增材制造个性化植入物技术发展与挑战

增材制造(3D打印)技术与未来医疗行业精准化和定制化的发展方向相契合,是我国高端医疗器械领域创新发展的重要机遇。目前3D打印医疗器械的研究和产业化主要分为不可降解植入物和可降解植入物,逐渐形成了金属3D打印骨植入物、聚醚醚酮骨植入物和可降解植入物等主要临床应用和产业发展领域。该文列举近年来上述领域的研究成果,论述个性化植入物的增材制造技术和应用,从技术、应用和监管角度分析不同植入物面临的挑战,并对未来发展提出展望和建议。

电弧增材制造传热传质数值模拟技术综述

电弧增材制造过程涉及丝材的送入和熔化,熔融金属向熔池的过渡,熔池中液态金属的对流、凝固和成形。缺陷的形成与电弧增材制造过程中发生的复杂多物理场现象密切相关。因此,需要借助高保真数值模拟技术来深入理解这些物理现象,并将其作为优化工艺条件、制造高质量产品的理论依据。本文综述了电弧增材制造传热传质数值模拟涉及的关键技术,并对未来研究方向进行了展望:首先,介绍了几种典型的热源模型,鉴于电弧增材制造过程中熔池的形成与演变是多种驱动力共同作用的结果,分析了浮力、电磁力、表面张力、电弧压力、电弧剪应力模型对流体流动和熔池表面变形的影响;然后,总结了三种金属过渡模型,包括速度入口填充液态金属、指定位置添加球状质量源项以及直接建立固态金属焊丝;最后,介绍了常用的气液界面跟踪方法。

原子级制造的关键基础科学问题

人类的制造技术逐步向原子级推进,原子作为化学反应中的最小粒子,虽然它可以分成更小的原子核、电子等,但是从制造的角度看,原子级制造可以说是人类制造的最底层技术,也是继微纳制造之后新的制造范式,可将制造精度以及产品性能推向极致水平,代表着人类对物质世界认知和制造能力发展的新阶段,是引领未来产业变革发展的战略性技术,也是保障国家安全和推动国计民生重大装备跨代升级的重要前沿方向。本文基于第330期双清论坛总结了原子级制造的研究现状、发展趋势及机遇挑战,凝练出未来5~10年原子级制造的焦点问题和亟需解决的关键科学问题,探讨了相关领域的前沿发展方向和科学基金资助战略。

基于原子/分子团簇结构的材料与器件制造

原子/分子团簇是物质结构的一种新形态,具有独特的本征性质。从原子/分子团簇到器件的跨尺度制造,将为国防高端装备和新兴电子等产业发展带来深刻变革。团簇的多物质构效关系、宏量制造、团簇结构跨尺度构筑以及团簇器件的高性能制造等是原子/分子团簇器件制造的关键发展方向,主导着从原子到产品制造的发展历程。把握这些发展背后的重要机遇,将有助于占领原子级制造研究的制高点,引领原子级制造方法的变革。本文从团簇新材料的宏量制造、新型功能器件的原子/分子团簇构筑、团簇—器件的跨尺度制造工艺和装备等三个方面概括了原子/分子团簇与器件制造领域的主要研究进展,总结了原子/分子团簇与器件领域的关键科学问题及面临的挑战,并对其未来发展方向和发展战略给出了建议。

基于增材制造技术的空心涡轮叶片精准成形控制

目的基于光固化快速成形工艺,将一体化陶瓷铸型技术与数值模拟技术相结合,采用型腔反变形方法补偿金属液凝固收缩,实现高复杂空心涡轮叶片的型面精准成形控制。方法通过数值模拟分析了叶片各方向(叶宽、叶长和叶厚)的凝固变形规律,并建立了各截面的位移场模型。通过仿真迭代补偿凝固收缩,修正了叶身外型面,完成了叶片CAD模型重构。基于光固化快速精铸技术,快速制作了一体化铸型,并完成了叶片浇注实验。结果对补偿前后叶片叶身外型面偏差进行统计可知,叶身主要部位偏差明显降低,尾缘偏差由-0.335mm降低至-0.136mm,前缘偏差由-0.246mm降低至-0.111mm,验证了该技术在叶片型面精度控制方面的有效性。结论实现了涡轮叶片型面精度的有效控制,为高精度空心涡轮叶片的快速制造提供了新的途径。

利用非对称高频载波脉冲簇电刺激的肌疲劳缓解技术研究

为了缓解神经肌肉电刺激导致的肌肉疲劳,并减轻高频载波脉冲簇电刺激带来的不适感,提出了非对称高频载波脉冲簇电刺激的肌疲劳缓解技术,利用健康受试者,比较了所提技术和传统对称双相矩形脉冲电刺激的抗疲劳性能。在正中神经、尺神经束近端,分别施加载波频率为10 kHz的窄脉冲簇(高频模式)和传统的对称双相矩形脉冲(低频模式)并引起相同的收缩水平,持续刺激5 min以诱发肌疲劳并记录手指收缩力和指屈肌高密度肌电信号。研究结果显示,与低频刺激相比,高频刺激下肌肉疲劳速率显著降低,具体表现为力衰减变慢,绝对力衰减较小(3.8688±1.1368)N,平台力更大(7.296±1.3424)N,最终获得更大的力输出为(2282.8±341.48)N·s,同时高频刺激下更高的力-肌电幅值比说明诱发了更高的肌肉激活效率,这可能是高频模式缓解肌疲劳的潜在机制。与传统对称低频刺激相比,非对称高频载波脉冲簇电刺激可能通过诱发更高效率的肌肉激活,从而显著缓解电刺激下肌疲劳问题,这对电刺激技术在脑卒中等患者运动功能康复中的推广应用具有重要意义。

微起爆序列用硅基作动机构隔断特性研究

针对MEMS火工品的内置安全控制设计需求,在硅基MEMS作动机构的基础上,重点开展了硅基作动机构与微起爆传爆序列的集成化设计与能量匹配研究。该序列主要由微起爆器、微作动机构及传爆药组成。其中微起爆器的叠氮化铜装药尺寸为Ф0.8mm×0.8mm,装药量为1.5mg;微作动机构在11V直流电压驱动下,可以实现传爆通道的开启与闭合,隔断位移为743.06µm;传爆药为油墨直写方式制备的CL-20传爆药,装药尺寸为Ф3mm×3mm,装药密度为1.66g/cm^(3),装药量约为35mg。研究表明该序列具备可靠起爆、传爆以及隔爆功能。

微纳制造技术的发展趋势与发展建议

微纳制造技术能够实现微纳米级别的高精密加工,是现代高科技制造领域的核心技术。提升微纳制造技术水平,有助于提高中国高端制造业的整体竞争力,对推动科技创新和促进产业升级具有积极意义。文章概述了微纳制造技术体系,着重分析了芯片微纳制造、激光微纳制造和聚合物微纳制造等典型微纳制造技术的发展态势,概述了多尺度精密微纳加工、多功能材料合成制造、高度集成和多功能化、自组装技术与结构、生物纳米技术融合制造、量子信息与纳米器件及绿色环保制造技术等发展趋势,针对性提出了深化基础研究、创新材料与工艺、强化人才培育与引进、加强产学研结合与技术转化等发展建议,以期促进我国中国微纳制造技术产业整体水平提升和高质量发展。

储能锂电池系统综合管理研究进展

锂电池系统是新型储能系统的重要组成部分,电池管理技术对确保电池系统的安全、高效运行和延长使用寿命具有重要意义。从电池系统的模型、状态、故障、一致性、热管理等层面出发,综述了锂电池管理的研究进展。在电池模型方面,分析总结了电池在电、热、力等特性的建模及高效计算方法。对于电池的状态估计,总结了基于模型、数据驱动以及两者相结合的状态估计方法以及各自的优缺点,分析了构建数据驱动与电池领域知识融合框架的未来发展前景。在电池故障方面,分析了电池系统不同故障特征、类型、触发机制和诊断方法,对电池系统在早期故障预警、故障检测灵敏度提升等方面进行了展望。对于电池系统的一致性,总结分析了在均衡拓扑和均衡策略两个方面的研究现状,并对电池重构在均衡、快充、能量利用提升、故障隔离等方面的应用进行了分析。在电池热管理方面,分析了高温冷却以及低温加热的方法,并对热管理系统的优化设计和控制策略进行了总结,对开发高效换热、轻量化以及低能耗的先进热管理系统进行了探讨。此外,对电池管理系统的新技术和应用场景进行了概述,分析了数字孪生技术以及储能综合管理在电池系统上的应用,为未来电池管理的发展提供了参考。

面向机械零件三角网格模型自动配准中增强特征的分割方法

三角网格模型配准是工业自动化检测软件中的重要一环,其配准精度对检测机械零件的形位公差有重要影响。针对三角网格模型的自动配准精度低、鲁棒性差的问题,本文提出一种面向机械零件三角网格模型自动配准中增强特征的分割方法。首先,确定三角网格模型特征分割的K值,通过拉普拉斯矩阵确定种子点进行迭代初始化。其次,本文采用合适的区域形状代理和代价函数以加速该过程,并通过多源迭代聚类得到特征分割结果。最终,在三角网格模型特征分割结果的基础上进行基于奇异值分解法的粗配准,之后再根据EM-ICP进行精配准。与传统的特征描述子粗配准结合ICP精配准的方法进行对比,结果表明,本文方法的配准误差下降了25.2%,自动配准时间缩短了62.6%,有效地提高了三角网格模型自动配准的精度和效率。

水凝胶力学性能强化及典型应用研究进展

水凝胶在生物医学、脑机接口、传感器、制动器等高科技领域具有广泛的应用前景。然而,水凝胶在面对不同应用环境时仍存在力学性能上的挑战,包括易发生拉伸断裂、塑性变形以及疲劳破坏等问题,这严重限制了其应用范围。为了增强水凝胶的力学性能以适应不同的工作条件,本研究对当前不同组分水凝胶所具备的力学性能以及多种力学强化水凝胶的典型应用进行了综述。首先,对水凝胶的成分构成进行了介绍,包括天然聚合物水凝胶和合成聚合物水凝胶等。进而,通过系统总结不同水凝胶的力学特性和强化方式,深入剖析了抗拉强度、黏接强度和疲劳阈值等力学性能的优化途径。最后,指明了具有优秀力学性能水凝胶相应的应用场景,并对未来的发展方向进行了展望。本综述提供了水凝胶力学性能提升的多元化视角和解决方案,为设计特定需求的新型水凝胶材料提供了科学指导。

联合经验模式分解和混沌理论的稳态视觉诱发电位脑电识别

针对多目标稳态视觉诱发电位(SSVEP)信号识别准确率低、线性识别方法抑制噪声的同时也会抑制信号本身特征等问题,基于经验模式分解对信号的降噪特性、达芬混沌系统对微弱周期信号的敏感性及噪声的免疫特性,提出了一种非线性多目标SSVEP信号识别算法。首先,采用共平均参考算法将多通道SSVEP信号融合成单通道信号,通过傅里叶变换求得SSVEP信号的相位谱,为达芬混沌系统周期策动力添加相位;接着,采用经验模式分解降噪,将获得的第一个本征模函数输入到达芬混沌系统中,利用基于频谱差异的混沌系统状态判别方法,求解各目标的刺激频率幅值;最后,根据最大刺激频率幅值确定刺激目标,实现了对多目标SSVEP信号的识别。研究结果表明:相较于典型相关分析法,所提非线性信号处理方法的平均识别准确率提高了7.3%,平均信息传输速率提高了3.84bit/min。该研究为探究非线性SSVEP信号解码算法提供了新方向。

基于激光诱导石墨烯的木制惯性测量单元

针对商用低精度惯性测量单元具有高成本、制造工艺复杂、废弃后污染环境、不能生物降解等缺点,提出一种低成本、可生物降解的木制惯性测量单元。该设计包含平衡振子和非平衡振子单元,分别用于测量3轴加速度和3轴角加速度。采用激光诱导石墨烯的工艺在木梁上制备应变传感器阵列,并形成多组惠斯顿电桥测量电路。结果表明:加速度方面,X轴灵敏度为0.006 m V/g,Y轴灵敏度为8.695×10^(-4)m V/g,Z轴灵敏度为0.200 m V/g;角加速度方面,X轴灵敏度为0.285 m V/(rad/s^(2)),绕Y轴旋转的灵敏度为0.305 m V/(rad/s^(2)),绕Z轴旋转的灵敏度为0.765 m V/(rad/s^(2))。与有限单元法仿真结果对比,实验测量误差在10%以内,且具有良好的重复测量精度。该惯性测量单元在木制船舶、木制载具、木制家具等方面具有潜在的应用前景。

基于误差修正模型的机翼风洞试验弯扭变形测量方法

风洞试验中,机翼在高速气流下产生弯曲、扭转变形,本文提出一种基于误差修正模型的机翼弯扭变形测量方法。首先,利用基于摄影测量的相机标定方法求得相机畸变参数,采用数字图像相关法定位与追踪荧光点的无畸变像素坐标。然后根据摄影测量技术建立气流坐标轴系标定板,并利用气流坐标轴系标定板标定相机外参及求取机翼上荧光标记点的Y坐标。最后,根据标记点已知的Y轴向约束,建立单双目测量系统各自的三维重建模型及弯扭变形的误差修正模型,并以模型迎角为0°水平时为基准状态计算吹风状态下机翼弯扭变形。经试验验证,本文提出的机翼扭转变形测量误差小于0.01°,机翼弯曲变形测量误差小于0.15 mm/m。该方法可为飞行器设计提供可靠及鲁棒的实验数据。

Au修饰SnO_(2)薄膜兼容型高响应乙炔气体传感器研制

为了实现变压器油中溶解的乙炔气体检测,研发了一款基于Au修饰SnO_(2)气敏薄膜的乙炔气体传感器。通过射频溅射制备SnO_(2)薄膜,进而通过直流溅射制备Au并改变溅射时间,得到不同Au修饰量的气敏薄膜,采用微机电系统(MEMS)工艺开发了基于气敏薄膜的乙炔气体传感芯片。对比纯SnO_(2)以及不同Au修饰量的SnO_(2)气敏薄膜的气敏性能,结果显示,基于20 s-Au修饰的SnO_(2)薄膜MEMS乙炔传感器性能最佳,最佳工作温度为200℃,体积分数为1×10^(-6)的乙炔气体的响应值高达14,响应恢复时间分别为5 s和87 s,且具有良好的重复性,检测限低至0.1×10^(-6)(体积分数)。对比测试体积分数为1×10^(-6)下变压器油中溶解的氢气、甲烷等其他气体,所研发的MEMS乙炔气体传感器仍具有优越的选择性,在长期测试下保持良好稳定性,可为解决变压器油中溶解乙炔气体的检测难题提供一种元件选择。

基于Micro CT的铜导线短路熔痕孔洞特征分析

导线短路是造成电气火灾的重要原因之一。现行国家标准中将导线短路熔痕分为起火前发生的一次短路熔痕和起火后造成的二次短路熔痕,然而现行国家标准中的鉴定仅停留在定性判断的阶段。火灾现场铜导线短路熔痕特征的量化分析研究是国内外研究人员主要关注的重点。本文应用Micro CT技术对铜导线短路熔痕进行断层扫描检测并重构铜导线短路熔痕的3D图像数据,在此基础上统计、归纳、总结铜导线短路熔痕内部孔洞形态及分布等孔洞特征。研究表明,Micro CT能够全面采集铜导线短路熔痕的整体形态和内部孔洞特征,一次短路熔痕与二次短路熔痕内部孔洞半径、表面积、紧密度的特征数据存在差别,可为短路熔痕定性和定量分析判据研究提供新的理论依据。

微起爆系统关键技术研究现状与发展建议

微小型无人平台等新一代武器装备的发展对弹药系统提出了微型化、智能化、集成化等要求,因此,微起爆系统应运而生。文章分析了微起爆系统的组成及特点,并结合应用环境要求,从微结构换能元、微纳结构药剂、微安保装置、炸药驱动飞片4个关键技术以及微起爆系统应用的角度,对国内外相关研究现状进行总结和研判,针对中国微起爆系统面临的挑战,提出了未来微起爆系统的发展思路和建议。

共享制造生态系统的协同治理研究:基于问题解决视角

在数字化时代,构建“平台+小微”的共享制造生态系统是制造企业转型的典型路径。然而,共享制造面临着“如何设计治理模式以促进成员企业实现共创共享”的挑战。基于问题解决视角,本研究采用纵向案例跟踪法探讨共享制造的治理模式,研究发现:(1)共享制造的治理模式超越了单一的层级制或市场治理,需要依据解决问题所涉及的互补知识集来确定治理的主体与客体,并根据问题的可分解性来选择治理模式。对于创新性高的不可分解的产品设计问题,适合采用基于共识的层级制治理模式,通过成员间的知识共享与共同协商搜寻高质量的解决方案;对于半可分解的质量检测问题,适合采用基于权威的层级制治理模式,平台企业通过集中决策提高搜寻解决方案过程中的知识交换的效率;对于可分解的众多零件的生产问题,适合采用内部市场化治理模式,通过自由竞争和价格机制来提高解决问题的效率。(2)根据不同活动的互补性,治理模式之间还存在互动机制:基于共识的层级制和基于权威的层级制有助于平台分解复杂问题以促进产品模块化,为内部市场化提供基础;内部市场化则有利于小微企业内部采用基于共识的层级制以提高员工技能。(3)共享制造有效融合了层级制的复杂问题分解能力和内部市场化的高效资源配置能力,适用于强调企业间协同创新的生产型平台以及市场复杂性和技术复杂性较高的制造行业。通过整合上述发现,本研究提出了共享制造的协同治理模型,为数字化时代下我国以单一治理模式为主导的大型企业或地理性产业集群向以知识共享为核心的平台转型提供了管理启示,为共享制造生态中的跨主体、跨生产环节的协同治理问题提供了理论解答。

激光辅助铣削过程的预热温度场调控方法研究

激光辅助加工(Laser-assisted machining, LAM)通过激光热源对工件待切削区域进行预热,提高难加工材料可加工性,从而在减小切削力的同时提高加工效率。其中,激光加载下的预热温度场控制是LAM的核心科学问题之一。通过对实际激光器输出光束质量的定量与定式表征,构建移动激光热源加载下的温度场解析求解式,并以激光辅助面铣下切削区域温度场均布为目标,提出激光扫描预热温度场均衡控制方法。依据激光扫描预热方法,搭建温度场测试实验台,通过表面与内部测温验证激光预热温度场求解的准确性。进而开展预热温度场优化前后的激光辅助铣削加工与传统铣削加工,对比三种工况下的铣削力特征与已加工表面粗糙度,结果表明温度场均衡控制下可有效降低铣削力10%以上,降低表面粗糙度30%,且能进一步提升已加工表面质量。综上所述,提出的激光预热温度场正向调控方法可有效调控激光热影响区温度,并为激光参数主动设计提供理论指导,在难加工材料的激光辅助加工中有广阔应用前景。

单相机立体数字图像相关系统优化设计

针对四镜适配器辅助的单目立体数字图像相关(DIC)系统结构参数在实际应用中难以准确设计的问题,提出了一种四镜适配器最优结构参数非线性优化的方法。首先根据四镜适配器光路的数学关系建立了结构最小化的优化模型;然后通过分支定界法完成优化模型的求解,进一步分析了相机固有参数对结构参数的影响;最后通过实验验证了预测结构参数与实际参数误差在1%左右,单目立体DIC系统和常规双目DIC系统点距重建误差均为0.02 mm。并且对散斑测量件进行了平移和旋转实验,平移实验的相对误差为0.7%,旋转实验的位移变化趋势与预期相符。结果表明,该方法可以设计出最优的结构参数,并且在实际测量中的精度满足工程要求。