增材制造产业链创新发展

当前,以增材制造即3D打印为代表的新兴制造技术被视为诸多领域科技创新的“加速器”、支撑制造业创新发展的关键基础技术,推动制造业颠覆性变革。3D打印对打造创新链及提升制造业创新研发水平起着重要作用。

金属增材制造质量控制及复合制造技术研究现状

相比传统制造工艺,增材制造能够实现复杂结构金属部件的近净成形。然而,增材制造具有冷却速度快、热梯度大、非平衡凝固与往复热循环历史等特点,容易存在孔洞、残余拉应力、各向异性等缺陷,极大限制增材制造的进一步应用。复合增材制造技术是将传统制造方法与增材制造有机结合,充分发挥传统制造工艺在性能调控与尺寸精度等方面的优势,抑制单纯增材制造引起的各类缺陷,获得高质量、无缺陷的增材制造部件。本文首先揭示增材制造工艺缺陷的形成机理,明确工艺参数优化方法在缺陷改善方面的局限性,进而阐明复合增材制造的内涵,综述近年来增材制造与轧制、激光冲击强化、热等静压、热处理等复合制造技术的研究现状与工艺原理,探讨复合增材制造技术对不同缺陷的适用性,并对增材制造未来发展方向进行了展望。

铝合金电弧增材制造技术研究进展

增材制造技术是制造业信息化、数字化、智能化的重要组成内容,而电弧增材技术在铝合金成形中具有较好的应用优势。从金属增材制造技术分类、发展历程、标准规范、技术原理等方面,对比分析了不同增材制造技术的优势与局限。特别介绍了以冷金属过渡技术为代表的电弧增材技术,讨论了电弧增材技术的自身优势与局限性,及其应用于铝合金结构件一体化制造的优势。从成形工艺、气孔缺陷、强韧化技术等多方面综述了国内外铝合金电弧增材技术的研究发展,介绍了目前国内外在铝合金电弧增材制造方向的研究工作以及遇到的主要问题,重点分析了铝合金电弧增材制造样品强韧化方法与效果,介绍了国内外的相关优秀案例。最后总结了未来铝合金电弧增材制造技术需要着重解决的问题与方向,包括原材料质量问题、几何精度问题、气孔、热裂纹和残余应力问题、组织和力学性能问题。

2219铝合金CMT电弧增材熔滴过渡行为

在冷金属过渡(cold metal transfer,CMT)电弧增材制造过程中,熔池的流动行为极易受到电弧和熔滴的影响,从而严重影响堆积层的稳定性和成形件质量.该文利用高速摄影结果及电信号参数波形图,引入热输入量计算公式,从特征电信号、熔滴过渡特征量、热输入量等方面定量分析了CMT+P模式下送丝速度及脉冲修正系数对熔滴过渡过程及单道成形形貌的影响,同时分析了脉冲变极性冷金属过渡(Advanced CMT,CMT+PA)模式下送丝速度及控制面板上的EP/EN修正系数η对熔滴过渡过程及单道成形形貌的影响,为后续工艺优化提供参考和指导.

增材制造国家标准体系建设与发展规划

分析了国内外增材制造标准化现状,结合“十四五”规划提出了增材制造标准体系建设的指导思想,归纳出三个实施方向:技术维度、保障维度及应用领域维度,明确了中国推进增材制造业应强化标准研究和技术研发同步、国内标准和国际标准同步、标准实施与产业化同步,以先进适用的标准提升产业基础能力和产业链现代化水平,领航增材制造产业高质量发展。

增材制件内流道精整加工技术研究进展

金属增材制造技术在航空航天领域具有复杂内流道的构件成形上具有广阔的应用前景,然而具有复杂内流道的增材制件的精整加工是工业应用的瓶颈问题。分析了内流道机械抛光技术、化学与电化学抛光技术、电解质等离子抛光技术的加工原理、关键技术及国内外研究进展。针对增材制件内流道精整加工需求,分别研究了机械抛光技术、化学与电化学抛光技术、电解质等离子抛光技术的适应性问题及探索方向。针对增材制件内流道精整加工关键技术发展趋势提出了展望:①研究针对功能梯度材料、多金属材料的增材制件内流道精整加工技术;②研究针对具有复杂几何形状、内部复杂分叉、渐变毛细结构、拓扑结构等复杂内流道的复合精整加工技术或组合加工技术;③研究针对内流道精整加工质量的高精度检测方法和几何误差的三维重构技术。

我国增材制造技术与产业发展研究

增材制造作为新兴的制造技术,应用领域不断扩展,成为先进制造领域发展最快的技术方向之一;增材制造产业的发展为现代制造业的培育壮大以及传统制造业的转型升级提供了宝贵契机。本文在分析全球增材制造技术发展态势与产业发展动态的基础上,全面梳理了我国增材制造技术与产业的发展态势,剖析了我国增材制造产业面临的共性技术研究及基础器件能力不足、面向国际市场的专利布局滞后、产业规模与产业集群建设有待深化等问题。着眼增材制造产业前瞻布局,论证提出了生物医药与医疗器械增材制造、大型高性能复杂构件增材制造、空间增材制造、基于增材制造的结构创新与新材料发明等重点发展方向。研究建议:建立增材制造协同创新机制并支持企业开展应用创新,围绕重大装备需求开展增材制造工艺变革专项技术攻关,深化区域性增材制造产业集群建设。

医工结合精准制造向仿生功能重建疗效而努力:读3D打印可动人工颈椎的创新性思考

骨科内植物是医用增材制造技术在生物医药行业发展最快、应用最广、临床转化最多的一个领域。其中,3D打印脊柱内植物在骨科的应用已经从初期探索尝试步入逐渐成熟应用的阶段,并解决了多项临床难题。材料领域学者以及骨科医生目前已对3D打印人工椎体、椎间融合器等多个脊柱内植物进行了联合研究并且应用于临床,在相关疾病的治疗中显示出独特优势。然而目前3D打印骨科内植物仅能在形态和部分结构上模仿原有组织,如何从形态相似转变为功能相似则需要生物材料学和临床应用领域的专家和学者共同合作,进行更深入的研究。

铝合金增材制造的发展现状与展望

铝合金增材制造凭借着材料自身的轻量化优势以及增材制造工艺在材料利用率和复杂结构制造方面的特点,在航天领域结构件的制造方面受到了广泛关注。本文针对铝合金增材制造在航天领域的应用,通过电弧熔丝、激光选区熔化以及激光送粉三个代表性工艺分析铝合金增材制造技术的研究现状及现存问题,并简要阐述了目前铝合金增材制造技术在航天领域的应用现状和未来的发展方向。

基于焦耳热的滑压式增材制造方法温度场数值模拟与实验

提出了一种针对小型金属零部件的低成本、高精度的焦耳热金属熔丝增材制造技术。在此过程中,系统温度场和热历史对于实验分析具有重要意义。本研究主要利用有限元仿真软件建立三维焦耳热金属熔丝增材制造的热-电-结构耦合有限元模型,分析了制造过程中温度场变化规律以及丝材内部和基板的温度分布和等温面形状。结果表明:焦耳热在丝材与滚轮之间产生,丝材内部在0.1 s内升温至2700℃,滚轮移动后,最大温度位置随着滚轮的移动而移动,丝材内部温度梯度呈拱形,基板温度梯度呈半椭球形。模拟结果的截面熔核区域与实验截面熔核区域吻合较好。因此,所建立的有限元模型能够较准确地模拟焦耳热熔丝增材制造过程温度场,对实验机理的研究和后期的进一步加工有着重要指导意义。

3D打印产业链式创新分析与服务能力研究

快速成形技术经过30多年发展,在不同行业产品开发制造痛点市场驱动之下,从源头方法创新到商业化运营,再到各个行业应用推广,形成了产业链雏形。文中为进一步揭示该技术创新、应用进化过程,以链式创新为目标,通过分析3D打印创新发展的技术内核支撑逻辑,结合基础3D打印产业链进化动态,提出了3D打印产业链各阶段的不同目标,剖析行业创新应用关键。产业链上游为源于产品制造和市场需求的问题驱动的科学技术研究与关键技术突破,分析了基于光固化AM原理所研发的七种前沿技术以及空间打印技术,属技术源头创新;中游以不同工艺种类演化进展为主线,分析了其可加工材科从非金属高分子、陶瓷到金属材料的拓展过程,并给出了3D打印工艺下典型材料的质量精度和性能指标;下游从产业应用创新出发,分析了3D打印新产品设计开发流程,引入增材拓扑优化建模设计创新概念,以客户对产品的刚性指标开展设计研发,重视客户满意度因素:质量、周期、成本,从而实现工艺冻结,产品量产。文中最后基于3D打印产业链式创新,从筹划“备胎”保障产业运行安全、针对产业痛点,开展专业化合作协同等方面对促进我国3D打印产业发展给出了建议。

熔融石英陶瓷浆料流变性能与光固化成型精度研究

由于熔融石英的高透光性,陶瓷浆料光固化成型过程中存在严重的过固化现象。为了消除这种过固化现象,并提高成型精度与性能,需要制备出高吸光度、低黏度的熔融石英陶瓷浆料。通过对熔融石英粉末的改性以及分散剂BYK-9076的含量调控改善浆料黏度,并且添加了高强度、高紫外光吸收率以及能够抑制熔融石英高温结晶的B_(4)C颗粒,实现了熔融石英陶瓷浆料的综合优化。结果表明,添加4 wt.%分散剂的浆料黏度比未加分散剂的浆料降低了93%,并用其制备出了固含量57 vol.%的低黏度熔融石英陶瓷浆料。当B_(4)C含量为2.5 wt.%、曝光时间为5 s时,固化深度从1325μm降低至230μm,并且此时固化片在X、Y方向上拥有最优的精度,均为0.01 mm。

基于电脉冲的铁基非晶薄带增材制造试验研究

为了解决铁基非晶材料成形过程中狭窄的工艺窗口难题,提出了一种采用非晶薄带作为原材料,施加快速电脉冲同时辅以微压力的增材制造新方法,并成功实现了小功率非晶材料异形构件的增材制造,并通过动态电阻分析,进行工艺优化调控。采用脉冲电源精准调控热输入的方式实现非晶材料热塑性成形原理,即在临界温度略高于玻璃化转变温度(TG),但远低于熔化温度(TL),可采用快速加热材料到TG使其软化,并辅以小压力成形,同时提供足够高的冷却速率,晶相的成核可以被完全抑制。进一步,对该方法成形样件采用X射线衍射、差示扫描量热仪、扫描电镜和透射电镜进行物相及显微组织分析。测试结果表明,打印结合部位仍保持原有的非晶结构,并具有较高的拉伸强度。由于其成形功率低,工艺过程无需复杂的真空或惰性气体条件,该方法可以成为非晶材料增材制造及金属太空制造有吸引力的解决方案,尤其适用于电磁屏蔽等非晶异形构件的3D打印。

基于FDM的柔性材料3D打印工艺研究

采用传统FDM设备打印柔性丝材时,由于送丝力过大,易出现丝材弯折和回抽困难等问题,导致打印失败。在丝材FDM打印头上同时实现软硬材料的打印,有利于拓宽FDM 3D打印的应用领域。提出了一种仅通过改变弹簧尺寸来调节送丝力的简便有效方法,从而保证不同硬度材料的稳定打印。通过观察打印过程中送丝稳定性情况和成型制件的表面质量,得到适合材料打印的最佳弹簧弹性系数。研究结果表明:保证丝材稳定打印的送丝力随丝材硬度的增大而增大,适合TPE-83A、TPU-87A及TPU-95A三种柔性材料打印的合适的弹簧弹性系数分别为0.37 N/mm^0.48 N/mm、0.37 N/mm^0.70 N/mm、0.48 N/mm^1.32 N/mm;选择合适弹性系数的弹簧进行大尺寸样件打印时,打印稳定性良好,且制件表面质量佳,充分说明该方法的合理性。该研究结果对进行FDM送丝机构的结构设计具有借鉴意义。

冷金属过渡电弧增材制造多道搭接工艺研究

基于冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术,以2319铝合金为堆积材料,恒定送丝速度与不同焊接速度得到6组单层焊道,分别采用标准曲线对单层焊道截面轮廓进行拟合,结果表明抛物线和圆弧曲线的拟合效果均较好。在损失较小模型精度的情况下简化搭接模型,基于抛物线曲线建立单层多道斜顶搭接模型,理论推导最优搭接间距为0.715倍单道宽度。为了验证模型的正确性,采用不同搭接间距成形单层两道进行试验验证,并将其与传统的平顶搭接模型进行对比。试验结果表明斜顶模型更加符合CMT电弧增材制造工艺过程。当搭接间距确定后,研究表明当单层焊道成形高度降低时,搭接表面不平度随之减小,有利于后续多层多道堆积成形。基于优化后的搭接参数,成形多层多道样件,成形形貌良好,三个方向的拉伸力学性能表现出各向异性。

钙对成釉细胞系ALC细胞生物学特性的影响

目的观察钙对成釉细胞系ALC细胞增殖、凋亡及细胞周期等生物学特性的影响。方法培养ALC细胞系,在高糖DMEM培养基中配制0、2.0、2.5、3.0、3.5 mmol/L CaCl2溶液,利用倒置显微镜检测在两种培养时间(24、48 h)下ALC细胞形态是否改变。通过CCK-8法分析钙离子对ALC细胞增殖的作用,运用Hoechst染色观察钙离子对ALC细胞凋亡的影响;通过PI染色FCM法分析钙离子对ALC细胞生长周期的干预。利用Western blot检测钙离子对ALC细胞中周期蛋白Cyclin A、Cyclin B、Cyclin D表达的调节。结果0 mmol/L CaCl2组,ALC细胞形态呈卵圆或多边形,细胞间连接紧密呈铺路石样生长。其他不同浓度的钙干预24、48 h后,ALC细胞形态未见明显变化;CCK-8法结果显示钙干预24、48 h后,随着钙浓度增加,ALC细胞的存活率呈微弱降低趋势,但此趋势无统计学意义;Hoechst染色结果显示不同浓度的钙干预24、48 h后,ALC细胞的凋亡数目随时间延长可见增加,但不同钙离子浓度组间差异并不显著;PI染色FCM检测显示随着钙离子浓度的升高,ALC细胞的细胞周期中S期逐渐增加,G1期、G2期呈下降趋势;Western blot结果表明钙干预24、48 h后,ALC细胞中的周期蛋白Cyclin A、Cyclin B表达呈下降趋势,Cyclin D表达呈上升趋势。结论在本研究条件下,钙对ALC细胞增殖、凋亡未见明显影响,但改变了细胞周期。通过实验研究结果发现本实验中的钙离子浓度对成釉细胞无明显毒副作用,可用于进一步探讨钙对氟牙症治疗的可能机制及作用。

三维打印辅助TIPS治疗肝硬化食管胃底静脉曲张出血

目的探讨三维打印辅助经颈静脉肝内门体分流术(TIPS)治疗肝硬化食管胃底静脉曲张出血的临床价值。方法30例肝硬化伴食管胃底静脉曲张出血患者随机分为病例组(n=15)和对照组(n=15)。病例组患者术前接受肝脏CT薄层扫描和门静脉系统CT静脉造影(CTV),根据扫描数据按1∶1打印肝脏血管模型,进行体外模拟穿刺,并调整RUPS-100型经颈静脉肝内穿刺系统穿刺针角度,制定最佳穿刺路径后行TIPS;对照组患者术前接受肝脏CT薄层扫描和门静脉系统CTV检查,凭经验行TIPS。比较两组术中穿刺针数、时长、穿刺成功率和穿刺相关并发症发生率。结果两组穿刺成功率均为100%。病例组穿刺针数、时长、穿刺相关并发症发生率均低于对照组,差异均有统计学意义(P<0.05)。结论三维打印辅助TIPS可减少穿刺次数,缩短穿刺时间,降低穿刺相关并发症发生率。

激光金属沉积与冷金属过渡复合成形316L的组织与力学性能

为了实现冷金属过渡(CMT)成形高效和激光金属沉积(LMD)成形精细的优势互补,提出将CMT与LMD 2种工艺复合的方法,用于制造生产中结构复杂、精度要求高的零件,该文针对316L不锈钢材料,以CMT成形样块作为基底,在其不同表面上采用LMD成形复合试样,通过试验对比2种增材制造工艺及结合界面处的显微组织与力学性能。结果表明,LMD与CMT各自成形试样的枝晶组织均呈现明显的外延生长特性,且LMD组织一次枝晶间距明显小于CMT组织。2种增材工艺沉积方向平行/垂直时,结合界面处均形成了良好的冶金结合。复合成形界面处拉伸试样均断裂于CMT部分,说明结合界面处力学性能优于CMT成形部分。

激光选区熔化成形TC4的电解质等离子抛光工艺与性能

利用PEP200电解质等离子抛光(PEP)设备研究了工艺参数对激光选区熔化成形TC4表面处理效果的影响。设计溶液温度、抛光电压和浸入深度对表面质量及抛光效率影响的实验,并通过对复杂零件PEP验证最佳工艺参数选择的合理性,设置电解液浓度为4%(质量分数),抛光时间为15 min。通过粗糙度仪、光学显微镜(OM)、共聚焦显微镜和扫描电子显微镜(SEM)等对样件表面粗糙度(R_(a))、表面形貌、三维轮廓及元素成分进行测试。结果表明,使用PEP降低激光选区熔化成形TC4零件表面粗糙度的最佳工艺参数为:抛光电压为280 V,溶液温度为90℃,浸入深度为40 mm;材料去除率的最佳工艺参数为:抛光电压为280 V,溶液温度为80℃,浸入深度为20 mm。R_(a)最低可降至1.906μm,材料去除率最高可达5.98μm·min^(-1)。复杂TC4零件整体光泽度实测可达253 GU,R_(a)从9.534μm下降到1.987μm,下降率达79.16%。SEM图像显示,PEP处理后TC4零件表面由喷砂冲击所造成的大量撕裂纹完全去除。三维轮廓颜色变化更加均匀,峰差仅为37.47μm。表面杂质元素均已去除,且未检测到电解液成分元素的残留。通过优化PEP工艺参数,有效去除了零件表面缺陷,提升了TC4复杂零件的表面质量及抛光效率。

智能制造与3D打印推动“中国制造2025”

《中国制造2025》自发布以来,便引起了国内外的广泛关注。《中国制造2025》计划分为三个阶段:第一个10年争取迈入第二方阵,第二个10年成为第二方阵的前列,第三个10年则希望和美国并驾齐驱,引领全球的制造业。