[学科发展]5D打印——生物功能组织的制造

生物制造是制造技术与生命科学技术交叉融合产生的新兴学科方向，这一学科方向的发展将为巨大的人体组织与器官市场提供新技术，同时也给制造技术变革带来新机遇。面向生物制造未来发展，提出5D打印制造概念，论述了5D打印的内涵，分析了其关键技术。结合生物制造技术的现有进展，介绍了研究团队在心肌组织支架的制造、类脑神经组织制造、爬行生命机械混合机器人方面取得的初步研究进展，为生物制造技术拓展新方向提供新思路。     

3D打印的发展前沿——类脑组织打印

人类对于大脑这一复杂功能器官认知不足限制了大脑疾病研究的进展,由于组织离体保存的难度和人脑组织研究所涉及的伦理问题,现代医学对于大脑的探究和脑疾病相关药理研究大多依赖于活体动物,而动物与人的差异导致动物实验药理研究结果应用于临床后效果不佳。因此,通过组织工程的方法进行类脑组织的体外构建将为大脑结构和功能的研究提供基础。在阐述了人类大脑灰质宏/微复杂结构基础上,揭示了采用3D打印技术体外构建类脑组织在脑科学研究中的重要意义和面临的巨大挑战:同时对目前存在的类脑组织的体外构建方法及局限性进行了全面论述,并提出类脑组织打印培养一体化的类脑组织体外构建方法。该系统通过打印与培养过程的整合,促进打印后细胞成活和组织功能化。     

连续碳纤维增强聚乳酸复合材料3D打印及回收再利用机理与性能

纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强的优异特性,但传统成型工艺具有成本高、过程复杂、难以回收的缺点限制了复合材料的广泛应用,介绍了一种新的连续纤维增强热塑性复合材料3D工艺(CFRTPCs)及其回收再利用策略,建立成型过程与界面性能、力学性能的内在联系,打印连续碳纤维增强聚乳酸(CF/PLA)样件抗弯强度与模量分别达到390MPa与30.8GPa,实现了复合材料低成本一体化快速制造,其回收再利用过程无污染,材料利用率为75%,二次打印样件抗弯强度提高25%左右,实现了复合材料高效高性能绿色回收再利用,二者结合形成一种全生命周期复合材料应用模式。     

激光增材制造WNbMoTa高性能高熵合金

随着工业实践中高端装备耐温部件整体制造要求的提高,现有合金材料体系、制造工艺难以满足需求。研究将高熵合金材料与激光增材制造技术耦合,为我国大尺寸、复杂高端装备零部件的整体制造提供了新的解决方案。一方面,通过激光熔覆沉积技术成形了WNbMoTa、NbMoTa等多种高性能高熵合金,成形的高熵合金晶粒尺寸细小且无微观成分偏析。其中NbMoTa高熵合金1000℃下屈服强度达到530MPa,高于国内应用于航空发动机涡轮叶片的GH4169、DZ125高温合金和应用于航空航天工业的T111、C103、Nb-1Zr难熔合金。另一方面,通过基于有限差分-有限元数值模拟的方法对高熵合金材料成形过程中的热应力与应变进行数值模拟,解决了选区激光熔化成形高熵合金过程中样件易翘曲的问题。     

基于氧阻聚效应的陶瓷面成形工艺优化研究

氧阻聚效应的应用使得陶瓷光固化增材制造技术的加工速度和成形精度有了显著提升。利用自制的陶瓷面成形快速成型系统和具有氧阻聚效应的Al_2O_3陶瓷浆料,开展了氧气浓度、液槽底部PDMS膜的厚度对已固化层与PDMS膜粘接引起的分离力大小的研究;在最优PDMS膜厚(0.3 mm)条件下,氧气浓度对陶瓷件尺寸精度、收缩率以及力学性能的影响研究中发现,氧阻聚效应减小了固化层与PDMS膜粘接形成的分离力大小,但不影响陶瓷零件的弯曲强度(约175 MPa),而且适当的氧气浓度可以显著改善零件的尺寸精度和表面质量。正交实验确定了陶瓷多孔结构成形的工艺参数(包括氧浓度、曝光强度和分层厚度)最优集,对比空气条件下(即氧气浓度约20%)打印成形的多孔结构,最优条件下(即氧气浓度40%)所成形的多孔结构形貌有明显提升,最大尺寸偏差减小45%。     

轻质复合材料飞行器仪器支架选择性激光烧结成形与性能研究

针对目前飞行器仪器支架对轻量化、快速开发及结构优化的要求,提出使用选择性激光烧结(SLS)工艺制备轻质复合材料仪器支架,并对其性能进行了综合评估。根据飞行器仪器支架的使用环境,首先对SLS制备短切碳纤维增强尼龙复合材料(CF/PA12)进行了工艺优化并详细研究了复合材料的力学性能、热性能及动态热力学性能,试验结果表明,SLS制备的CF/PA12复合材料的拉伸强度达到63.8 MPa,弹性模量为6.5 GPa,弯曲强度达到118.06 MPa,体积密度仅为1.03 g/cm3,尤其是其损耗因子在0.03～0.06之间,远远大于金属材料,具有更好的减振性能,并对其装配形式进行了评估。最后,以一款火箭仪器支架为例,通过拓扑优化,实现支架进一步减重40%,且都通过了载荷试验(2 000 N),从而证明了SLS制备复合材料在航空航天领域制件轻量化、快速开发及结构优化方面具有明显的技术优势和一定的应用潜力。     

整体式风电叶片紫外光原位固化纤维铺放制造技术

针对风电叶片树脂传递模塑制造工艺自动化程度低,劳动强度高,质量不稳定等问题,提出整体式风电叶片自动化制造新方法,该方法将紫外光原位固化工艺和自动纤维铺放技术相结合以实现整体式风电叶片的制造。根据风电叶片前后缘存在极大曲率的外形特点,提出过渡线轨迹生成算法以获得完整的初始铺放轨迹信息。通过CATIA CAA软件二次开发实现前后缘处铺放轨迹自动生成,以解决极大曲率风电叶片铺放路径生成问题。通过分析整体式叶片芯模的制造方案,并进行整体式风电叶片紫外光原位固化纤维铺放成形基础试验,验证了所提出整体式风电叶片自动纤维铺放制造方法是可行的。该方法能够使预浸带沿任意角度铺放,并通过铺缠在芯模上完整的预浸带铺层来代替分片式叶片中的胶层,有利于提高整体式叶片的综合性能。为了进一步提高紫外光原位固化纤维铺放工艺所制备的复合材料层合板的性能,高质量光固化预浸带的研制需要尽快开展。     

利用光固化快速成形技术和凝胶注模工艺制备变周期电磁晶体

提出了一种光固化快速成形技术及凝胶注模工艺制备变周期电磁带隙晶体的工艺路线,结构材料是氧化铝陶瓷.研究了该工艺制备得到的电磁带隙晶体的微现形貌,及其在8～13 GHz微波段的带隙特性,并对比了不同比例拉伸后的变周期结构和标准结构的微波带隙特征.测试结果发现,与同等外形结构尺寸的周期性结构相比,变周期金刚石EBG结构的带...     

基于光固化原型的燃气轮机涡轮叶片整体式陶瓷铸型设计与制备

高质量的陶瓷铸型是精密铸造中获得燃气轮机涡轮叶片的基础,而传统的陶瓷铸型制备工艺存在型芯型壳组合的装配误差和无法制造叶片内部细小冲击孔的缺点。因此,提出了一种基于光固化原型的燃气轮机涡轮叶片整体式陶瓷铸型制备工艺。首先,在分析新工艺对光固化树脂原型功能要求的基础上,确定其结构组成;其次,利用ProCAST软件模拟了燃气轮机涡轮叶片浇注过程,避免了缩松缩孔缺陷的产生,完成了光固化树脂原型的详细设计;最后,制备出了整体式陶瓷铸型,并快速铸造出燃气轮机涡轮叶片。     

同轴送粉喷嘴粉末汇聚特性三维数值模拟

在激光金属直接制造过程中,实际的粉末汇聚不是自由射流,而是受阻射流.为了获得受阻射流工艺参数对粉末汇聚特性的影响规律,提高激光直接制造精度,应用FLUENT软件中的离散相模型模拟了工艺参数对粉末汇聚浓度分布的影响.结果表明:在自由射流时,粉末汇聚浓度随着送粉量的增加而增大,随着载气速度的增大而明显降低,保护气速度的增大...