三维打印无人车间实验平台研发

开发了一套面向网络制造的三维打印无人车间实验平台。该车间包含三维打印机群、仓储系统、工业机器人、直线导轨等制造执行单元,其中打印机经过改造,具有热床托盘可互换的特点,配合机器人夹具,可实现自动上下料功能。这些单元通过以太网互联,在主控程序及设备状态表协调下有序工作,实现包括制造、搬运、仓储等功能。基于该平台提供的打印服务,用户只需在三维打印云平台网站上选择目标模型,设置简单的工艺参数,便可实现打印需求。

3D打印碳纤维复合材料力学性能计算与实验

针对三维打印(3D打印)连续碳纤维热塑性复合材料力学性能计算需求,结合3D打印熔融沉积成型工艺特点,考虑填充率和沉积线角度等工艺参数影响,对传统复合材料混合定律进行改进,提出一种基于改进混合定律计算预测3D打印连续碳纤维增强热塑性复合材料结构件拉伸强度和模量的新方法。研究表明,在不同填充率下,所提出的基于改进混合定律计算得到的拉伸强度与实验结果更加接近,平均预测误差为1.8%;而根据传统复合材料混合定律计算拉伸强度与实际测试结果相比,平均预测误差为11.6%;相较传统复合材料混合定律,所提改进混合定律计算方法平均预测误差减小9.8%。研究结果为3D打印连续碳纤维增强热塑性复合材料结构件力学性能的可调可控打印提供了一种可行的理论计算方法。

基于树莓派的三维打印上位机控制系统

在深入研究三维打印开源Marlin固件通信协议的基础上,开发了一种基于卡片式计算机树莓派的三维打印控制架构及软件系统。在树莓派端实现了串口自动连接、打印代码发送、实时数据采集以及人机交互4大功能模块,能够满足日常三维打印控制需求,从而可以树莓派取代PC,大幅降低三维打印机成本。

碳纤维-热塑性复合材料三维打印及其自监测

为改善热塑性材料三维打印结构件的力学性能,并对其所受应力应变状态进行实时自监测,提出一种连续碳纤维-热塑性复合材料(CFTC)并联臂三维打印技术,并基于碳纤维压阻效应开展打印结构自感知特性相关研究.以东丽T300B-3000-40B连续碳纤维丝和直径为1.75mm的聚乳酸(PLA)丝为例,通过实验确定最优打印工艺参数范围;制备CFTC试样并对其进行强度测试;针对结构件常见承载形式,研究CFTC试样在轴向拉伸和三点弯曲2种状态下的自感知特性.三维打印CFTC试样比纯PLA试样具有更高的强度,最大拉伸强度提高了540%以上;所打印的CFTC试样具有良好的自感知特性,拉应变灵敏度均值为3.148,弯曲应变灵敏度均值为1.31,线性相关系数大于0.94;研究结果为高强度自感知智能结构件的制造提供了一种新的技术方法.

三维打印与真空辅助融合的复合材料成型探索

针对纤维复合材料真空辅助成型工艺中模具制造周期较长的问题,提出一种三维打印与真空辅助融合的纤维复合材料成型技术。将数字化设计方法与三维打印技术应用于成型模具的设计制造,极大地缩短了模具的设计制造时间,特别是复杂模具的快速制造。通过流道与模具的一体化设计制造,简化传统真空辅助成型工艺中流道优化布置工序,无需额外配置真空阀及快速接头等部件,节约生产成本。以熔融沉积成型三维打印工艺为例,采用单向连续碳纤维与碳纤维布为增强材料、双组份环氧树脂胶为复合材料基体、聚乳酸为模具材料,对上述方法进行实验验证。结果表明,所提方法可实现复合材料成型模具的快速制造,有效缩短纤维复合材料产品的成型制造周期。

基于图神经网络的零件机加工特征识别方法

针对现有基于深度学习的方法存在的难以识别相交特征、无法精确确定加工特征面的问题,提出基于图神经网络的加工特征识别方法.通过压缩激励模块提取节点与邻接边的特征,构建节点级与邻接边级的双层注意力网络,分割每个节点对应的加工特征.该方法充分利用了零件模型的面特征与边特征,结合零件模型的拓扑结构,基于注意力机制对特征信息进行深度学习,可以有效地解决非面合并相交特征的识别问题.在多加工特征零件数据集上,将该方法与其他3种特征识别方法进行实验对比,在准确率、平均类准确率和交并比3项指标上均取得最优结果,识别准确率高于95%.

注射成型中聚合物剪切诱导结晶行为的三维模拟

在考虑剪切导致分子链取向并升高其平衡熔点的基础上,建立了基于Nakamura方程的剪切诱导结晶动力学模型。在WLF-Cross黏度模型中引入结晶对黏度系数的影响,构建了考虑结晶的注射成型过程模型。采用改进的有限体积法对聚合物剪切诱导结晶行为进行了三维数值模拟,模拟中耦合了流动场、熔体压力、温度、诱导时间与结晶度。结果表明,本方法可清晰模拟出注射成型过程中聚合物的三维"喷泉"流动行为以及3层"皮-芯"结晶结构,同时,诱导结晶时间指数与相对结晶度的模拟结果与理论及实验结果吻合。

碳纤维-金属复合电主轴关键部件优化设计

为了进一步提升电主轴的加工性能,以常见的A02型电主轴为分析对象,使用热膨胀系数小以及减振性能优异的碳纤维材料替换芯轴的不同部位,以此设计4种碳纤维-金属复合芯轴,探讨其对A02型电主轴的影响。通过有限元分析,对4种碳纤维-金属复合芯轴和常规钢芯轴的动态特性和热特性进行评估。结果表明:全碳纤维芯轴的性能最佳,而心部碳纤维芯轴可以在避免使用大量碳纤维材料的基础上实现与全碳纤维芯轴相近的效果;外侧碳纤维芯轴具有成熟的加工工艺,可以直接进行加工试验。列举了几种碳纤维-金属复合芯轴已有或具备可行性的加工方案,为碳纤维材料与电主轴结构更好地结合提供参考。

智能注射成形中工艺参数的多目标自学习优化

注射成形工艺参数是保障产品质量的关键因素。传统试错法严重依赖工艺人员的试模经验,随着注射成形工艺广泛应用于电子、航空航天等国家战略领域,产品的高端化对工艺参数智能化设置水平提出更高的要求。由于成形产品存在多方面的质量要求,且不同质量指标间可能相互制约,因此亟需一种工艺参数多目标智能优化方法,以获得不同优化目标间的帕累托最优。已有学者利用智能优化方法,如非支配排序遗传算法等,对多目标优化问题进行求解,但是此类方法需大量样本数据对质量-参数关系进行建模,存在试验次数多、且对不同材料及模具的适应性较差等问题。为解决上述问题,提出一种注射成形工艺参数多目标自学习优化方法,在优化过程中实时计算并更新各个工艺参数的梯度,并由不同质量指标的多梯度下降算法对多个目标函数进行优化,在优化过程中实现各工艺参数对产品质量影响程度的自主学习,省去了采集大量数据来建立多个质量模型的过程,实现了注射成形工艺参数的高效智能优化。在基准测试函数实验中,所提方法的优化结果与理论解的相对误差小于2%。同时数值仿真与注射成形实验结果表明,所提方法能高效获得多个优化目标的帕累托最优。

碳纤维基储能构件及3D打印个性化封装

该文围绕“新能源+储能”发展新模式,开展双电层碳纤维基储能构件设计制造及三维打印(3D打印)个性化封装研究。采用真空抽滤吸附碳纳米管工艺,制备了高比表面积碳纤维布电极;调配不同浓度聚合物电解质溶液,探索了电解质溶液浓度对碳纤维基储能构件充放电性能的影响;建立基于熔融沉积成型3D打印工艺的个性化封装设计制造方法,解决了双电层储能构件个性化封装成本高且周期长的问题。结果表明:引入碳纳米管可极大提高双电层储能构件的储能性能,电解质溶液浓度对储能构件峰值电压影响不大而对峰值电流具有显著影响,3D打印技术可助力储能构件快速实现个性化封装。研究成果可为新工科背景下的大学生工程训练教学改革与新技术应用提供借鉴与参考。

模块化异质多材料原位增材制造实验平台研制

针对复杂热塑性高分子材料及其复合材料构件制造和实验教学需求,结合分层叠加制造工艺,融合模块化设计思想,研制了模块化异质多材料原位可控增材制造实验平台,包括双喷头打印模块、变姿态成形平台、驱动模块及控制系统等;以连续碳纤维与连续玻璃纤维为增强材料,聚乳酸与聚氨酯为热塑性材料,进行了平台功能、性能测试与验证。结果表明,该平台可实现纯热塑性材料结构、连续纤维与热塑性材料混合结构的可控打印以及连续纤维多方向增强结构件制造,为异质多材料结构件快速制造提供了一种新工艺和新设备。

碳纤维复合材料原位增材制造设备与工艺

为了实现碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTC)高质高效原位增材制造,设计一种激光聚焦加热CFRTC原位增材制造平台,以单向连续碳纤维增强聚醚醚酮热塑性复合材料(T800 CF/PEEK UD)预浸带为原材料开展CFRTC成型工艺相关研究.制备环形样件进行剪切强度测试表征,通过扫描电子显微镜观察样件的截面形貌,确立激光聚焦加热CF/PEEK的可行工艺参数窗口与较优工艺参数.结果表明,CF/PEEK成型件强度受激光聚焦加热温度、成型速度影响较大,均表现出随激光聚焦加热温度与成型速度的增加,先增大后减小,当成型速度为30 mm/s和激光加热温度为450℃时,环形样件有较高的剪切强度,并且表现出较少的微观缺陷.

基于视觉Transformer时空自注意力的工人行为识别

针对人机协作特殊场景中工人行为识别的问题,提出基于Transformer网络的视频人体行为识别模型,利用Transformer网络核心的自注意力机制,减少网络的结构复杂度,提升网络的性能.模型在提取图像空间特征的基础上,增加时间特征的分析,从空间和时间2个维度实现对视频数据的处理.在处理后的数据中提取分类向量传入分类模块,得到最终的识别结果.为了验证模型的有效性,分别在公开数据集UCF101和实验室采集的工人常规行为(自建)数据集上进行人体行为识别实验.实验结果显示,在UCF101上模型平均识别准确率为93.44%,在自建数据集上模型平均识别准确率为98.54%.

面向电弧增材的单线激光扫描路径规划

为了在电弧增材制造(WAAM)过程中获取零件的形貌尺寸信息,以CAD模型作为输入,通过实验分析单线激光扫描仪的工作约束条件,实现基于单线激光的零件外形扫描路径生成算法,开展仿真与实验验证.通过多组实验获取合适的扫描距离和扫描角度作为路径规划约束,针对输入模型迭代使用最大连通区域求解算法、求解最小投影矩形、等重叠路径规划等多种方法生成单次扫描路径.对单条路径优化,使用最近点搜索和碰撞检测算法,串联生成机器人末端运动轨迹,借助仿真对轨迹进行修正.实验结果证明,该路径规划方法对电弧增材零件能够达到较好的测量精度、效率及覆盖率.测量结果可以为后续增减材复合制造过程提供丰富的轮廓信息.

机床主轴热设计研究综述

机床的热态性能已成为影响高速机床工作性能的最重要的因素之一。主轴是机床的关键功能部件,其热态特性在很大程度上决定了机床的切削速度和加工精度,是影响机床精度提升的最重要因素。因此,在主轴的设计阶段减少机床热误差的影响,对于提高机床的热态特性十分重要。在过去的近一个世纪时间中,国内外众多学者针对主轴热设计方法开展了研究探索,基于热设计的过程可以分成三部分内容:热态特性分析方法,热设计与优化方法和热态特性试验方法。先通过主轴热态特性(如温度场分布、热变形、热平衡时间等)建模与分析获取必要的参数,然后以此为基础开展主轴结构设计优化、材料设计优化和冷却系统设计等热设计措施,获得较佳的主轴热态特性,最后通过热态特性试验来校验分析和设计优化的结果,整个过程循环直至达到满意结果为止。本文以此为脉络展开,分别探讨了三部分内容的国内外典型研究现状、主要研究内容和所存在的优缺点,并对未来的研究趋势进行了展望。

增材制造可降解人工骨的研究进展——从外形定制到性能定制

频繁的创伤、肿瘤切除等引起的骨缺损导致人们对人工骨的需求大大增加,可降解人工骨越来越受到研究人员的重视.结合课题组在过去5年的研究,回顾骨修复材料的背景和发展现状,总结无机骨修复材料(生物活性陶瓷)和骨修复支架的制造方法,尤其是基于增材制造(3D打印)的方法.重点阐述3D打印可降解人工骨用于骨组织修复及再生在力学性能、成骨性能、降解性能和生物活性等几个方面的研究现状,并对可降解人工骨的未来发展方向作了展望.目前人工骨定制已经从简单的形状定制逐步过渡到骨性能定制,人工骨的个性化定制将是今后的研究重点.

塑料光学透镜的磁悬浮检测

考虑传统的塑料透镜检测方法操作繁琐、耗时长,本文提出了一种针对小型塑料光学透镜的磁悬浮检测理论与方法,并设计制造出了相关检测装置。该方法利用磁场对顺磁溶液的磁化作用,将逆磁性被测样品(塑料透镜)在溶液中悬浮起来,通过观察透镜在装置中的高度、中心位置和平衡状态下与水平面的偏斜程度,检测透镜是否存在外观不完整和内部存在气泡等不均匀性的缺陷,并确定出透镜缺陷存在的位置。通过合格透镜、外形不完整透镜、内部存在气泡透镜和功能不合格透镜开展了多项实验研究来验证该方法的可行性与有效性。结果显示,该方法的检测精度高、灵敏度高、操作简便且适应性广,在0.5mm的测量误差下,密度的测量精度高达0.003g/cm3;对直径小于10mm的透镜,可检测出总体积在0.017mm3的内部气泡缺陷。提出的方法在塑料光学透镜的检测方面很有应用潜力。

基于昆虫翅脉仿生流道的数控机床主轴系统冷却结构热设计

主轴系统的热误差是影响数控机床加工精度的主要因素。根据自然界昆虫的翅脉结构,设计了一种基于鳞翅目昆虫翅脉仿生流道的新型主轴系统冷却结构。建立了昆虫翅脉仿生流道冷却结构模型,在数值传热学相关理论基础上,通过Fluent有限元软件对传统螺旋形流道和新型昆虫翅脉仿生流道冷却结构进行流固耦合仿真对比分析,结果显示后者比前者具有更好的散热效果和流动特性:在相同边界条件下,冷却液最大流速约为1.839m/s,出入口压降为3 181Pa,加热面最高温度降低了约17.8%、最低温度降低了约4.6%,且冷却结构的温度场分布更均匀。研究结果可为数控机床主轴系统冷却结构的热设计提供参考。

流体辅助共注成型制品层厚的超声无损测量

针对已成型的多层聚合物制品中不同聚合物层厚度,提出基于超声波脉冲反射的测量方法.根据超声波在分界面的反射和透射规律,建立超声波在不同介质分界面的反射波声压幅值与声阻抗的关系.通过测量超声波在各层聚合物分界面的反射回波的声压幅值,计算各层聚合物的声阻抗,再除以该层聚合物的密度计算声速.将声速乘以测量得到的各界面反射回波的时间差,可以计算制品的各层壁厚.研究表明,与扫描电镜的测量方法相比,采用超声波方法测量得到的流体辅助共注成型制品各层壁厚有较好的精度,分层误差不大于4.5%,总厚度误差约为1.6%.

注射成形中聚合物熔体黏度的在线测量装置

设计并制造在线测量注射成形过程中聚合物熔体黏度变化的装置.在测量装置中,非等温高剪切流变模具的型腔结构设计成厚度为1 mm或2 mm的狭缝,底部不封口,维持熔体的持续流动;在流动中心线上沿流动方向布置一组压力传感器实时检测聚合物熔体在模具型腔中的压力变化情况,并使用模温机控制模具温度.使用PXIe采集系统采集、显示、记录实验数据.实验通过压力传感器测量得到不同位置熔体压力,根据修正的牛顿黏性定律计算熔体黏度,并与Cross-WLF模型的理论值进行对比.实验结果表明:所设计的模具安全可靠,可获得低密度聚乙烯(LDPE)熔体在注射成形过程中熔体压力的变化情况,从而可以计算出材料在成形过程中的表观黏度演化情况.实验测量结果与理论值在剪切速率大于500 s^-1的高剪切速度范围内较吻合,误差均在18%以内,最小为4%.该装置能满足真实成形条件下聚合物熔体信息的在线检测要求.