粉末床电子束3D打印医用金属材料的研究进展

从材料研究的角度,综合评述了粉床电子束3D打印(SEBM)装备与技术的最新进展,对SEBM打印的骨科植入医用金属材料的力学性能以及存在的问题进行了总结。对未来SEBM技术在骨科植入材料领域的发展提出了若干建议。重点讨论了目前制约3D打印技术在骨科植入材料领域规模应用的限制因素和解决方法。

电子束3D打印铺粉系统的研究

介绍了一种基于电子束熔融成型3D技术(EBM)的铺粉系统。该系统采用高能电子束对金属粉末进行熔化烧结,然后通过逐层堆积以实现对立体物品的快速成型。从系统的硬件组成、控制算法和加工工艺等方面进行了详细阐述,同时针对系统的优化和改进提出了建设性建议。该系统具有高效、精准、稳定的特点,可以满足复杂工件的快速制造需求,具有广阔的应用前景。

3D打印模具钢粉末处理系统的设计与模拟分析

设计了一种面向金属3D打印全过程的粉末处理系统,完成了系统整体结构设计,通过相关参数计算设计了动力装置、输送管道、供料器、分离器、筛分装置等组成部分。采用FLUENT软件模拟分析了18Ni-300模具钢粉末在系统中的流动情况。结果表明:提高粉末供应管道入口气流速度可以改善粉末在管道中的流动状态和输送效果。随着弯管弯径比的增大,粉末输送率会增加,压力损失会随之降低。减小分离器锥角会导致分离器分离效率提高,内部压力损失减小。提高废料回收管道入口气流速度可以增大筛分装置中废料的回收率。

3D打印生物医用钛合金粉末研究进展

钛合金具有优异的力学性能和良好的生物相容性,在硬组织植入方面应用广泛。介绍了目前常用钛合金粉末制备方法(气体雾化法、等离子旋转电极法、等离子体雾化法等)的原理和工艺特点,比较了不同方法制备出粉末的性能特点,以期为3D打印制造出性能优异的医用钛合金种植体提供思路。

粉煤灰对粉末3D打印磷酸镁水泥基材料耐水性能的影响

磷酸镁水泥基材料具有快硬早强的特点,适用于水泥基粉末3D打印技术。为解决粉末3D打印磷酸镁水泥耐水性能差的问题,本文开展了粉末3D打印磷酸镁水泥基材料耐水性能优化研究,研究了镁磷比对材料耐水性能的影响,优选了镁磷比(摩尔比,下同),探究了粉煤灰掺入对粉末3D打印磷酸镁水泥基材料打印性能和耐水性能的影响规律,并结合微观表征手段揭示了粉煤灰对材料耐水性能改善机理。结果表明:粉末3D打印磷酸镁水泥基材料在水养护条件下的抗压强度降低;随着镁磷比的增加,材料耐水性能相应提高;添加粉煤灰可有效提高粉床密度和打印精度,增加材料的水化产物生成量,使微观结构更加致密,提高其耐水性能;材料浸水28 d后掺入20%(质量分数)粉煤灰可使材料的抗压强度最大提高89.00%,这为改善粉末3D打印磷酸镁水泥基材料的耐水性能及拓展水泥基粉末3D打印技术的应用提供了有力支撑。

Ti-5Ta-30Nb-8Zr合金粉床电子束3D打印分区熔化扫描成形工艺研究

以球形Ti-5Ta-30Nb-8Zr合金粉末为原料,开展了粉床电子束3D打印技术制备钛合金样品的工艺研究。通过分区成形工艺控制,在一次成形中完成多种熔化电流或多种扫描速度的并行实验,快速获得该合金粉末在不同熔化工艺下的成形样品。粉床电子束3D打印成形Ti-5Ta-30Nb-8Zr合金的最佳工艺参数为熔化电流20 m A,扫描速度800 mm/s。在该工艺条件下,加工出的钛合金样品致密度高、内部缺陷少、组织均匀。与传统实验方法相比,分区控制成形技术的研究效率提高150%,可大幅降低研发成本。

3D打印镍基高温合金研究进展

金属3D打印技术依照三维模型进行复杂几何形状构件的制造,可以制造传统制造手段无法实现的复杂结构,已经成为复杂高温合金构件成形的重要技术手段。然而,当采用3D打印工艺制备镍基高温合金构件时,存在原料/能量源/熔池之间的相互作用,并在大温度梯度、极快冷等条件下会进行非平衡凝固,这些特殊的过程决定了3D打印镍基高温合金有着不均匀的微观组织与各向异性的力学性能。现阶段,对增材镍基高温合金微观结构-性能-使役行为的理解比较欠缺,严重限制了其在工业领域的广泛应用。本文讨论了3D打印镍基高温合金的特点;归纳了不同制粉方式、粒径比、粉末成分、缺陷、流动性等粉末原材料特性对3D打印镍基高温合金冶金质量的影响;梳理了3D打印激光能量、扫描速度、扫描间距等工艺参数对镍基高温合金晶粒、析出相及偏析等微观组织的影响;讨论了影响3D打印镍基高温合金拉伸、蠕变及疲劳性能的因素。最后,总结了3D打印镍基高温合金发展过程中面临的问题及可能的对策,提出了一些值得探索的方向。

BOPPPS模型在3D打印课程教学中的应用

改革传统课堂教学方式,实现专业知识与实践技能的紧密结合,提升学生解决金属增材制造领域工程问题的能力。探索以专业实践为导向的应用型课程教学方法。

螺杆式金属3D打印喷头设计与成形质量优化研究

针对桌面级送丝式金属3D打印系统存在的打印材料成本昂贵的问题,设计了螺杆式金属3D打印喷头,实现了对粉末状和颗粒状316L-Pom复合材料的打印成形.基于打印工艺参数优化实验,发现影响打印件线宽误差和面粗糙度的主要因素为挤出流量,在最优面打印参数的基础上,走壁次数是影响打印件尺寸精度的最主要参数.对比分析螺杆式金属3D打印喷头与送丝式金属3D打印喷头的成形质量,发现螺杆式金属3D打印喷头的尺寸误差和面粗糙度Sa均大于送丝式金属3D打印喷头,这主要是因为螺杆挤出过程中存在挤出流量的波动.

首层自动调平3D打印机的研究

介绍了一种首层自动调平的3D打印机。通过研究该技术的研究背景和重要性,确定研究的目的和意义,以解决当前3D打印技术中首层精度不高和调平困难的问题。采用了一种创新的方法,通过自动调平系统对打印床进行实时调整,从而实现首层的自动调平。实验结果表明,该打印机在提高首层精度的同时,大大减少了调平的时间和难度。该技术的应用对于提高3D打印的质量和效率具有重要意义。

电子束粉床3D打印TiAl金属间化合物研究进展

TiAl金属间化合物因具有低密度、高比强度、优异的高温强度和抗蠕变性能等特点,是迄今为数不多能够在600℃以上氧化环境中长期使用的轻质高温结构材料,可显著提高航空发动机推重比和燃油效率。电子束粉床3D打印(Electron Beam-Powder Bed Fusion,EB−PBF)技术具有高的能量利用率和成形效率,以及成形应力低、真空环境等诸多优势,是脆性TiAl合金最理想的增材制造技术。通过查阅国内外近20 a来EB−PBF打印TiAl合金方面的文献,从粉末原料、组织特点、力学性能、复杂构件成形及应用等方面综述了EB−PBF打印γ−TiAl合金、β凝固TiAl合金、高铌TiAl合金的研究进展,并针对目前面临的关键科学问题及实际应用难题展望了EB−PBF打印TiAl合金的发展前景和重点发展方向。

电子束3D打印模型处理对钛合金零件成形精度的影响

模型处理是影响3D打印钛合金零件成形精度的关键因素之一。以电子束3D打印几种典型形状TC4钛合金零件为研究对象,通过对成形零件进行精度检测,分析其在模型处理过程中引起误差的来源,提出了几项改进措施:对于圆柱体轴类零件,将模型精度设置提高到0.02 mm,可有效提高零件的成形精度;对于点阵多孔零件,提高STL数据的精度并优化切层算法,保持切层前后模型原貌是解决该问题的途径;对于针状细圆柱零件,将相同零件按照同一方向摆放,可以减少摆放角度对偏差的随机性影响;对于异形件,应在满足成形精度的前提下合理布局并减少支撑;对于薄壁零件,增加支撑密度能够有效提高零件悬空部分的成形精度。

电子束3D打印极小曲面多孔TC4钛合金及其性能研究

介绍了极小曲面多孔结构设计方法,并采用电子束3D打印技术制备了极小曲面多孔TC4钛合金,对比分析了沉积态组织与热处理后显微组织变化,以及不同表观密度下试样的压缩性能。研究结果表明:采用Rhino建模软件为设计主体,并配合Grasshopper插件的程序算法,可参数化生成极小曲面模型,再用3-matic拓扑优化软件进行曲面多孔化处理,可建立极小曲面多级孔模型;极小曲面多孔TC4钛合金的抗压强度随着表观密度的增加而增大,在表观密度为0.74 g/cm 3时抗压缩强度达到49.33 MPa;沉积态组织主要由β柱状晶组成,经1000℃×2 h/FC退火处理后,组织转变为魏氏组织。

金属粉末3D打印用粘结剂的合成及应用研究

合成了一种金属粉末3D打印用粘结剂,进行了外观、黏度、电导率、pH、表面张力等理化指标检测,研究了粘结剂饱和度、烘干温度、烘干时间对生坯试样抗压强度的影响,对脱脂烧结体进行性能测试、金相图分析并对粘结剂存放稳定性进行验证。结果表明,该粘结剂体系稳定,可满足金属粉末3D打印应用要求,是一种性能良好的金属粉末3D打印用粘结剂。

电子束3D打印循环使用Ti-6Al-4V合金粉体特性研究

研究了电子束3D打印时循环使用Ti-6Al-4V合金粉体对其特性的影响。研究结果表明,随着循环次数的增加,旧粉中的细粉量减少,颗粒间粘结增加,颗粒粒径分布向粗颗粒聚集,粉床上颗粒摩擦阻力下降,压缩性提高,块状残留物增加;循环使用粉体对构件轮廓精度几乎没有影响,但使构件相对致密性下降。添加新粉能改善旧粉性能变差带来的不利影响,改善程度与添加新粉数量有关。

电子束熔融(EBM)技术3D打印纯钛冠的适合性研究

目的:评价电子束熔融(EBM)技术3D打印纯钛单冠的适合性。方法:用EBM、选择性激光熔覆(SLM)、2种CAD/CAM系统(R+K公司与DMG公司)及常规铸造法(LW)分别制作纯钛单冠各5个,用硅橡胶法在体式显微镜下测量边缘及内部垂直间隙。SPSS17.0软件对实验数据进行单因素方差分析。结果:纯钛单冠的边缘和内部间隙(μm)分别为:EBM组38.42±6.72、105.54±33.18,SLM组38.63±6.82、114.63±52.18,DMG CAD/CAM组26.18±4.36、102.18±40.81,R+K CAD/CAM组26.98±4.44、102.24±25.30,铸造组42.61±5.73、102.98±45.67。EBM组边缘平均垂直间隙明显小于临床普遍接受的120μm的标准,2个CAD/CAM组边缘间隙均小于其他3组(P<0.05),5组纯钛冠的内部整体适合性无统计学差异(P>0.05)。结论:EBM 3D打印技术制备纯钛单冠的边缘适合性与SLM技术相似,优于铸造法,小于CAD/CAM法;内部适合性与其他技术无差异。

粉末床金属3D打印成功率提高的要素研究

针对粉末床金属3D打印的工艺现状,介绍了提高工件打印成功率的一些方法。这些方法是从大量应用案例中总结出来的,并提炼了诸多要素,包含辅助配套、设备、粉末、设计等相关方面。研究表明这些要素对打印成功率有很大的影响,也为进一步提高粉末床金属3D打印成功率提供了一定的技术支撑,指明一些可能的研究方向。

EIGA法制备激光3D打印用TC4合金粉末

采用电极感应熔炼气雾化法(EIGA)制备激光3D打印用TC4合金粉末,研究了雾化气压对粉末收得率、粒径、粉末形貌、松装密度、流动性及空心球率等特征的影响.结果表明:随着雾化气压的增加,粉末收得率、球形度增加,而粉末平均粒径减小.雾化气压为6.0MPa时,粉末收得率超过50%,平均粒径小于100μm,松装密度为2.950 g/cm^3,流动性为2.242 g/s,空心球率低于3%.雾化气压为7.0 MPa时,非球形缺陷粉末和空心球率增加.对比雾化气压为6.0 MPa制备的不同粒径粉末,以及激光3D打印后的拉伸曲线与断口形貌,发现50~100μm粉末打印TC4合金的抗拉强度达907.7 MPa,延伸率最大达15.3%,具有良好的强韧性.

气雾化压力对3D打印用316L不锈钢粉末性能的影响

采用真空熔炼气雾化工艺制备3D打印用316L不锈钢粉末,通过调整雾化参数,研究了不同雾化压力对粉末化学成分、粒度分布、球形度、表面形貌、流动性及松装密度等特性的影响。结果表明:在保温温度(1560±20)℃、保温时间20 min、漏包温度(1050±30)℃、高纯氮气雾化及雾化压力3.0 MPa工艺参数下,制备得到的粉末性能可达到氧含量(质量分数)0.08%、中位径31.39μm、球形度0.75、流动性21.56 g/(50 s)及松装密度3.88 g/cm^3,基本满足不同金属3D打印技术对粉末材料性能的要求。

激光3D打印TC4球形合金粉末的制备

采用真空旋转电极气雾化法（EIGA）制备激光3D打印用TC4钛合金球形粉末，利用SEM、XRD、EDS、激光粒度分析仪、霍尔流速计等分析方法对制得球形粉末的形成机制、表面微观组织、成分、相组成、粒度分布、流动性和松装密度等进行了研究，结果表明：在工艺参数为感应功率60kW，雾化气压6．0MPa条件下，EIGA法成功制备了激光3D打印用TC4钛合金球状粉末，粉末球形度达到98％以上，含氧量（质量分数）为0．09％；合金粉末中Ti、Al、V等元素分布均匀，粉末颗粒表面物相为密排六方α-Ti单相固溶体；制得的TC4粉末表面平整、光洁，粒度分布均匀，主要粒径在1—180μm之间，粉末流动性为24．1s／50g，松装密度为2．699g／cm^3，松装密度比为60．93％，符合激光3D打印用TC4钛合金粉末特征要求．