摘要
浆料直写技术因其具有打印精度高，适合加工复杂多孔结构，适合多材料打印，材料适用性高，成本低的优势而被应用于多金属的制备。其中，参数在制造过程中起着关键作用，不仅能够对金属结构的性能进行调控，而且能够调控结构的形状变化。本文基于参数调控对浆料直写的3D/4D打印进行了研究。 一是对于钛合金人工骨的浆料直写3D打印研究，利用调控浆料组分对钛合金人工骨的性能进行调控，具体是指浆料组分中造孔剂Mn的含量。首先本文指出在钛合金人工骨的研究领域中，存在的问题是钛合金人工骨的结构孔隙和杨氏模量难以同时与人体骨匹配，会导致妨碍骨再生、机械失效和应力屏蔽等现象。解决方案是利用浆料直写加工了含有微米Mn颗粒造孔剂的钛合金支架，在烧结过程中利用金属蒸气压的不同使 Mn 升华，得到具有分层孔隙的钛合金人工骨。其中分层孔隙指的是相互连通的线条间的结构孔隙和线条内部的微观孔隙。通过调节支架中Mn的含量来控制微观孔隙的数量，可以在不改变结构孔隙的前提下调节人工骨的杨氏模量，得到结构孔隙和杨氏模量同时与人体骨匹配的人工骨。研究分析了支架的微观结构以及压缩性能，发现锰的含量从0上升到50%时，结构孔隙率 50%的人工骨支架的线条内部微观孔隙率从 2.6%上升到 63.9%，同时杨氏模量从12.39 GPa下降到0.39 GPa。钛合金人工骨的结构孔隙和杨氏模量能在10%-70%和0.08 GPa-18.08 GPa范围内自由调节。此外，使用双喷头浆料直写技术制备“皮质骨-松质骨”二元结构，同时匹配人体皮质骨和松质骨的结构孔隙和杨氏模量。考虑到人体骨具有径向和轴向的梯度孔隙，设计并制备了仿生人骨的径向和轴向梯度结构。基于仿生原理还制备了受贝壳启发的交叉层状结构和受鲍鱼壳启发的砖块-混凝土结构，以提高断裂韧性，抵抗裂纹的产生和扩展。 二是对于受豌豆荚启发的非智能响应性铁铜双层结构的4D打印研究。利用打印参数来调控双层结构的变形程度，包括打印层数、长宽比、打印角度等。在金属浆料直写 4D 打印领域中，存在的问题是目前打印材料大多数为智能材料，在外界下刺激发生响应而变化，并且现有的非智能金属材料研究的较少，由于金属硬而脆的特性使其应用于4D打印成为一个挑战。本文受到豌豆荚变形原理的启发，应用双喷头浆料直写技术打印铁和铜双层结构，利用铁和铜在烧结过程中收缩率的不同使打印的平面结构变为烧结后的三维结构。对不同打印参数下的铁铜双层结构的弯曲和扭转变形进行了探究。结果表明，弯曲变形受打印层数的影响较大，随着打印层数的增大而减小。扭转变形在n1=1，n2=2，上层孔隙率为10%的情况下达到最大。根据对铁铜双层结构的弯曲和扭转变形的基础性探究，设计制备了复杂的三维结构，包括8种仿生结构和3种特殊结构，证明了加工复杂零件的可行性。同时，对铁铜双层结构的应用进行了探究，包括制备了一种可组装的涡轮叶片结构；对双金属温度计中螺旋形状的感温元件的制备进行了探究；提供了一种通过模具辅助成型的方法能够使铁铜双层结构具有较大变形。 因此，本文基于以上两个领域的研究内容，指出参数在浆料直写打印中有着重要的作用。利用参数调控钛合金人工骨的机械性能，使其结构孔隙和杨氏模量同时与人体骨匹配，对于钛合金人工骨的研究为人工骨的植入和临床医疗相关技术奠定了基础，铺平了道路，使其具有广阔的应用前景。利用参数调控实现了非智能响应铁铜材料的可控变形。铁铜双层结构的变形原理适用于所有在浆料直写烧结过程中收缩不匹配的金属材料，扩展了4D打印的研究范围，使4D打印摆脱了智能材料的限制。
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