基于数字化3D技术的股骨假体再设计与激光选区熔化制造

研究了基于数字化3D技术的全膝置换股骨假体再设计并通过激光选区熔化(SLM)技术直接制造了股骨假体,以满足医学上对全膝置换股骨假体的高适配性要求。对一名患者的全膝关节CT连续断层图像提取股骨3D模型,根据骨科医生手术规划进行了数字化3D解剖与测量,并据此对目前商业化的假体进行了重新设计。然后,利用SLM技术直接制造了再设计完成的3D股骨假体模型,并讨论了制造工艺参数、机械性能、空间优化摆放位置以及成型精度等关键技术。实验结果显示:依据患者股骨远端解剖参数可完成股骨假体的3D模型再设计并可利用SLM技术直接制造出股骨假体,单个股骨假体成型时间为5.2h,成型精度标准偏差为0.030mm,成型致密度达到99.02%;热处理后成型性能优于美国实验材料学会(ASTM)F75的铸造标准。得到的结果表明该项技术可以快速制造完成患者所需要的股骨假体,且成型性能优良。

激光选区熔化设备发展现状与趋势

激光选区熔化技术是金属3D打印中的一项重要技术,近几年得到了快速发展。从激光选区熔化设备厂商及其产品规格、设备结构原理及其发展方向等不同层面介绍了激光选区熔化设备近些年的发展,并结合目前发展现状提出了激光选区熔化技术未来发展趋势。

激光选区熔化技术及其在个性化医学中的应用

激光选区熔化是一种精密金属增材制造技术,可以成形任意复杂的功能零件。个性化医学用品需要具有个性化的几何外形和良好的生物性能,为了探究激光选区熔化在个性化医学用品中的应用,采用Di Metal系列激光选区熔化设备成形医用金属材料如316L不锈钢、Co Cr Mo合金、Ti6Al4V,并对医用金属材料成形致密度、成形力学性能和几何结构成形性进行了研究。通过个性化设计和Di Metal系列激光选区熔化设备,设计与制造了个性化牙冠、舌侧正畸托槽、手术模板、全膝置换股骨远端假体、股骨近端假体、颅骨修复体等医学用品。研究证明Di Metal系列激光选区熔化装备、工艺可用于个性化医学用品的快速制造,这为个性化医学用品的快速响应设计与制造提供了一种新的手段。

激光选区熔化自由制造异质材料零件

为解决当前激光选区熔化成型过程难以按需在零件上自由布置不同材料的难题,基于多漏斗供粉+柔性清扫回收粉末原理,对异质材料零件激光选区熔化增材制造技术展开了研究,详细探讨了成型机理、粉尘污染防范机制及异质材料数据处理方法。采用CuSn10,4340两种不同的合金材料进行了工艺实验验证。实验表明,该方法能自由地在不同层间或同层内不同区域按需布置不同的材料;所得块状异质材料零件的铜合金材料区域Fe元素的平均质量百分含量可控制在2%以下,钢材料区域Cu元素的平均质量百分含量可控制在1%以下;成功成型了一个具有复杂外形及微细材料区域特征的异质材料齿轮零件,零件异质材料区域不受零件复杂外形限制,可自由按需布置材料,0.5mm宽的层内异质材料区域也能被较好地表达出来,尺寸误差不超过±0.1mm。该方法可以有效解决激光选区熔化成型过程中异质材料布置的难题,实现异质材料零件成型。

激光选区烧结超高分子量聚乙烯工艺及性能

研究了激光选区烧结(SLS)成型工艺中不同工艺参数以及后续热处理工艺对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料成型性能的影响。通过调整扫描间距、激光功率、扫描速度等不同工艺参数,描述了SLS成型UHMWPE零件的致密度、拉伸强度以及断裂伸长率,并对热处理前后的SLS成型UHMWPE零件的力学性能进行了比较。结果显示,致密度、拉伸强度、断裂伸长率总体上与激光功率呈正相关关系,与扫描间距、扫描速度呈负相关关系。经热处理后,SLS成型UHMWPE零件的力学性能有明显提高,致密度达到95.12%,抗拉强度达到24.08 MPa,断裂伸长率达到334.82 MPa。实验结果表明:SLS成型UHMWPE零件与模塑成型UHMWPE零件性能尚有差距,仅优化成型工艺不足以得到理想性能,但经热处理后,零件性能基本满足使用要求。

成分梯度材料零件的激光选区熔化成型

为解决复杂结构金属梯度材料零件制造技术的难题,对成分梯度材料零件的激光选区熔化成型方法展开了研究。通过零件梯度设计法结合多组扫描路径数据文件及一个txt格式文件,实现了成分梯度材料零件增材制造数据的获取;通过双轴摆动的粉末实时混合均布装置实现了梯度成分粉末的实时混合及均布;采用柔性清扫回收原理解决激光选区熔化制造梯度材料零件时同层内不同粉末的清理回收问题。利用自主研发的梯度材料零件激光选区熔化成型系统展开了实验验证。获得了4340+CuSn10梯度材料零件,颜色上呈明显的梯度过渡,对其前侧面及上表面进行EDS分析,发现中间3个梯度区域Fe的平均质量百分比在垂直方向分别为4.94%,36.49%,59.16%,在水平方向分别为12.88%,41%,53.59%,在不同层之间、同一层不同区域之间均呈梯度变化。该方法可实现成分梯度材料零件自由增材制造,为该类零件的制造提供了新的选择。

异质材料零件SLM增材制造系统设计与实现

基于多漏斗定量供粉+柔性清理回收粉末原理,研制了一套新型的异质材料零件激光选区熔化增材制造系统。详细分析了系统的运行原理、系统构成、定量供粉实现,杂质的防范等,并研发了定量供粉、均粉、粉末铺设回收、污染防范等装置,构思了异质材料零件数据处理方法。通过VC++开发的总控软件,将各装置集成控制,建成了异质材料零件激光选区熔化增材制造系统,并成功展开了实验验证。

基于SLM从图像直接制造金属浮雕的方法

为避免传统雕刻式金属浮雕加工过程中的材料浪费,实现金属浮雕的快速制造,提出了一种基于选区激光熔化(SLM)的从图像直接制造金属浮雕的方法.针对现有浮雕设计软件对SLM支持不足的缺点,利用可视化工具包(VTK)和扫描路径生成库(SPGL)开发了用于SLM的浮雕设计制造软件.该软件具有3D浮雕建模、浮雕模型切片、扫描路径生成和加工代码生成等主要功能,能够将图像直接转化成用于SLM设备的加工代码.为利用SLM分层制造的优点,减少材料消耗,文中还探讨了空心浮雕的直接制造过程.最后用316L不锈钢粉在SLM设备上进行了金属浮雕的加工实验.结果表明,文中方法是可行的.

膝关节股骨假体的个性化设计与匹配程度分析

为了验证个性化设计方法在股骨假体匹配性上的合理性,并为股骨假体的个性化设计提供参考,提出以截骨面覆盖率和假体重合度为指标来分析股骨假体匹配性的方法.首先参考胫骨平台覆盖率的概念给出股骨假体截骨面覆盖率的定义,并引入假体重合度来分别量化股骨假体在截骨面和外形上的匹配程度;然后基于CT扫描数据重建人体膝关节三维模型,提取模型表面特征并完成股骨假体的个性化设计.将个性化股骨假体与Nex Gen,GEMINI和LEGION这3种标准型股骨假体一起进行模拟植入实验,测量并计算4种股骨假体截骨面覆盖率和假体重合度的值,结果表明,个性化股骨假体在截骨面和外形上的匹配性均优于3种标准型股骨假体;而截骨面覆盖率和假体重合度能够对假体匹配性进行系统的分析和评价,其结果可以作为膝关节假体个性化设计的重要参考.

数字化牙科修复体的快速制造技术及其进展

随着现代制造技术的发展,计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)、快速原型及快速制造(RP/RM)越来越多地应用于口腔修复领域.由于CAD/CAM的加工材料浪费,成本高,制约了该技术的普及.增材堆积快速成型方式可实现柔性加工,有效避免材料浪费,在个性化修复体制造中有较大优势,因此在近年来得到快速发展.本文综述了数字化牙科技术的进展,并重点介绍了增材式快速堆积制造中的选区激光熔化直接制造技术在数字化牙科中的应用及发展.

3D打印设备国内产业化可行性分析

近年来，3D打印概念逐渐进入人们的视线，并掀起了一股讨论和发展的热潮。2011年2月，英国《经济学人》杂志在一篇题为《3D打印如何改变世界》的封面文章中指出：“3D打印技术未来的发展将使大规模的个性化生产成为可能，这将会带来全球制造业经济的重大变革”。2012年初，美国总统奥巴马就恢复美国制造业提出了一系列的发展方案，将3D打印技术确立为11项重要发展技术之一，并联合科研机构、高校和企业建立了美国国家3D打印研究所，

金属零件3D打印技术现状及研究进展

简述了国内外的金属零件3D打印技术的研究现状及最新进展,包括选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)技术和电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting,EBSM)技术,并针对作者实验室的工作方向——SLM直接制造,具体分析了金属零件3D打印技术研究热点和难点以及具体应用。

基于薄片叠层连接的金属零件三维成型技术探索研究

为了制备具有复杂内腔的零件,近年来出现了通过不同焊接方法进行薄片叠层连接的技术工艺,如:热扩散焊接、电阻焊等。该工艺主要是通过线切割等机加工工艺获得金属薄片,再通过电阻焊或真空热扩散焊接等不同的焊接工艺焊接在一起。研究中,利用激光加工0.1 mm厚度的不锈钢片,从而获得单层二维图形结构,然后通过激光扫描焊接和热扩散焊接的方式来焊接经过叠加和固定的薄层,进而直接制造金属零件。通过研究激光加工与真空热扩散焊接两种工艺对薄片叠层后零件的外型轮廓以及片层间距的影响,探索薄片叠层连接技术对于复杂内腔零件制造的可行性。实验结果表明,进行薄片叠层时,真空热扩散焊接比激光焊接的零件成型效果更好,片层间间隙基本消失,贴合更加紧密,内腔层片状现象基本消失。因此真空热扩散焊接更适合于薄片叠层制造具有复杂内腔和精度要求较高的零件。

KZF-96控制洗井防砂阀的研制与应用

为提高分注管柱有效期,解决注水井出砂影响有效分注的问题,研制了KZF-96控制洗井防砂阀。该阀结构合理,操作简单,具有防砂、反洗井功能,洗井通道大,满足正常管理要求;解决了砂埋控制活塞的问题,提高了投捞成功率,延长了管柱有效期,并能延长注水井的注水有效期。该阀在河南油田现场试验5井次,管柱顺利下到位,密封良好,工艺一次成功率100%;投捞洗井10井次,成功率100%,平均有效期达到14月,具有较强的实用性和良好的推广应用前景。

基于响应面法优化激光选区熔化成型CoCrMo合金工艺及其电化学行为

为了快速直接制造结构复杂、性能优异的个性化医用金属植入体,保证成型件具有良好的组织结构和生物特性,通过激光选区熔化技术对满足ASTMF75要求的CoCrMo合金进行增材制造。通过正交试验和响应曲面设计方法优化致密度工艺参数,观察成型件的微观组织,分析试样在模拟人体体液环境中的耐腐蚀性,并探究热处理工艺对其耐腐蚀性的影响。结果表明:在激光功率168 W、扫描间距0.06 mm、扫描速度550 mm/s时,成型零件的致密度可以达到98.58%,且微观组织均匀。电化学实验结果显示试样的腐蚀电流密度值约为40μA/cm2,经过退火热处理后,腐蚀电流密度仅为20.86μA/cm2,其耐腐蚀性能优于铸造CoCrMo合金的,这为选区激光熔化成型CoCrMo合金在医学植入体方面的应用提供了依据。

激光选区熔化增材制造三维双V蜂窝机械超材料及其压缩力学响应

机械超材料(Mechanical metamaterials,MMMs)具有轻量化、高强度、高能量吸收等特点,已经成为航空航天、能源汽车、制造业、军事等领域的研究热点。激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)增材制造技术可以成形复杂的微观结构,具有较高的精度和分辨率,适用于复杂金属机械超材料成形。提出了一种基于双V单元拓扑的3D机械超材料设计方案,采用SLM技术成形了不同构型的三维双V蜂窝机械超材料,通过理论计算、仿真模拟和试验结合探究了各项结构参数对三维双V蜂窝机械超材料压缩力学响应的影响,实现了可调节的负泊松比机械特性。

激光增材成形纯锌的微观组织及力学性能各向异性研究(特邀)

重点研究了激光选区熔化成形纯锌(Zn)的微观组织和力学性能的各向异性及产生机理。分别对垂直和平行两个构建方向的纯锌试样进行了试验研究,采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射仪(EBSD)对晶粒尺寸、形貌、取向和分布进行了表征。结果表明:纯Zn试样在垂直平面上存在粗柱状晶,平均晶粒尺寸约为17.24μm,晶粒取向优先沿<0001>方向生长;在水平平面上则表现为等轴晶粒,表现出较弱的■与■纤维织构,等轴晶的平均晶粒尺寸为10.21μm,相比垂直平面减小了约40.8%。沿水平平面成形的试样的极限抗拉强度和延伸率分别为123.5 MPa和11.7%,而沿垂直平面成形的试样的极限抗拉强度和延伸率分别为108.0 MPa和14.1%。SLM成形纯锌在微观结构与力学性能上均存在明显的各向异性:沿水平平面成形的试样的强度高,归因于更细小的晶粒尺寸和更大的初始位错密度;沿垂直平面成形的试样的延展性更好,则是因为更多的高角度晶界有效阻碍了裂纹偏转。研究结果揭示了激光选区熔化增材制造纯Zn的微宏观各向异性机理,为Zn在医用植入物中的应用提供了理论参考。

我军饮食保障的社会化之路

饮食保障社会化是指在社会主义市场经济条件下,通过改革现行封闭的计划经济体制下形成的自我保障体系,建立能充分利用社会资源,适应军队需要,开放的饮食保障体系。饮食保障社会化是后勤保障社会化的重要方面,也是后勤保障社会化取得成就的突破口。同时,饮食保障是最基础的后勤保障,其保障质量直接影响各项军事任务的完成。因此,我们必须予以高度的重视。

粉末粒径对AlSi10Mg合金选区激光熔化成形的影响

通过模拟仿真与实验结合研究粉末粒径对选区激光熔化(SLM)可加工性的影响。以3种粒径AlSi10Mg粉末为对象,基于离散元和流体力学数值模拟方法研究SLM铺粉和粉末熔化/凝固介观行为,并对成形样品进行宏观成形质量检测。结果表明,铺粉过程中,粒径小于20μm的粉末剧烈团聚形成大量空隙,粒径大于53μm粉末易形成少量大的空隙,中等粒径粉末床相对密度比细粒径和大粒径分别高7.69%和3.17%。单层粉末床熔融时,铺粉质量不均匀,细粒径与粗粒径熔道不规则。但经历多层熔化后,细粒径熔道缺陷部分缓解。随着粒径的增加,熔道表面平整度下降,细粒径粉末样品存在较多孔隙,粗粒径粉末存在少量未熔合缺陷。中等粒径粉末SLM可加工性最好,样品相对密度达到99.8%,比细粒径和粗粒径分别高1.4%和0.4%。

316L不锈钢双激光选区熔化成形性能研究

为了研究不同的扫描模式对激光选区熔化(SLM)成形质量的影响,采用自主研发的双激光同步扫描激光选区熔化设备,在单激光扫描、双激光低功率同步扫描、双激光高速同步扫描模式下制备了316L不锈钢样件,对比了三种模式下的成形质量,分析了三种模式下飞溅形态、熔池形貌以及样件力学性能的差异。结果表明:采用双激光低功率(110 W)同步扫描时,由反冲压力引起的飞溅增多,熔池尺寸均匀且排列整齐;随着单束激光功率从95 W提升至120 W,样件的致密度从98.91%提升至99.32%;样件的微观组织主要由宽度为0.65~0.75μm的柱状亚晶与等轴亚晶组成。采用双激光高速(2000 mm/s)同步扫描时,熔池深宽发生较大变化,搭接率由单激光扫描时的30%提升至50%以上,柱状亚晶的平均尺寸由单激光扫描时的0.50μm降到0.35μm。两种双激光同步扫描模式下成形样件的力学性能与单激光扫描模式下的相当,致密度达到99%以上,抗拉强度均超过720 MPa,延伸率超过40%。双激光高速同步扫描使得成形效率相较单激光扫描提升了一倍,为大尺寸激光选区熔化设备的扫描策略设计提供了新思路。