的成分均勻性得到提高，性能穩(wěn)定性增強(qiáng)。足夠的保溫時(shí)間使粉末顆粒之間的原子能夠充分?jǐn)U散，填充孔隙，消除成分差異，從而提高成型件的密度和強(qiáng)度，使其性能更加穩(wěn)定。當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到90分鐘時(shí)，鋁合金成型件中的硅元素分布更加均勻，硬度和強(qiáng)度的波動(dòng)范圍明顯減小，性能穩(wěn)定性得到顯著提升。然而，過長(zhǎng)的保溫時(shí)間也會(huì)帶來一些問題。一方面，過長(zhǎng)的保溫時(shí)間會(huì)增加生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)效率。在工業(yè)生產(chǎn)中，時(shí)間成本是一個(gè)重要的考慮因素，過長(zhǎng)的保溫時(shí)間會(huì)導(dǎo)致能源消耗增加，設(shè)備利用率降低。另一方面，過長(zhǎng)的保溫時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致晶粒過度長(zhǎng)大，反而降低成型件的性能。在高溫下，長(zhǎng)時(shí)間的保溫會(huì)使晶粒不斷生長(zhǎng)，晶界面積減小，材料的強(qiáng)度和韌性下降。在陶瓷粉末燒結(jié)中，若保溫時(shí)間過長(zhǎng)，晶粒尺寸會(huì)顯著增大，材料的脆性增加，抗沖擊性能降低。4.3案例分析：典型異質(zhì)功能件的燒結(jié)參數(shù)優(yōu)化4.3.1案例選取與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)本案例選取生物陶瓷植入體作為研究對(duì)象，生物陶瓷植入體在醫(yī)療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，其性能直接關(guān)系到患者的治療效果和生活質(zhì)量。以羥基磷灰石（HA）生物陶瓷植入體為例，它具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，能夠與人體骨骼組織形成化學(xué)鍵合，促進(jìn)骨組織的生長(zhǎng)和修復(fù)。然而，其燒結(jié)過程較為復(fù)雜，燒結(jié)參數(shù)對(duì)其性能有著關(guān)鍵影響。實(shí)驗(yàn)材料選用純度為99%的羥基磷灰石粉末，其平均粒徑為5μm。這種粉末具有較高的活性，有利于在燒結(jié)過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成致密的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用德國(guó)Hüttinger公司的HP5000高溫?zé)Y(jié)爐，該燒結(jié)爐具有高精度的溫度控制系統(tǒng)，溫度控制精度可達(dá)±1℃，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)燒結(jié)溫度精確控制的要求。同時(shí)，配備美國(guó)Instron公司的5967萬能材料試驗(yàn)機(jī)，用于對(duì)燒結(jié)后的植入體進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用多參數(shù)組合方式，重點(diǎn)研究燒結(jié)溫度、升溫速率和保溫時(shí)間對(duì)生物陶瓷植入體性能的影響。燒結(jié)溫度設(shè)置為1100℃、1200℃、1300℃三個(gè)水平；升溫速率設(shè)置為5℃/min、10℃/min、15℃/min三個(gè)水平；保溫時(shí)間設(shè)置為1h、2h、3h三個(gè)水平。通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，共進(jìn)行27組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)制備5個(gè)植入體試樣。在實(shí)驗(yàn)過程中，利用阿基米德排水法測(cè)量植入體的密度，計(jì)算其相對(duì)密度；使用洛氏硬度計(jì)測(cè)量植入體的硬度；通過細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞粘附實(shí)驗(yàn)評(píng)估植入體的生物相容性。細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)采用MTT法，將小鼠成骨細(xì)胞與植入體浸提液共同培養(yǎng)，通過檢測(cè)細(xì)胞的存活率來評(píng)估植入體的細(xì)胞毒性。細(xì)胞粘附實(shí)驗(yàn)則是將小鼠成骨細(xì)胞接種在植入體表面，培養(yǎng)一定時(shí)間后，通過掃描電子顯微鏡觀察細(xì)胞的粘附情況。4.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同燒結(jié)參數(shù)下生物陶瓷植入體的密度、硬度和生物相容性存在明顯差異。在密度方面，隨著燒結(jié)溫度的升高，植入體的密度逐漸增加。當(dāng)燒結(jié)溫度從1100℃升高到1300℃時(shí)，植入體的相對(duì)密度從85%提高到95%。這是因?yàn)楦邷赜兄诜勰╊w粒之間的原子擴(kuò)散和融合，使孔隙減少，從而提高密度。升溫速率對(duì)密度的影響相對(duì)較小，但在較低的升溫速率下，植入體的密度略高。當(dāng)升溫速率為5℃/min時(shí)，植入體的相對(duì)密度比15℃/min時(shí)高約2%。這可能是因?yàn)檩^低的升溫速率使粉末材料受熱更加均勻，有利于原子的擴(kuò)散和融合。保溫時(shí)間對(duì)密度的影響也較為顯著，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，植入體的密度逐漸增加。當(dāng)保溫時(shí)間從1h延長(zhǎng)到3h時(shí)，植入體的相對(duì)密度從88%提高到93%。在硬度方面，燒結(jié)溫度對(duì)硬度的影響最為顯著。隨著燒結(jié)溫度的升高，植入體的硬度明顯增加。當(dāng)燒結(jié)溫度從1100℃升高到1300℃時(shí)，植入體的洛氏硬度從70HRF提高到85HRF。這是由于高溫下粉末顆粒之間的結(jié)合更加緊密，形成了更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。升溫速率和保溫時(shí)間對(duì)硬度也有一定影響，適當(dāng)提高升溫速率和延長(zhǎng)保溫時(shí)間，有助于提高植入體的硬度。當(dāng)升溫速率為10℃/min，保溫時(shí)間為2h時(shí)，植入體的硬度相對(duì)較高。在生物相容性方面，細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有植入體試樣均無明顯細(xì)胞毒性，細(xì)胞存活率均在85%以上。然而，細(xì)胞粘附實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同燒結(jié)參數(shù)下植入體表面的細(xì)胞粘附情況存在差異。在1200℃燒結(jié)、升溫速率為10℃/min、保溫時(shí)間為2h的條件下，植入體表面的細(xì)胞粘附數(shù)量最多，細(xì)胞形態(tài)良好，說明在此條件下植入體具有較好的生物相容性。這可能是因?yàn)樵诖藷Y(jié)參數(shù)下，植入體的表面粗糙度和化學(xué)成分分布較為適宜，有利于細(xì)胞的粘附和生長(zhǎng)。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為提高生物陶瓷植入體的性能，在燒結(jié)參數(shù)優(yōu)化方面，建議選擇燒結(jié)溫度為1200℃、升溫速率為10℃/min、保溫時(shí)間為2h的參數(shù)組合。在此參數(shù)組合下，植入體能夠獲得較好的密度、硬度和生物相容性，滿足生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)χ踩塍w的性能要求。未來的研究可以進(jìn)一步探索其他燒結(jié)參數(shù)的組合，以及添加微量元素等方法對(duì)生物陶瓷植入體性能的影響，以不斷優(yōu)化燒結(jié)工藝，提高植入體的質(zhì)量和性能。五、固化與燒結(jié)參數(shù)的協(xié)同作用對(duì)成形質(zhì)量的影響5.1固化與燒結(jié)參數(shù)的相互關(guān)系在異質(zhì)功能件三維打印過程中，固化與燒結(jié)參數(shù)并非相互獨(dú)立，而是存在著緊密的相互關(guān)系，它們共同作用，對(duì)成型質(zhì)量產(chǎn)生綜合影響。固化參數(shù)在三維打印中起著至關(guān)重要的作用，直接決定了生坯的質(zhì)量和性能。以光固化成型（SLA）技術(shù)為例，光照強(qiáng)度和曝光時(shí)間是兩個(gè)關(guān)鍵的固化參數(shù)。光照強(qiáng)度決定了樹脂吸收光能的多少，曝光時(shí)間則決定了樹脂接受光照的時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)光照強(qiáng)度較高且曝光時(shí)間適宜時(shí)，樹脂能夠充分固化，形成的生坯具有較高的強(qiáng)度和較好的尺寸精度。研究表明，在某型號(hào)光敏樹脂的SLA打印中，當(dāng)光照強(qiáng)度為100mW/cm2，曝光時(shí)間為15s時(shí)，生坯的拉伸強(qiáng)度達(dá)到35MPa，尺寸偏差控制在±0.1mm以內(nèi)。然而，如果光照強(qiáng)度不足或曝光時(shí)間過短，樹脂固化不充分，生坯的強(qiáng)度較低，容易出現(xiàn)變形、開裂等問題。相反，若光照強(qiáng)度過高或曝光時(shí)間過長(zhǎng)，樹脂過度固化，會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，同樣會(huì)導(dǎo)致生坯出現(xiàn)缺陷。生坯的質(zhì)量和性能對(duì)后續(xù)的燒結(jié)過程有著重要影響。高質(zhì)量的生坯，如具有良好的尺寸精度、較高的密度和均勻的微觀結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)闊Y(jié)提供良好的基礎(chǔ)。在燒結(jié)過程中，這樣的生坯更容易實(shí)現(xiàn)均勻的收縮和致密化，從而獲得高質(zhì)量的燒結(jié)件。若生坯存在缺陷，如內(nèi)部有氣孔、裂紋或密度不均勻等，這些缺陷在燒結(jié)過程中可能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致燒結(jié)件出現(xiàn)變形、開裂或性能下降等問題。在陶瓷材料的三維打印中，如果生坯內(nèi)部存在較多氣孔，在燒結(jié)過程中，這些氣孔可能會(huì)因高溫而膨脹，導(dǎo)致燒結(jié)件出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重影響其力學(xué)性能。燒結(jié)參數(shù)需要根據(jù)固化后坯體的特性進(jìn)行調(diào)整。不同的固化參數(shù)會(huì)導(dǎo)致坯體具有不同的密度、硬度、微觀結(jié)構(gòu)等特性，因此在燒結(jié)時(shí)需要相應(yīng)地調(diào)整燒結(jié)溫度、升溫速率、保溫時(shí)間等參數(shù)。對(duì)于密度較高、硬度較大的坯體，可能需要適當(dāng)提高燒結(jié)溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間，以促進(jìn)粉末顆粒之間的充分融合和致密化。而對(duì)于密度較低、硬度較小的坯體，則需要降低燒結(jié)溫度和縮短保溫時(shí)間，以避免過度燒結(jié)導(dǎo)致坯體變形或性能惡化。在金屬粉末的選擇性激光燒結(jié)（SLS）中，如果固化后的坯體密度較低，在燒結(jié)時(shí)可以適當(dāng)提高激光功率，增加粉末的燒結(jié)程度，提高燒結(jié)件的密度和強(qiáng)度。5.2協(xié)同作用對(duì)成形質(zhì)量的綜合影響5.2.1對(duì)整體結(jié)構(gòu)完整性的影響在異質(zhì)功能件三維打印過程中，固化與燒結(jié)參數(shù)的協(xié)同作用對(duì)整體結(jié)構(gòu)完整性起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)參數(shù)協(xié)同不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致異質(zhì)功能件出現(xiàn)開裂、變形等嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)問題，極大地影響其使用性能和可靠性。以陶瓷基復(fù)合材料異質(zhì)功能件為例，在光固化成型后的脫脂和燒結(jié)過程中，如果固化階段的光照強(qiáng)度和曝光時(shí)間設(shè)置不合理，導(dǎo)致生坯內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，存在較多的應(yīng)力集中點(diǎn)；而在燒結(jié)階段，升溫速率過快，使得材料內(nèi)部溫度分布不均，熱應(yīng)力過大，就容易引發(fā)開裂現(xiàn)象。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，由于固化時(shí)曝光時(shí)間過短，生坯內(nèi)部樹脂固化不完全，在后續(xù)燒結(jié)過程中，當(dāng)升溫速率達(dá)到20℃/min時(shí)，異質(zhì)功能件出現(xiàn)了明顯的裂紋，裂紋長(zhǎng)度達(dá)到5mm以上，嚴(yán)重破壞了結(jié)構(gòu)完整性。變形問題也是參數(shù)協(xié)同不當(dāng)?shù)某Ｒ姾蠊?。在金屬異質(zhì)功能件的選擇性激光熔化（SLM）打印中，如果固化參數(shù)（如激光功率、掃描速度等）與燒結(jié)參數(shù)（如預(yù)熱溫度、保溫時(shí)間等）不匹配，會(huì)導(dǎo)致零件在打印過程中或打印后出現(xiàn)變形。當(dāng)激光功率過高，掃描速度過快時(shí)，金屬粉末快速熔化和凝固，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；而預(yù)熱溫度不足，無法有效緩解熱應(yīng)力，在保溫時(shí)間較短的情況下，零件內(nèi)部的應(yīng)力無法充分釋放，最終導(dǎo)致零件發(fā)生翹曲變形。在某航空發(fā)動(dòng)機(jī)金屬異質(zhì)零件的打印實(shí)驗(yàn)中，由于激光功率比最佳值高出20%，掃描速度提高了30%，預(yù)熱溫度比推薦值低了50℃，保溫時(shí)間縮短了30%，打印出的零件出現(xiàn)了明顯的翹曲變形，變形量達(dá)到1.5mm，超出了設(shè)計(jì)允許的誤差范圍。這些結(jié)構(gòu)問題不僅影響異質(zhì)功能件的外觀和尺寸精度，更重要的是會(huì)降低其力學(xué)性能和使用壽命。開裂會(huì)導(dǎo)致零件在受力時(shí)應(yīng)力集中，容易發(fā)生斷裂，嚴(yán)重威脅到使用安全；變形則會(huì)影響零件與其他部件的裝配精度，降低整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，在異質(zhì)功能件三維打印過程中，必須充分考慮固化與燒結(jié)參數(shù)的協(xié)同作用，通過優(yōu)化參數(shù)組合，確保整體結(jié)構(gòu)的完整性。5.2.2對(duì)功能性能的影響固化與燒結(jié)參數(shù)的協(xié)同作用對(duì)異質(zhì)功能件的功能性能有著顯著影響，尤其是在電學(xué)、光學(xué)等性能方面。在電學(xué)性能方面，以3D打印制備的碳納米管/聚合物復(fù)合材料異質(zhì)功能件為例，該材料常用于電子器件中的導(dǎo)電線路或電極。研究表明，固化過程中的光照強(qiáng)度和曝光時(shí)間會(huì)影響聚合物基體的固化程度和交聯(lián)密度，進(jìn)而影響碳納米管在基體中的分散狀態(tài)和界面結(jié)合強(qiáng)度。如果固化不充分，碳納米管與聚合物基體之間的界面結(jié)合較弱，在燒結(jié)過程中，由于溫度和壓力的作用，碳納米管容易發(fā)生團(tuán)聚或脫落，導(dǎo)致材料的電學(xué)性能下降。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)光照強(qiáng)度為80mW/cm2，曝光時(shí)間為10s時(shí)，固化后的復(fù)合材料在燒結(jié)后電阻值比正常情況高出50%，導(dǎo)電性能明顯變差。在光學(xué)性能方面，對(duì)于光固化制備的光學(xué)透鏡等異質(zhì)功能件，固化參數(shù)與燒結(jié)參數(shù)的協(xié)同作用同樣關(guān)鍵。例如，在制備用于激光通信的光學(xué)透鏡時(shí)，透鏡材料通常由光敏樹脂和具有特定光學(xué)性能的添加劑組成。固化過程中，曝光時(shí)間和光強(qiáng)的選擇會(huì)影響透鏡的表面質(zhì)量和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其光學(xué)性能。如果曝光時(shí)間過長(zhǎng)或光強(qiáng)過高，會(huì)導(dǎo)致透鏡表面出現(xiàn)粗糙度增加、折射率不均勻等問題；而在燒結(jié)過程中，如果燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間控制不當(dāng)，會(huì)使添加劑的分布發(fā)生變化，影響透鏡的透光率和色散性能。在某研究中，當(dāng)曝光時(shí)間從15s延長(zhǎng)到25s，光強(qiáng)從100mW/cm2提高到150mW/cm2時(shí)，制備的光學(xué)透鏡在燒結(jié)后透光率下降了10%，色散現(xiàn)象明顯加劇，嚴(yán)重影響了其在激光通信中的應(yīng)用性能。這些研究案例充分說明，固化與燒結(jié)參數(shù)的協(xié)同作用對(duì)異質(zhì)功能件的功能性能有著復(fù)雜而重要的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，必須根據(jù)異質(zhì)功能件的具體功能需求，精確調(diào)控固化與燒結(jié)參數(shù)，以確保其功能性能的穩(wěn)定性和可靠性，滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ξ愘|(zhì)功能件的嚴(yán)格要求。5.3案例分析：復(fù)雜異質(zhì)功能件的參數(shù)協(xié)同優(yōu)化5.3.1案例選取與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)本案例選取電子器件散熱模塊作為研究對(duì)象，電子器件散熱模塊在電子設(shè)備中起著至關(guān)重要的作用，其散熱性能直接影響電子設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命。隨著電子器件朝著小型化、高性能化方向發(fā)展，對(duì)散熱模塊的性能要求也越來越高。異質(zhì)功能件三維打印技術(shù)為制造高性能散熱模塊提供了新的途徑，通過合理設(shè)計(jì)和控制固化及燒結(jié)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)散熱模塊結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)材料選用銅粉和鋁合金粉末作為主要原料，銅具有良好的導(dǎo)熱性，其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)401W/（m?K），能夠快速傳導(dǎo)熱量；鋁合金則具有密度低、強(qiáng)度較高的特點(diǎn)，其密度約為2.7g/cm3，抗拉強(qiáng)度可達(dá)200MPa-400MPa。這兩種材料的組合可以在保證散熱性能的同時(shí)，減輕散熱模塊的重量，提高其綜合性能。為增強(qiáng)兩種材料之間的結(jié)合力，還添加了適量的鎳基合金粉末作為中間過渡層材料，鎳基合金具有良好的高溫性能和耐腐蝕性，能夠有效改善異質(zhì)材料之間的界面結(jié)合。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用德國(guó)EOS公司的M290金屬3D打印機(jī)和美國(guó)Renishaw公司的AM400金屬3D打印機(jī)。M290打印機(jī)采用選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)，激光功率為400W，光斑直徑為70μm，掃描速度最高可達(dá)7m/s；AM400打印機(jī)同樣采用SLM技術(shù)，激光功率為500W，光斑直徑為80μm，掃描速度最高可達(dá)6m/s。這兩款打印機(jī)具有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)打印精度和質(zhì)量的要求。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用多參數(shù)組合方式，全面研究固化及燒結(jié)參數(shù)對(duì)散熱模塊性能的影響。固化參數(shù)方面，選取激光功率、掃描速度和掃描間距三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。激光功率設(shè)置為300W、350W、400W三個(gè)水平；掃描速度設(shè)置為1000mm/s、1200mm/s、1400mm/s三個(gè)水平；掃描間距設(shè)置為0.08mm、0.10mm、0.12mm三個(gè)水平。燒結(jié)參數(shù)方面，選取燒結(jié)溫度、升溫速率和保溫時(shí)間三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。燒結(jié)溫度設(shè)置為800℃、900℃、1000℃三個(gè)水平；升溫速率設(shè)置為5℃/min、10℃/min、15℃/min三個(gè)水平；保溫時(shí)間設(shè)置為1h、2h、3h三個(gè)水平。通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，共進(jìn)行81組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)打印3個(gè)散熱模塊試樣。在實(shí)驗(yàn)過程中，利用熱常數(shù)分析儀測(cè)量散熱模塊的熱導(dǎo)率，使用熱膨脹儀測(cè)量熱膨脹系數(shù)，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察微觀結(jié)構(gòu)，分析不同參數(shù)協(xié)同下散熱模塊的性能和結(jié)構(gòu)變化。5.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同固化及燒結(jié)參數(shù)協(xié)同下，電子器件散熱模塊的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)存在明顯差異。在熱導(dǎo)率方面，隨著激光功率