增材制造数字化模型平面与非平面切片及路径规划研究进展

增材制造技术基于“离散-堆积”原理,通过对三维数字化模型进行数据预处理、切片与路径规划,并生成增材系统可识别的执行代码,驱动增材设备实现零件的快速制造,近年来,该技术在航空航天、汽车、船舶、医疗、建筑等行业得到了广泛应用。切片与路径规划是增材制造三维数字化模型数据处理的核心步骤,决定着制造过程的工艺变量、零件形状精度和性能。首先综述了目前增材制造中基于CAD模型、点云模型、STL模型、体素模型等多种数字化模型切片方法研究进展,并从各模型生成精度、切片算法原理、算法效率等方面展开了评述;其次,对平面与非平面的等厚度、变厚度、变方向及分区组合等多种切片算法,以及平面单区域、多区域、局部特征及非平面等多种路径规划算法进行了综述,初步分析和梳理了切片及路径规划算法的设计要点;最后,总结了目前增材制造数字化模型平面与非平面切片及路径规划的研究现状,并对其发展趋势进行了展望。

变位磁场作用电弧增材中电弧和熔池传热与流动数值模拟

为了揭示具有纵向和横向分量的外加变位磁场对TIG电弧增材成形过程中电弧和熔池传热与流动的影响机理,基于流体动力学软件Fluent,建立了电弧与熔池耦合的三维瞬态模型。对比分析了不同角度的变位磁场对电弧形貌、电磁力、热流密度、熔池形貌及熔池速度场的影响规律与机理。结果表明:无外加磁场时,电弧与熔池对称分布,施加变位磁场时,电弧和熔池中产生周向旋转和偏向一侧的电磁力,使电弧与熔池发生旋转与偏移,熔池除了具有由内向外的流动,还具有围绕中心旋转和偏向一侧的流动;增大变位磁场的变位角度使横向磁场分量减小,纵向磁场分量增加,从而使偏向一侧的电磁力减小,周向旋转电磁力增大,进而使电弧偏转与熔池偏移减弱,熔池旋转流动趋势增强。研究结论可为后续磁控电弧增材制造传热、传质的机理分析及工艺参数的选择提供理论依据和参考。

BaFe_(12)O_(19)/PLA复合材料的制备及性能研究

以钡铁氧体(BaFe_(12)O_(19))为微波吸收剂、聚乳酸(PLA)为基体,经过球磨、单螺杆熔融挤出制备BaFe_(12)O_(19)/PLA复合线材,利用熔融沉积成型(FDM)制备出BaFe_(12)O_(19)/PLA复合材料.分别利用XRD、SEM和矢量网络分析仪对所制备的不同比例的BaFe_(12)O_(19)/PLA复合材料进行物相研究、微观形貌分析和电磁性能表征.拉伸测试结果表明:随着BaFe_(12)O_(19)含量的提升,BaFe_(12)O_(19)/PLA复合材料的力学性能持续下降,当BaFe_(12)O_(19)含量在20%时,拉伸强度和断裂延伸率较纯PLA分别下降了15.69%、36.83%;当BaFe_(12)O_(19)含量在30%时,拉伸强度和断裂延伸率出现了较大幅度的下降,分别为41.28%、66.23%.计算不同BaFe_(12)O_(19)含量和厚度的反射损耗,研究BaFe_(12)O_(19)的含量和厚度对复合材料吸波性能的影响.发现随着BaFe_(12)O_(19)含量的提升,复合材料的吸波性能没有随之持续增强,当BaFe_(12)O_(19)含量在20%时,厚度为7.5 mm,最小反射损耗在17.20 GHz处达-43.22 dB,低于-10 dB的最大有效带宽出现在厚度为8.5 mm时,为3.60 GHz(14.40~18.00 GHz).

三层石墨烯吸波体熔融沉积成形及层间材料分布对吸波性能的影响

利用熔融沉积成形技术快速制备了石墨烯/聚乳酸和石墨烯/四氧化三铁/聚乳酸两类复合吸波材料和三层石墨烯吸波体,测试了复合材料的电磁参数,计算了反射率;利用CST仿真与实验研究了吸波剂层间分布及孔洞结构对三层石墨烯吸波体吸波性能的影响。结果表明:对复合材料而言,双组元吸波剂的吸波性能更佳,但难以与石墨烯单组元吸波剂形成良好的阻抗匹配;对三层石墨烯吸波体而言,石墨烯呈均匀梯度分布(石墨烯加入量分别为5%、7%、9%(均为质量分数,下同)),可获得最佳的吸波效果;周期性孔洞结构的存在,一方面增加了反射界面数量,产生更多的边缘散射效应与多重共振耦合,另一方面通过改善阻抗匹配使石墨烯呈非均匀梯度分布(石墨烯加入量分别为7%、7%、9%)时实现Ku波段(12~18 GHz)全覆盖有效吸收(反射率小于-10 dB),为微波频段高效吸收提供了参考。

球形石墨碎片选择性激光烧结成形工艺实验研究

本文首次将选择性激光烧结(SLS)技术应用于球形石墨碎片成形,研究了四种工艺参数对石墨原型件尺寸精度和抗弯强度的影响,揭示了其内在机理。通过正交实验获得合理的工艺参数组合,快速制造出石墨原型件。

不同增强粒子对PLA/TPU复合线材力学性能的影响

聚乳酸(PLA)因具有优异的生物相容性而备受关注,但其制品脆性大、韧性不佳,应用范围受限.本文分别以还原氧化石墨烯(rGO)、纳米SiO_(2)和rGO-SiO_(2)作为增强粒子制备了rGO/TPU/PLA、SiO_(2)/TPU/PLA、rGO-SiO_(2)/TPU/PLA等3种复合线材,研究FDM成型件力学性能变化规律,探究不同粒子的增强增韧机理.研究结果表明:当rGO的加入质量分数控制在3%以下时,拉伸强度会有所增加,当超过3%时,因石墨烯局部团聚导致其韧性明显下降;纳米SiO_(2)的加入改善了PLA与TPU界面结合性,使得韧性大幅度增加,而拉伸强度略有增加;与单一增强粒子相比,SiO_(2)和rGO结合在一起改善了其在基体中的分散效果,rGO-SiO_(2)杂化粒子的增强增韧效果更佳,FDM成型件的抗拉强度、韧性均得到了明显提升.

低速重载球面摩擦副石墨镶嵌润滑结构设计及比较

人字闸门底枢作为半球面摩擦副,在水下长时间以低速、重载工况运行,易因磨损导致故障。传统的油脂润滑容易造成环境污染,而固体镶嵌润滑是更为适宜的润滑方式。为了研究不同材料和轴瓦镶嵌结构对底枢摩擦副摩擦学性能的影响,通过试验得到石墨填充润滑材料的力学性能以及不同条件下的摩擦因数;以三峡大坝人字闸门底枢为研究对象,从工程实际与理论分析角度设计了相同孔径和渐变孔径2种不同轴瓦镶嵌结构,利用有限元软件分析了球面静态接触和旋转运行状态下的接触应力,对比了光滑轴瓦、相同孔轴瓦和渐变孔轴瓦的理论摩擦因数。结果表明:从应力角度,相同镶嵌结构下石墨润滑优于高分子赛龙材料润滑;在相同填充面积条件下,3种结构中最大等效应力从大到小依次为渐变孔结构、相同孔结构和光滑结构,而从润滑以及理论摩擦因数角度看,渐变孔结构性能最好,然后依次为相同孔结构和光滑结构;相比镶嵌孔路径,无镶嵌孔路径上的轴瓦等效应力较小。因此,在实际应用中,应确保力学偏置方向与轴瓦的无镶嵌孔区域相符,以减小应力集中并提高润滑性能。

类方形蜂窝夹层结构的声振特性研究

基于Reddy高阶剪切变形理论和双三角函数法,建立了类方形蜂窝夹层结构振动固有频率理论模型和隔声特性理论模型,运用Workbench和声学软件Virtual Lab分别对此夹层结构进行振动模态分析和声振耦合分析。结果表明,影响类方形蜂窝夹层结构隔声量的3个主要因素按所占权重由大到小依次为夹芯壁厚、面板厚度、夹芯高度。与传统六边形蜂窝夹层结构相比,类方形蜂窝夹层结构隔声性能更好。

微乳液法制备石墨烯—羰基铁粉复合微球及其吸波性能

以开发轻量、高效、宽频的吸波材料为研究目的,本工作利用微乳液法制备石墨烯-羰基铁粉复合吸波微球,采用XRD、拉曼光谱(Raman)、SEM和矢量网络分析仪(VNA)对复合材料的物相结构、微观形貌和电磁性能进行表征分析,重点研究了石墨烯(rGO)含量对材料吸波性能的影响。结果表明,测试样品厚度为2.00 mm、rGO含量为6.7%(质量分数,全文同)时复合材料的吸波性能最强,其最小反射损耗达到-30.42 dB,有效吸收带宽为5.04 GHz(11.28~16.32 GHz)。rGO的添加有利于形成珊瑚孔洞结构,增加了电磁波的入射路径,同时孔洞的存在有利于增强介质之间的极化现象。rGO和羰基铁粉(CIP)的均匀分散构成了多吸波机理的协同效应。

石墨烯增强FeSiAl-MoS_(2)/PLA复合材料吸波性能

多元材料复合是制备轻质、宽频和强吸收吸波材料的有效方法。以聚乳酸(PLA)为基体,FeSiAl、MoS_(2)和石墨烯(GN)为填料,通过球磨和熔融挤出两步法制备了可用于熔融沉积成形(FDM)的FeSiAl-MoS_(2)-GN/PLA复合材料。采用XRD、拉曼光谱、SEM和矢量网络分析仪分别对复合材料的物相结构、微观形貌和电磁特性进行了表征,并研究了石墨烯含量对复合材料吸波性能的影响。研究表明:石墨烯、FeSiAl和MoS_(2)随机分散在PLA基体中,形成了复杂的导电网络;多元材料复合构筑了丰富的介电/磁异质界面,有利于促进界面极化;当石墨烯含量增加时,复合材料的吸波性能随之增强,当石墨烯含量为5wt%时,复合材料的吸波性能最佳,在厚度为1.7 mm时最小反射损耗为-27.90 dB,在厚度为1.9 mm时有效吸收带宽为4.96 GHz(12.64~17.60 GHz)。其优异的吸波性能归因于良好的阻抗匹配及介电损耗和磁损耗之间的协同作用。

类金刚石网络结构石墨/环氧树脂导电复合材料的制备及性能研究

传统成型工艺制备的导电复合材料内部导电通路分布不可控,且难以实现复合材料的电学与力学性能的匹配。利用选择性激光烧结技术快速制备了类金刚石结构石墨骨架素坯,并经过二次固化、真空压力浸渍酚醛树脂溶液以及高温碳化等后处理工艺改善石墨骨架电学以及力学性能,并将环氧树脂与之“复合”,制备了石墨/环氧树脂复合导电材料。通过正交试验,研究了石墨骨架结构特征参数对导电复合材料的电导率和抗弯强度的影响。研究结果表明:键半径R为决定复合材料电导率的主要因素,但对于其抗弯强度为较次要因素;键长L对复合材料的电导率和抗弯强度皆为较主要因素;当键长为6 mm、键半径为1.4 mm、键角为120°时,可获得力学性能和导电性能相协同的新型导电复合材料。

球形石墨粉末选择性激光烧结成形工艺研究

研究了不同的球形石墨粉末与人造石墨体积比、包覆预处理次数以及激光能量密度对选择性激光烧结(SLS)石墨件成形精度和抗弯强度的影响,揭示了其内在机理,并通过正交试验进一步确定最优工艺参数组合,获得细小特征尺寸的多孔石墨骨架。结果显示,在石墨粉末与黏结剂组成确定的前提下,提高人造石墨粉末与球形石墨体积比有助于提升混合粉末堆积密度、导热系数以及SLS石墨件抗弯强度,但对其成形精度不利。通过对石墨粉末进行包覆预处理,提高了粉末间有效黏结力,在降低混合粉末导热系数、提高堆积密度的同时保证了SLS石墨件抗弯强度和成形精度,最终选择合理的工艺参数组合成功打印出结构完整、最小特征尺寸为?1.0 mm的类金刚石多孔石墨骨架,其素坯X、Y轴方向尺寸相对误差控制在2%以内,Z轴方向尺寸相对误差为8.25%,抗弯强度达到2.84 MPa。

ZnO-石墨烯-TPU/PLA复合材料的制备及吸波性能

开发轻质、高效的吸波复合材料是解决电磁污染问题的重要途径之一。本文采用两步法制备ZnO-石墨烯-热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)/聚乳酸(PLA)吸波复合材料,通过XRD、拉曼光谱、SEM和矢量网络分析仪分别对复合材料的物相结构、微观形貌和电磁特性进行表征,并研究不同ZnO/石墨烯吸波剂组合对复合材料吸波性能的影响,揭示ZnO和石墨烯协同吸波机制。研究结果表明:随着ZnO含量的增加,吸波效果先增强后减弱。适量的ZnO分散在基体中,使复合材料的缺陷程度增加,这丰富了异质界面,增强了界面极化和偶极极化,进而改善了复合材料的吸波性能。当ZnO添加量仅为2wt%时吸波效果最佳,在5.6 mm厚度下,其最小反射损耗为-49.2 dB,有效吸收带宽为2.0 GHz。优异的吸波效果源于良好的阻抗匹配和界面极化损耗、偶极极化损耗、电导损耗之间的协同作用。此外相比化学法制备的吸波材料,ZnO-石墨烯-TPU/PLA复合材料的制备过程简单环保,吸波剂组分可调,轻质高效可规模化生产,有望用于复杂吸波结构制造。

人造石墨粉末微热压增材成形工艺

人造石墨粉末自粘结能力弱、成形工艺性不佳,难以器件化,开发利用价值不高。以人造石墨粉末为主要原材料,利用微热压增材成形技术快速制备了高密度石墨件,研究了不同混合粉末组成对试样层间结合状态影响,确定最佳材料配方组成,揭示层间结合机理。结果表明:添加适量的天然鳞片石墨粉末和对人造石墨粉末进行包覆预处理均有助于改善成形工艺性,单元层的层间结合力与粉层间的机械咬合力和粘结剂的渗流范围呈正相关。当人造石墨粉末(包覆1次)和天然鳞片粉末质量比为50∶35,热固性酚醛树脂粉末加入量为19 mass%时,最大成形密度可达到1.80 g/cm^(3),高温炭化后试样抗弯强度达到4.7 MPa,表明层间结合性较好。

组合型类蜂窝夹芯结构设计及面内力学性能研究

为提高蜂窝夹芯结构共面方向的承载性能,从仿生序构角度,提出一种组合型类蜂窝夹芯结构,并对其面内力学性能进行研究。首先,从深海鱼的骨骼结构中仿生设计出一种功能基元,并将该基元4个一组在空间组合成一个基本单元,再将此单元在水平和垂直方向上阵列得到一种四边形里嵌套八边形的组合型类蜂窝夹芯结构;然后,根据胞元理论将该结构进行简化,采用经典梁弯曲理论与胡克定律推导出其面内等效力学参数公式;采用压缩实验和数值模拟进行力学参数的对比验证,得到该结构面内等效弹性模量的实验值、仿真值与理论值之间的误差分别为13.68%和10.60%,验证了组合型类蜂窝夹芯结构面内等效力学参数的准确性。在相同等效密度下,将所设计的组合型类蜂窝夹芯结构和该课题组以前提出的“超轻多孔”类蜂窝夹芯结构进行等效力学性能对比实验,结果表明:所设计的组合型类蜂窝夹芯结构的面内等效弹性模量是类蜂窝夹芯结构的20倍左右,其刚度有显著提升,该研究成果为新型蜂窝结构创新设计提供了思路。

选择性激光烧结成型多孔石墨预制体

三维互穿网络结构复合材料因具有组成相的优异性能而备受关注,而多孔预制体是获得高性能互穿网络结构复合材料的关键.本文尝试利用选择性激光烧结技术快速制备多孔石墨预制体,重点研究了热固性酚醛树脂加入量、碳化升温速率等对石墨预制体的抗弯强度、导热性能以及孔洞连通性的影响,通过自浸渗工艺实现石蜡与多孔石墨预制体复合,为新型石蜡/石墨复合相变储热材料制备提供了新工艺.研究结果表明:通过增加热固性酚醛树脂加入量有助于提高石墨预制体的导热性能和抗弯强度,但对孔洞的连通性会产生不利影响;较高的碳化升温速率有利于保证多孔石墨预制体的孔洞连通性,但降低了导热性能和抗弯强度.新型石蜡/石墨复合相变储热材料的抗弯强度、导热系数分别达到4.25 MPa、1.34 W/(m·K),石蜡质量占比达到37%.

不同固体润滑下人字闸门底枢摩擦特性的销盘试验研究

人字闸门底枢长期在水下的低速重载下运行,易出现由磨损导致的故障,为此,三峡五级船闸的闸门已采用油脂和固体润滑剂混合润滑方式以减少摩擦磨损.为了研究石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯固体粉末对底枢摩擦副材料(45钢和锡青铜)摩擦学性能的影响,以三峡人字闸门底枢为研究对象,依据计算结果设计销/盘配对副面结构,在MMW-1A立式万能摩擦磨损试验机上开展磨损试验研究,并结合表面三维形貌测试和铁谱测试对摩擦磨损结果进行分析,结果表明:在试验条件下,聚四氟乙烯的摩擦系数最小,石墨次之,二硫化钼的摩擦系数最大;磨损量从小到大依次为石墨、聚四氟乙烯和二硫化钼;石墨润滑条件下磨损形式仅为单一的黏着磨损,二硫化钼和聚四氟乙烯润滑条件下磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损,且石墨润滑产生的磨粒粒径要小于二硫化钼和聚四氟乙烯润滑产生的磨粒粒径,综上认为石墨是三者中性质较优的固体润滑剂.在此基础上开展了石墨润滑下的13 h连续磨损试验,得到其摩擦系数和磨损量的变化规律,为人字闸门底枢摩擦副的固体润滑设计提供理论依据.

弧形类蜂窝芯层面外等效力学性能研究

为提高蜂窝结构面外承载能力,从创新设计角度,提出一种弧形类蜂窝夹芯结构,并对其面外力学性能进行研究。首先,采用胞元理论对弧形类蜂窝夹芯结构进行简化,运用材料力学的知识并结合能量法,推导其面外等效模量解析表达式。然后,将弧形类蜂窝芯层结构与传统蜂窝芯层结构进行对比,在相同等效密度下,通过具体数据验算,发现弧形类蜂窝芯层的面外剪切模量有显著地提高。同时,推导出双壁厚弧形类蜂窝面外等效模量表达式。最后,运用数值模拟分析,得到该结构的仿真值,经过理论值与仿真值对比,发现两者相对误差在10%之内,证明推导出的面外等效模量理论公式的准确性。

Hf含量对Ti_(49-X)Ni_(44)Cu_(6)Y_(1)Hf_(X)形状记忆合金的组织与超弹性的影响

Ti-Ni-Cu基形状记忆合金具有相变滞后小、可回复应变大、热稳定性好等优良性能。本工作采用非自耗真空电弧熔炼制备了Ti_(49-X)Ni_(44)Cu_(6)Y_(1)Hf_(X)(X=0,2,6,10)形状记忆合金,并研究了Hf含量对其组织、相变行为与超弹性等的影响。结果表明,合金在室温下的主要组织为B2奥氏体与少量化合物相,加载与卸载过程中发生了B2B19′马氏体相变。随Hf含量增加,Ti_(49-X)Ni_(44)Cu_(6)Y_(1)Hf_(X)合金的马氏体相变温度降低,合金的压缩强度和断裂应变均有所降低,应力诱发马氏体的临界应力增加。在压缩应变为3%~11%的应力递增压缩循环过程中,合金出现加工硬化现象,并且可回复应力随着预应力的增加而增加。Hf含量为10%的合金在压缩应变为11%时具有最大的可回复应变7.9%,其中超弹性应变为5.2%。在压缩应变固定为7%的循环压缩过程中,10%Hf的样品循环稳定性较好,可以完全回复。

熔融沉积成型Fe_(3)O_(4)-MWCNTs/PLA微波吸收材料性能

具有轻质高强、宽吸收带、薄厚度和热稳定性的电磁吸收材料是实现微波吸收应用的核心要求。本文以聚乳酸(PLA)为基体,Fe_(3)O_(4)和多壁碳纳米管(MWCNTs)为填料,通过球磨混合和熔融挤出法制备出Fe_(3)O_(4)-MWCNTs/PLA复合线材,利用熔融沉积成型(FDM)制备出Fe_(3)O_(4)-MWCNTs/PLA复合材料。采用XRD、SEM和矢量网络分析仪分别对复合材料的物相结构、微观形貌和电磁特性进行了表征,并研究了Fe_(3)O_(4)含量对复合材料吸波性能的影响。Fe_(3)O_(4)与MWCNTs-PLA复合形成的复合吸波材料质量轻、稳定性好、介电性能可调,因其良好的阻抗匹配和电磁波衰减能力而表现出优异的宽带吸收能力。实验结果表明:Fe_(3)O_(4)含量达到25wt%,厚度为1.4 mm时,反射损耗达到−48.5 dB,有效吸收带宽达到6.78 GHz(10.38~17.16 GHz),表现出优异的微波吸收性能。