Material driven workability simulation by FEM including 3D processing maps for magnesium alloy

The three-dimensional （3D） processing maps considering strain based on the two-dimensional （2D） processing maps proposed by PRASAD can describe the distribution of the efficiency of power dissipation and flow instability regions at various temperatures, strain rates and strains, which exhibit intrinsic workability related to material itself. Finite element （FE） simulation can obtain the distribution of strain, strain rate, temperature and die filling status, which indicates state-of-stress （SOS） workability decided by die shape and different processing conditions. On the basis of this, a new material driven analysis method for hot deformation was put forward by the combination of FE simulation with 3D processing maps, which can demonstrate material workability of the entire hot deformation process including SOS workability and intrinsic workability. The hot forging process for hard-to-work metal magnesium alloy was studied, and the 3D thermomechanical FE simulation including 3D processing maps of complex hot forging spur bevel gear was first conducted. The hot forging experiments were carried out. The results show that the new method is reasonable and suitable to determine the aoorooriate nrocess narameters.

3D打印连续纤维复合材料工艺、结构优化研究进展

连续纤维增强复合材料由于优异的比强度、比刚度、可设计性和轻量化特质,日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐.3D打印技术的发展改变了连续纤维复合材料结构的生产制造流程,使复杂结构的自由成型成为可能,为先进结构材料提供了巨大的设计空间.为充分发挥先进材料性能优势和3D打印成型灵活性,研究人员分别从材料性能和结构设计出发,探索与3D打印连续纤维复合材料相适应的设计制造一体化解决方案,实现产品创新设计和性能提升.本文系统性地回顾了面向连续纤维复合材料性能分析、工艺改进和结构优化的研究工作,结合研究实践对连续纤维复合材料的结构多尺度优化方法进行总结分析,并对未来先进材料结构设计实时化、功能化、智能化的发展趋势进行探讨和展望.

多材料食品3D打印设备的工艺参数试验研究

为研制一种圆柱坐标式多材料食品3D打印设备,对其挤出、成型及多材料等工艺参数进行试验研究。以马铃薯泥混合材料为打印原材料,利用搭建的样机进行工艺参数试验。结果表明:打印喷嘴高度在1.1~1.6 mm,喷嘴直径大于0.8 mm,挤出速度与打印速度相匹配,具有良好的挤出特性;打印速度对产品成型尺寸偏差的影响最大,单层层厚对产品表面质量及成型效率的影响最大;快速、均衡及高精3种工况下,多材料的最佳回抽时间分别为12.5,14.5,15.0 s。研究为确定及优化圆柱坐标式多材料食品3D打印设备的工艺参数提供指导。

3D-Slicer重建CTA在颅内动脉瘤夹闭术后随访中的应用

目的 探究基于3D-Slicer后处理CT血管造影(CTA)在颅内动脉瘤夹闭术后复查中的应用价值。方法 回顾性收集57例动脉瘤夹闭术患者的术后CTA影像资料,图像后处理方法包括多平面重组(MPR)、容积再现(VR)及最大密度投影重组(MIP),并与放射科工作站处理结果进行定性、定量对比,评价其临床应用价值。结果 57例患者69个动脉瘤共夹闭63个,术后CTA除5例图像质量不佳,余均可轻清晰显示瘤夹位置、残余瘤体、载瘤动脉瘤通畅性;术后CTA见2例夹闭不全,2例新发动脉瘤,9例血管广泛痉挛显影浅淡;脑出血3例,脑积水5例,脑梗死1例,以上结果与放射科工作站一致。两种方法重建3D-CTA对于夹闭后载瘤动脉瘤管径大小呈现无统计学差异,且一致性高。结论 3D-Slicer软件对于夹闭术后CTA的图像后处理结果令人满意,可作为一种备选的工具服务于临床。

基于GeoSMA-3D的岩质边坡异形滑动面搜索方法

针对岩体结构面发育特征的不确定性,提出一种岩质边坡异形滑动面搜索方法 .以Ⅲ,Ⅳ结构面岩体为研究对象,结合GeoSMA-3D(geotechnical structure and model analysis-3D)程序中块体切割和关键块体判别模块,将滑坡体设定为几何多面体.岩体的内部块体组合形成多面体,以多面体的表面表征滑动面.引入层次分析法,建立滑动面准定量化评价准则.以小盘岭边坡为例,将异形滑动面判定准则导入GeoSMA-3D程序中,研究表明边坡存在6个关键块体,组合滑动面有3个,潜在滑动面安全系数为1.046,滑动面几何形态与实际边坡拟合度高达95%,验证了岩质边坡滑动面搜索方法的合理性.

基于3DS Max的数控机床加工系统设计

数控机床加工已成为机械现代化发展的核心部分,然而,当前数控机床加工的准确性仍然面临严峻挑战。研究基于3DS Max建模软件完成了数控机床加工系统设计。采用3DS Max软件绘制数控机床的3D模型,依据实际需求实现系统交互界面的可视化。结果显示:窗口的界面功能预测结果均与实际结果保持一致;切削仿真实验中加工数据的延迟最高为58 ms,最低为29 ms,平均延迟为36 ms,满足测试要求;研究系统占用率较低,为14%,低于其余3种系统的CPU占用率。以上结果均验证了所设计系统性能的优越性,表明所构建系统在数控机床加工控制领域有着十分重要的意义。

多组分多层级3D打印材料研究进展

多组分多层级3D打印材料(McMl3DPMs)是一种新兴的先进材料,源于多孔材料、复合材料和增材制造的融合。由于增材制造赋予了Mc Ml3DPMs三维架构跨越广泛组分构成和结构类型的能力,Mc Ml3DPMs拥有杰出的机械性能,甚至是通常被认为相互排斥的性能(例如高强度和高韧性)。本文重点介绍为了实现高性能结构用Mc Ml3DPMs所必须解决的科学挑战以及最近研究工作对此做出的努力,将从结构设计、制造过程建模、缺陷表征和性能评价3个方面对相关案例进行回顾。最后,本文指出了当前研究的不足之处,并展望了Mc Ml3DPMs的未来发展,包括讨论了进一步推进这一新兴领域发展的几个可能的研究方向。

三自由度微曲面电路3D打印方法及工艺

针对打印微曲面电路技术复杂、成本较高等问题,提出了一种使用三自由度打印机打印微曲面电路的方法,该方法旨在使用三自由度打印机在微曲面上打印共形电路,同时开发了一种自适应微曲面3D打印控制算法。该算法将DXF格式的文件作为输入,提取文件中的线路数据并对其进行离散处理,对离散后的数据逐点测量并根据反馈的数据进行线路重构,最终输出可以直接用于3D打印微曲面电路的G代码。利用三自由度打印机在不同基材制备的微曲面上完成电路打印实验和亮灯实验,验证了该方法的可行性。对3D打印微曲面电路的工艺参数进行研究,通过设计正交试验分析了工艺参数对打印的微曲面电路的影响,得到了最优工艺参数组合。结果表明,在针头直径为0.16 mm的情况下,打印气压为0.3 MPa、打印速度为100 mm/min和打印头高度为0.4 mm时,打印的微曲面电路连续且均匀,质量最优。

基于3D相机的轨道扣件部件丢失与松动智能检测

轨道扣件在运营过程中会出现松动甚至掉落、断裂等异常情况,不利于列车行驶稳定和安全,需要进行定期、及时的检查与维修。传统的人工巡检效率低,难以匹配我国轨道交通的快速发展,且对于部件松动等不易察觉的问题检测效果差。利用计算机视觉形成自动化的检测设备逐渐成为发展趋势,其中基于三角测量原理的线结构光技术因其成本低、精度高、速度快等优点得到广泛应用,且适合轨道检测场景。该技术核心设备为可以采集并分析线结构光进行三维重建的3D相机,基于成像原理设计可搭载于轨道检测车的扣件检测系统并进行现场试验,经过数据分析和处理可以分别得到高质量的图像数据和三维模型。针对图像数据利用目标检测的方法,构建数据集,搭载YOLO(You Only Look Once)v5深度学习模型,实现挡肩及扣件部件的快速识别,进行部件丢失检测;针对三维模型利用轨道扣件相对位置固定的特点,根据阈值筛选扣件数据并进一步得到弹条及螺栓等部件的坐标信息,通过边缘提取、平面拟合等方法计算位移量,进行部件松动检测。研究结果表明,检测系统可以采集高质量的扣件数据,扣件部件识别平均精准度达到99.0%,速度满足现场实时检测的要求,同时对于弹条和螺栓的松动量检测精度分别达到了1 mm和0.1 mm。该方法具有实际工程价值,可以大幅提升轨道巡检效率,对于扣件部件丢失、松动等严重问题可以及时预警指导修复,保障轨道安全服役性能。

植物基纳米纤维素在食品3D打印中的应用

3D打印技术通过逐层添加物料的方式实现特定结构物体的快速成型,可根据需求实现对原料组成和成品空间结构的个性化定制,在食品领域具有广阔发展潜力。大多数食品原料不具备可打印性,这制约了用于3D打印的食品原料的来源和种类,限制了3D打印技术在食品行业的应用规模。植物基纳米纤维素来源广泛,具有优异的机械性能和流变特性,能够增强物料的可打印性,是3D打印的理想原料。明确植物基纳米纤维素的功能特点,制备的3D打印墨水特性以及在食品3D打印中应用现状,对充分利用新兴加工技术和新食品原料尤为重要。本文重点介绍植物基纳米纤维素结构特点及与3D打印相适应的功能特性,包括高机械强度,易表面改性,适于打印的流变特性以及较好的生物安全性。在分析凝胶和乳液两种形式的植物基纳米纤维素打印墨水特性和用途的基础上,总结其在食品添加剂、食品包装材料、食品新鲜度指示器、功能物质载体等相关食品领域的应用现状,并展望未来制备新兴功能食品和智能食品包装的前景,以期为相关技术发展提供参考。

连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究

连续碳纤维增强复合材料具有高强度、刚性、耐磨、耐高温和轻量化等优点,适用于需要高性能且轻量化的领域。将三维(3D)打印技术用于制备连续碳纤维增强复合材料则具有更高效、低成本、高材料利用率和灵活生产等优势。本文开展了连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究,研究了挤出宽度、层厚、打印温度对打印材料拉伸性能以及弯曲性能的影响,并探究了退火后处理对材料力学性能的影响。使用扫描电子显微镜(SEM)观察了3D打印样品的切割横截面和拉伸断裂失效横截面,在不同工艺参数条件下,分析和讨论了打印样品和后处理打印样品的内部结构和力学性能之间的关系。结果表明,当挤出宽度为0.65 mm时打印样品力学性能最佳,拉伸强度和拉伸模量为501.51 MPa和31.70 GPa,弯曲强度和弯曲模量为164.53 MPa和31.91 GPa;当层厚为0.1 mm时打印样品力学性能最佳,拉伸强度和拉伸模量为520.78 MPa和36.59 GPa,弯曲强度和弯曲模量为168.43 MPa和32.31 GPa,之后力学性能随着层厚的增加而减小。打印温度对打印样品的力学影响较小。退火后处理对打印样品的力学性能具有一定的优化效果,拉伸强度提升效果有3.07%,弯曲强度提升了51.27%。

3D打印玻璃材料的研究现状及展望

玻璃作为一种非晶态材料,具有高光学透明度、高热稳定性、高化学稳定性、高熔点及低热膨胀系数等特点,广泛用于电子、信息、医疗等领域。随着人们对玻璃材料的结构形状、材料分布及功能属性要求越来越高,传统的玻璃材料成形加工方法(浇筑法、吹制法、浮法等)很难甚至无法满足上述需求。3D打印技术颠覆了传统材料的成形工艺,其基于逐层累加的制造原理,理论上可实现任意复杂构件的数字化成形,具有无需模具、成形效率高等优点,受到玻璃材料成形制造领域学者的广泛关注。本文系统总结了玻璃材料构件的不同3D打印工艺方法、原理及优缺点,介绍了3D打印玻璃材料的应用现状,最后对玻璃材料3D打印技术进行了展望。

3D打印技术在动物源食品加工中的研究进展

3D打印技术是一项新兴技术,旨在从计算机辅助设计模型中建立一个三维物体,已广泛地用于农业、医疗保健、汽车工业、机车工业和航空工业等多个领域。3D打印技术作为一种将数字化软件与加工设备融合的新技术,可以实现物体的个性化定制和批量生产。除此之外,3D打印技术因无模具成型、节省材料及定制化膳食等特点,在食品加工领域逐渐兴起。在动物源食品加工中,3D打印具有独特的潜力,可以创造复杂的几何结构,同时具有经济和环境效益。它可以根据营养需求、卡路里摄入、特定形状、质地、颜色或味道等特定属性创建个性化的食物。基于此,该文综述了4种常见的3D打印技术,分析了常见的食品大分子对动物源食品3D打印产生的影响,并对3D打印技术在动物源性食品加工中的应用现状进行了总结。

3D打印技术在加工设备中的应用影响及实例分析

为提高基于3D打印的食品加工效果,以面粉的挤出式3D打印为研究对象,分析了水温、挤出头相对高度、喷嘴直径、水与面粉材料配比、活塞进给速率、挤出头相对速度6个工艺参数,以及3D打印效果的影响,并确定了最佳工艺参数组合为:水温100℃,挤出头相对平台高度为0.8 mm,喷嘴直径为0.6 mm,去离子水与面粉比例为0.8∶1,活塞进给速率为0.66 mm/min,挤出头相对平台速度为700 mm/min;应用结果表明,在上述最佳工艺参数组合下,3D打印的面团层数更高,精度更高,有效提高了面粉3D打印效果。

一种新型陶瓷材料3D打印成型工艺的试验研究

将陶瓷粉末与高分子材料共混制备的陶瓷材料喂入自主研制的粉体喂料3D打印机,打印出的陶瓷坯体经脱脂和干燥后,分别在最高烧结温度为1550,1580,1620,1650℃下烧结,测试烧结陶瓷体的物理性能。结果表明:随着最高烧结温度的升高,陶瓷体的致密性改善,物理性能提高;当最高烧结温度为1650℃时,陶瓷体的维氏硬度达到1202.8 HV,烧结密度达到5.45 Mg·m^(-3),抗弯强度达到902.1 MPa,断裂韧性达到11.69 MPa·m^(1/2)。

3D打印工艺参数对聚醚醚酮(PEEK)介电性能的影响

为研究3D打印工艺对聚醚醚酮(PEEK)介电性能的影响,基于熔融沉积成型技术,选择多种工艺参数进行单因素实验,针对喷头温度、基板温度、打印速度、层厚、腔室温度等工艺进行研究。实验结果表明:在喷头温度400℃、基板温度140℃、打印速度30 mm/s、层厚0.1 mm、腔室温度120℃时PEEK样件介电常数最低;1~100 MHz频段内频率对介电常数无影响;1~40 MHz频率内,各工艺参数测试得到的PEEK介电损耗角正切均大幅波动;在40~100 MHz频率内,PEEK介电损耗角正切均呈现波动上升的趋势。该研究结果将为天线PEEK介质层的结构设计和制造提供依据。

基于砂型3D打印技术的壳体低压铸造工艺开发与验证

壳体型腔复杂且壁薄,采用传统工艺不仅造型困难,而且从模具设计到整体铸造工艺开发与验证,所用周期长、效率低,生产成本高。基于砂型3D打印技术快速制样优势,本文对壳体浇注系统采用随形设计方案,实现了型腔、叶片一体化结构成形制造,结合数值仿真计算分析,对浇注工艺进行设计优化,开展了浇注试制与铸件实物检测。结果表明,选用3D打印砂型整体成形工艺可实现复杂结构壳体的短周期、低成本与高精密制造,实现工艺样件的快速制造。

水基涂料涂覆工艺对3D打印砂型表面质量影响的研究

以涂料波美度、单次浸涂时间、浸涂次数等工艺参数为影响因素,设计了水基涂料浸涂正交试验,研究了以上因素对3D打印砂型表面粗糙度、涂料层厚度以及涂料层厚度均匀度的影响,得到水基涂料浸涂最佳工艺。采用该工艺,涂层表面粗糙度可以达到Ra3.2~Ra6.3,涂层厚度0.3~0.35 mm,且涂层均匀度好。实际验证铸件表面粗糙度可以达到Ra6.3。

基于砂型3D打印的双吸叶轮铸造工艺研究

C95820铝青铜双吸叶轮具有尺寸较大、壁厚不均、结构复杂等特点,在铸造时会容易产生集中缩松缩孔、氧化物夹杂和气孔等缺陷,采用传统铸造方法生产有一定的困难。本文结合砂型3D打印的技术优势,采用ProCAST软件优化设计了该铸件的浇冒口系统,实现了金属液的平稳充型,缩松缩孔缺陷也主要分布在浇冒口中。对影响叶轮精度的关键叶片砂芯采取一体化设计和打印成形,并且在内部开设了随形气道,保证了树脂砂受热后产生的气体能迅速排出。将3D打印的砂型组型浇注,成功生产出了质量良好的铝青铜双吸叶轮铸件。

采用3D打印技术生产灰铸铁叶轮铸件

介绍了灰铸铁小型单吸叶轮铸件的结构及技术要求,详细阐述了该铸件的生产工艺。为了减少造型工时,降低铸造成本,提高尺寸精度,尽量减少砂型、砂芯数量,运用3D打印砂型工艺,采用叠箱的浇注工艺及特殊的砂型分型方案。生产结果显示:铸件尺寸合格,外观质量良好,披缝少,叶片壁厚均匀,且均为未出现冷隔、穿皮、气孔、缩陷、浇不足等缺陷,满足客户需求。最后指出:运用3D打印砂型技术,结合独特的叠箱铸造工艺方案,可以提高铸件出品率,降低砂铁比,节省生产成本,简化造型浇注操作流程,提高生产效率。