金属零件3D打印技术现状及研究进展*

简述了国内外的金属零件3D打印技术的研究现状及最新进展,包括选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping, LENS)技术和电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting, EBSM)技术,并针对作者实验室的工作方向——SLM直接制造,具体分析了金属零件3D打印技术研究热点和难点以及具体应用.     

3D打印技术在航空铝合金薄壁零件上的应用

为解决薄壁结构件制造难题,以航空铝合金薄壁零件为研究对象,运用3D打印技术快速成型铝合金薄壁零件,并进行了尺寸检测、力学性能检测、表面质量和内部质量检测,结果表明:激光选区熔化成型的铝合金薄壁零件尺寸、力学性能、表面质量和内部质量均满足设计要求。     

多金属3D打印的SLM设备工艺参数库试验研究

针对特定的金属3D打印机,加工不同金属均需反复实验,因此建立成形工艺参数数据库十分必要。以某国产金属打印设备为研究对象,以加工Al Si10Mg合金的工艺方法为例,采用正交试验方法和微观组织分析法验证其选择最佳工艺参数组合的正确性,最终通过多种金属的加工得到该设备的激光功率、扫描间距、扫描速度对打印不同金属的致密度、抗拉强度以及断后伸长率的影响的规律。结果显示选择激光功率时要充分考虑金属的熔点、易氧化、反光率等特性,扫描间距对成形不同金属的力学性能影响敏感度最大,为建立更多金属成形工艺数据库提供了参考。     

激光选区熔化3D打印AlSi10Mg合金的铺粉厚度

基于铺粉厚度优选出的3个工艺参数组合,分析了工艺参数组合对激光选区熔化技术成形AlSi10Mg合金试样基本性能的影响。3个工艺参数组合成形的试样硬度均高于63HRB,上表面单位面积磨损量均低于1.5×10-5 g/(s·mm2),孔隙率在0.05%以下,抗拉强度高于440 MPa,成形的测试试样尺寸误差均在±0.1 mm以内。试样上表面的表面粗糙度Ra在4 μm以下,侧表面的表面粗糙度Ra在5 μm以下。铺粉厚度30 μm的试样表面质量最优。     

3D打印技术的应用

被认为推动了第三次工业革命进程的3D打印技术,涉及信息技术、材料科学、精密机械等多个方面。投入民用工业是近年来的事,多用于大型制造业。随着3D打印技术的应用越来越广泛,各种耗材、打印机的价格必将呈现下降趋势,未来3D打印机完全有可能像传统打印机一样,成为每家每户都买得起、用得上的设备。     

3D打印复合材料开孔板力学性能影响规律

为了改善3D打印技术制备的连续碳纤维增强复合材料样件的拉伸力学性能,研究了不同填充路径对复合材料开孔板拉伸性能的影响。采用主应力轨迹路径的规划方法制备了主应力轨迹路径填充开孔板测试样件,并将其与栅格路径填充开孔板和机械加工开孔板进行了拉伸性能对比。结果表明：主应力轨迹路径填充开孔板与机械加工开孔板相比,拉伸强度高9.73%,弹性模量高25.58%;主应力轨迹路径填充开孔板在断裂前圆孔周围的应变分布更均匀,应变更小。     

仿皮肤三维多孔点阵结构压缩吸能性能研究

基于DLP数字光处理(Digital light processing,DLP) 3D打印技术,制造出具有规则多孔特点的三维多孔点阵结构,以使其具有较宽压缩应力平台的特点.研究和设计了3种单元网格构型细胞,并由此组合成不同的规则多孔点阵结构,采用特定配比方式的光固型柔性树脂材料制造成型;根据仿生设计原理,分析皮肤纵切面...     

3D打印控制系统研究综述

3D打印技术因其具有可以成型复杂几何模型、加工过程操作简单的特点,因此在加工制造业、工业设计及医疗行业等生产领域均有着广泛应用.对3D打印控制系统主要部分的研究现状进行介绍,包括运动轨迹的规划及运动控制策略的优化、温度控制策略方案的优劣等控制部分;综述了现有的控制系统架构及控制方法,对比总结了各自的特点;最后,梳理总结了控制系统存在的一些共性问题,并对未来发展进行了展望,包括优化控制方案、提升过程控制技术、增强系统功能多样性及智能化程度.     

4D打印热塑性聚氨酯/钕铁硼磁性复合材料成形工艺与性能研究

传统的3D打印技术逐渐无法满足高端制造领域对构件的要求,材料-结构-功能一体化增材制造即4D打印技术将是新的发展方向。为此,选取热塑性聚氨酯(TPU)/钕铁硼(NdFeB)磁性复合材料体系,采用激光选区烧结(Selective laser sintering,SLS)工艺成形具有不同Nd FeB含量的复合材料成形件,研究了复合粉末的粒度及其分布、微观形貌、成形前后化学基团演变,成形件晶体结构、力学性能及变形行为,结果表明Nd Fe B含量会影响复合材料成形件的力学性能和变形行为,增加Nd Fe B含量能够增大成形件在磁场中受到的作用力;当Nd Fe B含量在复合材料中质量分数为30%时,复合材料成形件拥有最佳的拉伸强度。本研究将TPU/NdFeB复合材料体系作为一种创新的4D打印材料,成形的磁性智能构件在磁场中发生变形,实现了磁场驱动的4D打印,对4D打印磁性智能构件的发展具有指导意义。     

选择性激光烧结3D打印参数对成型精度影响研究

选择性激光烧结的成型过程中,零件的成型性能主要受激光功率、扫描速度、扫描间距与激光能量密度等多种因素的影响。采用实验方法研究了PS粉选择性激光烧结工艺,通过测量烧结件的尺寸精度,得出不同影响因素对烧结件成型精度影响的变化规律。通过实验结果发现,激光功率、扫描速度、扫描间距分别通过改变激光能量密度影响成型精度,并得到成型件精度与激光能量密度的变化规律,同时选出最佳的加工参数与加工方式,指导实际生产。     

3D打印三层微通道冷板的综合特性研究

3D打印技术在快速成型和制造复杂结构零件方面具有巨大的优势.文中采用3D打印工艺制备了3种微通道散热器,分别是2种开放型的单层微通道和1种封闭型的三层微通道.对三层微通道散热器(Three-Layered Microchannel Heat Sink,TLMHS)的力学性能进行了压力测试.通过实验和数值仿真研究了50～...     

某航天电子设备金属3D打印相变机壳设计

相变材料在相变过程中可以储存和释放大量热量,且相变过程近似等温.利用相变材料的这一特性可以实现对物体的温度控制,尤其适用于外部环境恶劣、热耗变化大、对温度稳定性要求较高的电子设备.某航天电子设备具有短时工作、功率密度高的特点,利用合适温度的相变材料来增加系统热沉是解决其散热问题的一种重要手段.文中基于相变控温技术完成了...     

小型水下作业设备相变热控技术研究

小型水下作业设备在海洋资源探测与利用领域扮演着重要角色。随着水下作业设备不断向多功能、智能化、长续航和大深度方向发展,设备内部功率元器件不断增多,散热问题日益严峻。文中提出了一种小型水下作业设备储热模块,采用相变材料被动吸热方式对设备内部发热元器件进行散热。研究了典型热功率条件下相变储热模块的热控性能,并对比了不同类型相变材料的热控效果。结果表明：相比于原有的自然冷却方式,低熔点金属镓相变储热模块可显著抑制热源的温升,将设备的正常工作时间有效延长至原来的2.7倍,起到良好的热防护作用;而有机相变材料因其传热性能差,反而阻碍了热量向外壳传递,恶化了设备的散热性能。文中提出的相变热控模块具有零功耗、储热密度大、工作性能稳定等特点。利用设备原有的壳体空间填充相变材料,不额外增加体积,不影响设备内部空间,可实现相变吸热和自然冷却耦合并行散热,有效防止设备内部器件或设备发生过热损坏,为水下无人作业设备持续、安全、稳定、高效工作提供热防护保障。     

三维打印技术研究

从材料形式与原理两方面对几种主流的3D打印技术进行了详细的对比与分析。研究表明:基于液态形式的三维立体光刻技术具有最高的精度,但可用材料较少且成本较高;基于粉末形式的3D打印技术可用于对结构稳定性要求高的工件制作;而基于薄片形式的分层实体制造技术可用于对精度要求不高的批量制造。     

基于最小理论支撑体积的模型三维打印的打印方向分析

针对三维打印过程中,打印后模型的支撑体积需减小的问题,研究了模型打印方向与模型支撑体积的对应关系,提出了一种计算最小理论支撑体积所对应的模型打印方向的方法。介绍了离散网格模型理论支撑体积的理论背景,给出了理论支撑体积的计算方法;分析了理论支撑体积函数的可导性,针对该函数的不可导性,利用无导数优化算法计算了最小理论支撑体积所对应的打印方向。实验表明,所提出的方法能够准确地计算理论支撑体积所对应的打印方向。     

三维打印实验教学的研究

针对三维打印实验教学在各高校的兴起和发展,就如何更好地培养学生动手能力和创新意识,提高实验教学质量等方面,对三维打印实验教学理念的建立、教学条件和实验教学的主要设计思路等进行了研究.     

面向软体机器人的3D打印硅胶软材料实验研究

基于自主搭建的直接喷墨打印式打印平台,以DC737硅胶为打印材料,分析了挤出系统的力学模型,以确定工艺参数的类型;采用单因素试验确定了适合打印的层厚、打印速度和驱动压力的参数范围;采用正交试验研究了各工艺参数对打印时间、尺寸误差的影响规律,并成功应用到软体机器人的本体打印上。研究结果表明:在一定范围内,打印速度对打印时间的影响最为显著,而对尺寸误差影响最大的是驱动压力,最优工艺参数为层厚0.4 mm、打印速度15 mm/s、驱动压力124 110 Pa(18 psi)。使用最优参数组合打印出了软体毛毛虫,并进行了动态性能实验,验证了高效、高精度3D打印软体机器人的可行性。