基于选择性激光熔化NiTi形状记忆合金研发适用于Hybrid手术的脊柱变刚度复合内固定系统

目的基于选择性激光熔化3D打印Ni Ti形状记忆合金,研发弹性模量可调节的变刚度内固定棒,设计出适用于Hybrid手术的刚性-半刚性复合内固定系统。方法制备Ni Ti合金支架,使用扫描电镜观察其形貌,培养小鼠成骨细胞前体细胞,通过CCK-8试剂盒、Calcein/PI试剂盒和Actin-Tracker Red荧光染色检验选择性激光融化Ni Ti合金的生物相容性。利用腰椎有限元模型构建出适用于Hybrid手术的刚性-半刚性内固定棒模型,选择出对腰椎活动范围影响最小的最适弹性模量。制备最优刚性-半刚性复合内固定系统,通过ASTM F1717-21标准,验证其达到医学应用标准。结果利用选择性激光熔化3D打印技术成功制备出Ni Ti合金支架,通过扫描电子显微镜观察发现支架表面存在着未熔Ni Ti颗粒、裂纹等缺陷。利用CCK-8试剂盒、Calcein/PI试剂盒和Actin-Tracker Red荧光染色证明其生物相容性良好。有限元研究显示,6~50 GPa复合内固定系统的腰椎ROM保留效果最佳。ASTM F1717-21标准测试显示所制备的刚性-半刚性复合内固定系统符合应用标准。结论本研究证明了选择性激光熔化Ni Ti合金具有良好的生物相容性,并通过有限元分析选择出最优的刚性-半刚性复合内固定系统,根据ASTM F1717-21标准证明其达到了医学应用的标准。

核桃壳/酚醛树脂生物质复合材料选择性激光烧结工艺参数研究

黑龙江省作为农林业大省,盛产核桃,这种果壳来源丰富且产量高,同时也伴随着大量农业废弃物的产生。为改善这一现状,需要对废弃核桃壳进行合理资源利用。选取废弃核桃壳作为粉末基体材料,将碳含量丰富的酚醛树脂粉作为黏结剂,制备用于选择性激光烧结的核桃壳/酚醛树脂生物质复合材料,不仅可以扩大生物质复合材料粉体的种类,还可以通过该技术的三维性,定制复杂结构的多孔碳前驱体,在海水淡化、新能源方面作出贡献。建立四因素三水平的正交试验方案,通过方差分析法和综合加权评价法,探讨激光功率、扫描速度、扫描间距和分层厚度4因素对烧结件密度、弯曲强度和Z轴精度的影响规律,确定最优激光烧结工艺参数组合,使用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)对成型件烧结断面进行表征。试验结果表明,激光功率对烧结件密度、弯曲强度和Z轴精度的影响最大,扫描速度对烧结件密度和弯曲强度的影响最小,扫描间距对Z轴精度影响最小;最优工艺参数组合为激光功率10 W、扫描速度2 m/s、扫描间距0.1 mm、分层厚度0.12 mm。

基于CSO-LSSVM模型的选择性激光烧结成型工艺参数优化

成型收缩是影响选择性激光烧结技术(selective laser sintering,SLS)制件精度的关键因素,而工艺参数对材料烧结情况和收缩变形程度有着明显影响,因此选择合理的参数组合对减小精度误差和改善成型性能质量有着重要意义。为降低SLS成型件工艺参数优化试验成本,文章开发了一种名为CSO-LSSVM成型精度预测模型用于工艺参数的预测。该模型的设计思路是:首先,通过Sine映射、非线性切换因子和针孔成像反向学习等3种改进策略全方面协调增强了蛇优化器(snake optimizer,SO)的收敛精度和寻优速度,接着,将改进后的蛇优化器(chaotic multi-strategy enhanced snake optimizer,CSO)与最小二乘支持向量机(least square support vector machine,LSSVM)结合,整定关键核函数参数,提高模型预测精度和泛化能力。为验证CSO-LSSVM模型的有效性和优越性,利用Matlab软件在真实数据集基础上将其与LSSVM、BP(back propagation)神经网络以及极限学习机(extreme learning machine,ELM)模型进行对比。结果表明:文中所提方法具有更高的预测精度,其误差评价指标均方根误差、平均绝对百分比误差和平均绝对误差分别为0.5462、9.4877、0.4017。该模型可为SLS成型加工提供最优工艺参数,有效指导加工。

基于改进型预估FOPID的选择性激光烧结预热温度控制研究

针对选择性激光烧结(SLS)过程中预热温度控制的非线性不确定性和时延滞后等问题,本研究提出了一种改进预估分数阶比例-积分-微分(FOPID)控制器用于温度控制。该控制器首先整合了Smith预估器以消除纯时滞环节产生的震荡,提高被控系统的鲁棒性;然后提出了一种新颖的敏感参数自整定方法,即增强型混合阿奎拉优化器(EAOCBO)用于对预估FOPID控制器的模型参数进行最优设计。阿奎拉优化器(AO)是一种仿生智能算法,为克服其探索和开发阶段的不平衡以及易于陷入局部最优的缺陷,引入了白冠鸡优化算法中的领导者更新机制,自适应切换系数以及折射反向学习策略,在9个IEEE CEC2017测试函数中,EAOCBO的优化表现相较于其他对比算法有着显著增强。为了验证所提出的EAOCBO-Smith预估FOPID控制器的有效性,通过Matlab/Simulink软件仿真分析了单位阶跃信号下的动态响应特性并将其进一步应用于烧结样机开展成型效果试验。结果表明,所提的控制方法相较于其他先进的FOPID控制器有着更低的调节时间和稳态误差,这表明了其出色的响应速度和控制精度,同时,EAOCBO-Smith预估FOPID控制器在实际应用中也能精确地控制预热温度,改善温度场的均匀性,进而提高成型件的尺寸精度。

选择性激光熔化技术制备的Cu-10Sn合金的载流摩擦学性能

为提高Cu-10Sn合金接触线的力学及载流摩擦学性能,利用选择性激光熔化(SLM)技术制备Cu-10Sn合金,分析Cu-10Sn合金的组织结构及硬度等,研究不同载荷和电流对Cu-10Sn合金的载流摩擦学行为的影响;利用扫描电子显微镜对摩擦表面进行微观分析,揭示其磨损机制。试验结果表明:与载荷为10 N时相比,30 N时摩擦副的平均摩擦因数增大,接触电阻和电弧能量降低,磨损加剧;Cu-10Sn合金与GCr15球对摩,合金表面被氧化,铜元素被转移并粘附于对摩球上形成黏着磨损;与纯机械摩擦行为相比,载流条件下Cu-10Sn合金表面磨痕加深,黏着物、氧化物的数量明显增加,摩擦因数和磨损体积发生显著变化;小载荷小电流下磨痕表面出现电弧烧蚀现象;而电流为10 A时,磨损表面形成的氧化膜的润滑作用,减缓了材料的磨损。在无电流条件下磨损机制主要为疲劳磨损和黏着磨损;而在载流条件下,电化学氧化和黏着磨损显著增强。研究结论为SLM技术制备的铜锡合金应用于接触线等电传导接触材料提供参考。

选择性激光熔化AlSi10Mg微波组件表面质量的影响因素研究

微波组件内部结构复杂且壁薄腔多,对表面质量的要求较高。传统的加工方法影响了微波组件的加工效率和成品率,而选择性激光熔化制造出的金属零件具有均匀细密枝晶组织和优良的质量。本文设计了微波组件脊喇叭的结构,建立了脊喇叭SLM工艺流程,采用正交试验法研究激光功率、扫描速度和扫描间距这三个参数在选择性激光熔化过程中对AlSi10Mg脊喇叭表面质量的影响。试验结果表明,影响表面粗糙度的主要因素是扫描间距,激光功率和扫描速度为次要影响因素,最佳工艺参数组合为激光功率为350 W、扫描速度为1 200 mm/s和扫描间距为0.08 mm,从SLM工艺参数的角度为提高微波组件成形表面精度提供了依据。

选择性激光熔化打印等原子比NiCoCr中熵合金力学性能与温度的相关性

研究工艺参数对选择性激光融化制备的等原子比NiCoCr中熵合金致密度、显微组织和力学性能的影响,以及该合金的力学性能与温度的相关性。结果表明,显微组织和力学性能不与激光的体积能量密度呈线性相关,其主要是受扫描速度和激光功率影响。扫描速度为800 mm/s且激光功率为250W为最佳的工艺参数,但是在该工艺参数下的体积能量密度仅为57 J/mm^(3),低于最高能量密度68 J/mm^(3)。以最佳工艺制备的样品在77、200和293 K温度下测得的屈服强度分别为~819、~709和~618 MPa。通过计算揭示力学性能的温度相关性方程,并得到实验验证。

选择性激光烧结用聚合物复合材料的研究进展

选择性激光烧结(Selective laser sintering,SLS)技术是一种重要的增材制造(3D打印)技术,其成型原料主要为粉末状材料,聚合物材料是SLS技术中应用最早且最广泛的材料。随着人们对SLS成型产品各种性能要求的日益增多,用于SLS技术的聚合物材料由于种类少且性能单一,已经无法满足其成型需求。通过对聚合物材料进行复合改性制备复合材料,不仅可以提高SLS成型产品的性能,而且能够丰富SLS材料的种类,目前聚合物材料的复合改性研究已经成为SLS材料领域的热点和重点。本文介绍了SLS用聚合物材料复合改性的方法,阐述了各种方法的特点及国内外的研究现状,并对SLS用聚合物复合材料未来的研究方向进行了展望。

选择性激光烧结尼龙复合材料研究进展

增材制造技术是当前最受关注的快速制造技术,而选择性激光烧结技术是当前最为成熟的增材制造技术的一种,在机械制造、汽车、牙科、骨组织修复等领域有着广泛的应用,而材料在其中起着至关重要的作用。尼龙材料是选择性激光烧结领域的热门材料,但是其自身存在一些缺陷,为了弥补缺陷,国内外学者对其展开了相关研究。对尼龙基与金属、无机非金属、高分子材料的复合材料的国内外研究进行综述,对复合材料的优势和缺陷进行总结,这将有助于研究人员了解选择性激光烧结应用在尼龙复合材料领域的国内外现状。

选择性激光烧结中铺粉过程离散元模拟

铺粉过程是选择性面激光烧结中重要的工艺过程之一,为研究铺粉过程中不同工艺参数对粉末床铺粉质量的影响,研究并设计了一种辊子-刮板式的铺粉结构,以PES为烧结粉末材料,通过EDEM软件对铺粉过程进行离散元仿真。模拟分析了辊子-刮板的移动速度V和刮板端部倾斜角度α对粉末床铺粉质量的影响。结果表明:辊子-刮板的移动速度V越大,铺粉质量越差;刮板端部倾斜角度α对粉末床铺粉质量影响很小。

选择性激光熔化技术在机械制造中的应用

选择性激光熔化技术是一种快速成型技术,这项技术在20世纪80年代开始出现并发展。应用此项技术制作出的零部件具有较高的致密度、良好的加工精度及优秀的表面质量,同时具备优良的力学性能与化学稳定性。文章将对选择性激光熔化技术的原理进行分析,阐述当前国内外对这项技术的研究动态,探讨选择性激光熔化技术在机械制造中的应用策略,为相关工作提供有价值的参考。

选择性激光烧结聚醚砜树脂/碳纤维/炭黑复合材料的性能研究

采用选择性激光烧结(SLS)技术制备聚醚砜树脂/碳纤维/炭黑(PES/CF/CB)复合粉末烧结件,研究CB质量分数为2%,将CF质量分数从0增加到3%时,PES/CF/CB烧结件显微组织、力学性能、导电性能及表面质量的变化。结果表明,当加入CF质量分数为1.5%时,对PES/CF/CB复合粉末烧结件的力学性能具有一定的增强作用;CF的添加能够起到增强烧结件导电性能的作用,烧结件的电导率从5×10-3 S/m提高至15×10-3 S/m;随着CF质量分数的增加,烧结件表面质量呈现变差的趋势。

选择性激光熔化致密度预测模型及工艺参数优化

针对选择性激光熔化(SLM)成形件质量低和工艺参数难以控制的问题,选取激光功率、扫描速度、铺粉层厚、扫描间距为优化变量,成形件的致密度为优化目标,设计正交实验获取训练样本,应用BP神经网络建立了针对316l不锈钢材料的致密度预测模型,然后通过遗传算法对网络模型进行优化和工艺参数寻优。结果表明:优化后的致密度模型预测相对误差在0.73%左右,预测能力较好且波动较小,并基于模型寻优到激光功率197.28W,扫描速度623.85mm/s,铺粉层厚0.1379mm,扫描间距0.1139mm的最佳工艺方案。模型能准确地反映出工艺参数与致密度之间的映射关系,为SLM成形参数优化提供了新的思路。

YAG:Ce玻璃陶瓷选择性激光烧结制备及其发光性能

荧光玻璃陶瓷结合了荧光粉优异的发光性能和玻璃基质良好的热导率及热稳定性的特点,已在高功率白光LED乃至激光照明领域引起了广泛的关注。本文采用一种选择性激光(CO_(2)激光器)烧结技术,制备了YAG∶Ce荧光玻璃陶瓷,并研究了其荧光发光性能以及构筑的白光LED的器件性能。与传统的重熔融或固相烧结方法不同,选择性激光烧结技术仅对局部加热且升/降温速率大,因此该方法具有节能和快速的特点。研究表明,选用适当的激光功率(24 W)、扫描速度(135 mm/s)和扫描间隔(9μm)等参数,可制备出形貌较好的YAG∶Ce荧光玻璃陶瓷;经过630℃热处理1 h消除应力后,其呈现出Ce^(3+)离子典型的4f→5d能级跃迁对应的宽带激发光谱(峰值为340 nm和455 nm)以及5d→4f能级跃迁对应的宽带发射光谱(峰值为570 nm),量子效率达82%;与450 nm蓝光LED芯片(3.11 V,0.30 A)组合后,可实现92 lm的白光输出,流明效率为98 lm/W,显色指数为69,色温为5 001 K,色坐标为(0.34,0.35)。以上结果表明,该方法在制备荧光玻璃陶瓷中具有重要的应用潜力。

选择性激光熔化316L的熔池热力学行为及其局域力学性能

通过有限元方法对介观尺度下SLM过程中316L熔池匙孔演变及热力学行为和由此产生的表面形貌进行了分析,并结合试验进行了验证。发现匙孔熔池的自由表面被蒸发金属的高温气体所覆盖,导致反冲压力的产生并伴随自由表面的变形。在成形过程的初始阶段,熔池边缘金属向内的对流阻止了熔池的扩展,而随后形成的向外对流促进了熔体流动,保证了凝固后相邻熔池的搭接。金属汽化产生向表面的后坐压力,在熔池内引起湍流飞溅,这些飞溅被移到激光路径外侧并凝固成粘结的驼峰结构,无法在下一层成形时熔化。随着层数的增加,熔池自由表面出现凹型轮廓和材料粘结。采用纳米压痕实验对成形后熔池的3个位置进行了局域弹塑性力学性能研究,发现熔池的搭接区域压痕硬度和弹性模量最高,分别为4.08 GPa和211.45 GPa。

热处理对选择性激光熔融制备模锻铝合金的显微组织调控研究

通过OM、显微硬度计、SEM及TEM对选择性激光熔融制备的7A09铝合金经过固溶与双级时效处理后的显微组织、硬度及相变进行了探究。结果表明,未经处理的7A09合金显微组织展现出显著的通道间非均匀性,而经过固溶与双级时效处理后,该合金表现出均匀且细小的显微组织,通道结构消失。在该处理下合金的硬度相较于原始状态合金(82 HV)有所提高,平均达到约160 HV。晶界处的沉淀S相(Al2CuMg)及θ相(Al2Cu)为合金的强化相,提供了弥散强化和沉淀强化的效应。

基于选择性激光熔化技术的骨缺损修复用梯度多孔钛支架的研制与表征

为提高骨缺损修复的治疗效果,设计孔隙率为78.8%、70.8%、62.6%和54.4%的梯度多孔钛支架(分别表示为P1,P2,P3和P4),并通过选择性激光熔化技术进行制备。通过模拟和实验方法研究支架的成形性、显微组织、力学性能和渗透性能。模拟结果表明,4种梯度结构的最大等效应力和渗透性分别在569.1~1469.0MPa和(21.7~54.6)×10^(−9)m^(2)范围内,并且P3和P4具有更小的最大等效应力,表明P3和P4具有更高的强度。P3和P4结构支架的显微组织为α'马氏体,屈服强度和弹性模量分别为185.3~250.8MPa和6.1~9.7GPa。相比于P3结构支架,P4结构支架展现出更高的强度和与皮质骨更加匹配的弹性模量,并且其渗透性(18.6×10^(−9)m^(2))在人体骨组织渗透性范围内。因此,具有P4结构支架有望被应用于骨科植入领域。

PA2200粉末选择性激光烧结工艺参数优化

采用选择性激光烧结(SLS)技术对PA2200粉末材料进行烧结试验,研究激光功率、扫描间距和扫描速率对成形件的尺寸精度和弹性模量的影响,通过全面试验设计法进行工艺参数优化。结果表明,最优工艺参数组合为激光功率40 W、扫描速率3000 mm/s、扫描间距0.4 mm,此时成形件的X向尺寸相对偏差为-0.5%、Y向尺寸相对偏差为-0.5%、Z向尺寸相对偏差为1.2%、弹性模量为1589.61 MPa。利用显微镜对成形件表面进行观察,发现PA2200粉末熔化均匀,颗粒之间黏接效果较好,孔隙较小,致密度高,验证了该组工艺参数的有效性。

选择性激光烧结用尼龙1212粉末的制备

为得到适用于选择性激光烧结的原材料,降低选择性激光烧结用尼龙1212生产成本,用溶剂沉淀法制备了尼龙1212粉末,讨论了溶剂种类、溶解温度、成核温度等因素对尼龙1212粉末粒度和形貌的影响。通过显微镜、扫描电子显微镜、粒度分析、差示扫描量热法等对制备的尼龙1212进行了表征,结果表明采用溶剂沉淀法可有效地制备出分散良好且粒径在20~80μm范围内的尼龙1212球形粉末,其最佳制备工艺条件为:乙醇作溶剂、溶解温度为160℃,将成核温度控制在130℃。对自制尼龙1212和市售选择性激光烧结用尼龙1212进行了松装密度、熔体流动速率、拉伸及弯曲等性能表征,发现两者的粉末性能和制件性能接近,其中自制尼龙1212的弯曲强度和弯曲弹性模量略高于市售尼龙1212,已达到了选择性激光烧结对原材料的要求,能烧结出光滑制件,其尺寸精度可达到±0.1 mm。

间接选择性激光烧结与选择性激光熔化对比研究

采用选择性激光烧结(Selective laser sintering,SLS)和选择性激光熔化(Selective laser melting,SLM)工艺,分别进行了铁基合金粉末的快速成形试验,对比分析了SLS与SLM成形机理、相应的工艺参数以及它们对测试件成形过程、金相组织与力学性能的影响。结果表明:由于成形机理不同,相对于SLS技术,采用SLM能够制造高致密度、组织均匀、力学性能良好的金属零件,但容易出现翘曲变形、裂纹与球化现象。通过制定合适的材料与工艺参数能够避免上述缺陷。