核电用316L不锈钢粉末增材制造研究现状

增材制造技术是一种无须模具、近净成形的先进制造工艺。不锈钢是一种在核电行业广泛应用的结构材料。实现不锈钢结构件的增材制造将进一步推动增材制造技术的发展,也可为核行业带来革命性改变。以核电用316L不锈钢为例,系统阐述了不锈钢粉末增材制造研究现状,包括粉末制备工艺现状、增材制造成形工艺现状以及成形件的组织性能研究现状。目前,增材制造用316L不锈钢粉末的制备工艺主要为雾化法,粉末的物化性能受制粉工艺参数的影响。在激光粉末床熔融增材制造技术、电子束选区熔化技术和等离子增材制造技术中,尤以激光粉末床熔融增材制造不锈钢的应用最为广泛。增材制造316L不锈钢的组织与性能存在各向异性,但各向异性可通过增材制造的后处理技术消除。目前增材制造最为常用的后处理技术为热处理。与锻造316L不锈钢相比,经热等静压处理的增材制造316L不锈钢的力学性能与辐照性能更优。目前,核用不锈钢的增材制造技术还处于起始阶段,后续应重点关注增材制造的成形机理及成形材料中子辐照性能等内容。     

增材制造的现状与应用综述

目的 为推动增材制造技术与新材料、新工艺和产业应用的加速融合提供技术信息参考.方法 首先通过文献计量分析法,以"增材制造"为关键词,分别对2016—2021年的WOS和CNKI核心文献数据库的进行分析,得出近5年国内外增材制造的研究方向和研究热点;然后从增材制造技术的发展阶段、技术标准体系、材料类型、成形工艺类型等方面介绍增材制造技术的研究现状,着重梳理了不同材料与工艺类型增材制造技术的对应关系,归纳了各类增材制造技术的成形原理、材料、工艺特点和技术优势;接着探讨了增材制造技术在航空、航天、船舶、汽车、模具、铸造、建筑、医疗、文化创意等产业领域的应用场景和应用案例,以及产业化应用的问题;最后分析了国内增材制造面临的挑战和发展前景.结论 综述了增材制造技术的现状与应用情况,为增材制造技术成果推广和产业应用提供技术资讯,具有一定的参考意义.     

基于回归方法和神经网络的电弧增材制造单道成形形貌预测

目的 针对电弧增材制造技术实际应用中工艺参数选取困难和成形结果难预测的问题,确定高效、准确的电弧增材制造单道成形形貌预测的数学方法,以快速、方便地选取丝材电弧增材制造工艺参数并指导成形质量控制。方法 在单道单层丝材电弧增材制造实验的基础上,采用多种回归方法和神经网络方法分别建立焊接电流、电压和焊枪移动速度等多个工艺参数与增材层宽度、增材层高度及熔池深度等成形形貌参数之间的数学关系模型。结果 电弧增材制造单道成形形貌与焊接电流、电压和焊枪移动速度显著相关,且各参数间存在非线性交互作用;采用多元线性回归法可较准确地预测单道增材层宽度,但对于增材层高度和熔深的预测效果较差;神经网络可良好地处理各工艺参数间复杂的非线性关系,其对增材层宽度、增材层高度和熔深的预测平均误差率分别为4.17%、6.60%和7.01%,显著优于多元线性回归法。结论 采用神经网络法可以准确预测电弧增材制造单道成形的形貌参数,进而指导增材制造工艺参数的选取和成形质量的控制。     

铜合金增材制造技术研究进展

增材制造技术的迅速发展,给铜合金制造技术提供了新的发展动力。主要综述了近年来国内外不同铜合金增材制造工艺的方法,分析了增材制造研究过程中遇到的增材制造试样晶粒易粗大、易形成裂纹及易引入杂质等问题,对比了不同增材制造工艺方法下,制备的铜合金试样的微观组织和力学性能。在此基础上,着重综述了铜合金增材制造技术研究在不同增材制造工艺方法方面的进展,并对增材制造试样与传统铸造试样的微观组织和力学性能进行对比。最后,对铜合金增材制造技术研究进展进行总结,并对其发展前景和发展方向进行展望。     

镁合金电弧增材制造研究现状及展望

电弧增材制造由于其高沉积速率、高材料利用率、低成本以及具有制造大尺寸构件的能力而得到研究人员的广泛关注,有望广泛应用于镁合金的快速成形。本文概述了电弧增材制造用镁合金丝材的种类及其对丝材的要求,总结了现今适合于镁合金电弧增材制造用丝材的制备方法,重点论述了镁合金电弧增材制造工艺的制备技术、基本原理、微观组织及力学性能,讨论了不同电弧增材制造工艺制备不同镁合金的影响因素,分析了镁合金电弧增材制造目前可用丝材种类少以及增材制造构件形性尚不可控等问题,并且在优化电弧增材制造镁合金构件性能和推进应用方面进行了展望。     

增材制造技术环境影响及其生命周期评价的研究进展

为了满足不同工业领域的需求,目前已有多种利用材料沉积方法进行增材制造(AM)的技术.其中,电弧增材制造(Wire and arc additivemanufacturing,WAAM)是一种发展迅速的增材制造技术,具有低能耗、低碳和低成本的优势,适合大型复杂金属零部件成型.虽然增材制造技术在材料、工艺、机械装置和系统集成方面发展快速,但对环境的影响仍未引起重视.由于不同的制造工艺所需的材料和能源差异较大,一般来讲,增材制造技术相对于传统工艺的总体优势不明显.因此,除了对增材制造技术本身以及工艺性能等方面进行研究外,还需要分析不同工艺方法对环境的影响.生命周期评价(LCA)是一种对产品、工艺或活动从原材料获取到最终处理全过程的重要环境管理评价工具,被越来越多地运用到不同材料制造工艺的分析与研究中.但LCA在增材制造领域中的应用和研究还较少,目前研究主要集中在粉末增材制造工艺的能源消耗和成本方面,在能源对环境影响以及生命周期数据清单方面还很少,尚未见到对电弧增材制造技术的环境影响及评价的报道.因此,有必要对这一领域进行更深入的研究.本文介绍了生命周期评价的定义和技术框架,并基于生命周期评价方法,从确定目标和范围、清单分析、环境评价和结果解释四个方面,评述了电弧增材制造部件在整个生命周期中所有物质和能量对环境影响的研究现状.同时将增材制造技术与不同的工艺方法进行了对比,分析了不同增材制造技术对环境影响的特点和进展.     

船舶增材制造的认可与船级社标准分析

增材制造技术在各行业的发展趋于成熟,船舶领域方面的应用发展也有了广泛进展。针对船舶领域的增材制造应用,分析研究了目前船舶领域应用中主流的粉末床熔融、定向能量沉积和电弧熔丝沉积的技术原理、技术应用、设计评估、认可和检验。重点分析了中国船级社《增材制造检验指南》部分典型船用产品增材制造技术与认可检验流程,以及增材修复工艺认可流程,研究验证了标准体系对船舶增材制造技术的必要性。     

电弧熔丝增材制造铝合金研究进展EI北大核心CSCD

电弧增材制造因其独特的无模壳快速近净成形特点而备受关注,有望成为突破铝合金材料研发与工业应用瓶颈的先进制造技术。电弧增材技术在传统电弧焊接的基础上发展而来,二者均以高能电弧为热源、以金属丝材为原材料进行成形。本文综合分析了电弧增材制造工艺与设备研发现状、凝固与固态相变特性、显微组织特点、冶金缺陷概况以及力学性能特点,论述了热丝及多丝增材制造技术前景和电弧增材制造独特的成形方式与相变显微组织特征。针对电弧增材制造铝合金制造精度及稳定性较差、气孔及热裂缺陷严重、材料力学性能优势不突出的问题,提出了电弧增材制造专用设备开发、熔丝累加快速凝固冶金缺陷控制专用方法研发、专用材料成分及显微组织设计、专用热处理工艺制定等发展方向,为加快电弧增材制造铝合金高端化、定制化、专属化发展提供重要参考。     

金属增材制造中微观组织相场法模拟研究进展

金属增材制造技术是近30年发展起来的一项具有战略意义的先进制造技术。目前对增材制造的研究主要集中在制造装备与控制系统研发、产品性能测试等方面,对构件内微观组织的形成以及宏微观结构性能的关系研究较少。本文简要介绍了金属增材制造发展现状以及在微观组织演化方面研究的不足,揭示了微观组织演化研究的重要性和迫切性。针对相场法的基本原理和优势,着重分析相场法应用于金属增材制造中的模型选取、非材料物性参数的确定等问题及解决方法,从相场数值模拟的角度来探讨工艺参数对微观组织的影响。文章最后指出利用相场法模拟金属增材制造过程中微观组织演化符合未来的发展趋势。     

铜及其合金表面涂层技术与增材制造技术研究进展

铜及其合金具有优良的耐腐蚀、导电导热性能及机械加工性能,广泛应用于电气、轻工、机械制造等领域.随着生产条件的不断优化,为同时满足不同的应用需求,人们期望获得综合性能更加优良或某一性能特别突出的零部件,但传统制造加工方法工艺复杂,且生产过程中材料利用率较低,存在很大的局限性.为实现零件表面合金化,改善零件表面性能缺陷,表面涂层技术被开发并广泛应用;为实现复杂结构零件的成形,人们开发了增材制造技术.铜合金增材制造技术通过逐层累积的方法,可以高效快速地制造出各类精密零部件,不仅使合金材料利用率高,还能够满足各种结构复杂零部件的成形需求,是当下铜合金应用的研究热点.近年来,国内外研究人员利用铜合金涂层改善零件表面性能的主要技术有沉积、热喷涂、冷喷涂等,对铜合金增材制造技术的研究主要集中在激光增材制造技术,从工艺优化到组织性能分析,都对未来的研究提供了很大的理论依据,但对电子束增材、电弧增材等其他增材制造技术的关注比较少,对于铜合金增材制造过程中成分均匀化的热处理工艺及增材后具备优良的导电、导热、致密度等问题有待进一步研究.本文归纳了铜合金表面涂层以及增材制造技术的工艺原理及研究现状,通过对比各类不同增材制造方法,分析了各增材制造技术工艺参数对成形件微观组织及力学性能的影响,对各技术所获得成形件的优缺点进行总结,并对未来铜合金增材制造重点关注方向进行展望,为制备性能更优良的铜合金成形件以及工艺应用奠定了基础.     

精铸型壳的增材制造技术研究进展

增材制造技术用于精密铸造领域,可以满足市场对精密铸件的短周期、个性化、多样化、柔性制造的需求.增材制造技术可以制作树脂模型代替蜡模进行精密铸造,但更高效的方法是用增材制造技术直接制备精铸型壳.目前可用于制备精铸型壳的增材制造技术主要有三维打印法(3DP)、选择性激光烧结法(SLS)、光固化成形法(SLA)以及浆料挤出法...     

Experimental investigations for improving part strength in selective laser sintering

Selective laser sintering (SLS) is a powder-based rapid prototyping process in which parts are built by sintering of selected areas of layers of powder using laser. Nowadays, SLS is emerging as a rapid manufacturing technique, which produces functional parts in small batches, particularly in aerospace application and rapid tooling. Therefore, SLS prototypes should have sufficient strength to satisfy functional requirements. Apart from the energy density which is the combination of laser power, beam speed and hatch spacing, various other parameters like refresh rate, layer thickness and hatch pattern influence part strength. In the present work, relationship between strength and the various process parameters namely layer thickness, refresh rate, part bed temperature and hatch pattern have been investigated. Experiments are conducted based on Taguchi method using L₁₆ modified orthogonal array. Tensile specimens of polyamide (PA2200) material as per the standard ‘ASTM D638’ are fabricated on SLS machine with constant energy density and tested on a universal testing machine for tensile strength. Optimum strength conditions are obtained by maximising signal to noise (S/N) ratio and analysis of variance (ANOVA) is used to understand the significance of process variables affecting part strength. A regression model to predict part strength has been developed. Confirmation test conducted subsequently has revealed that the results are within the confidence interval.     

A review on powder-based additive manufacturing for tissue engineering: selective laser sintering and inkjet 3D printing

Since most starting materials for tissue engineering are in powder form, using powder-based additive manufacturing methods is attractive and practical. The principal point of employing additive manufacturing (AM) systems is to fabricate parts with arbitrary geometrical complexity with relatively minimal tooling cost and time. Selective laser sintering (SLS) and inkjet 3D printing (3DP) are two powerful and versatile AM techniques which are applicable to powder-based material systems. Hence, the latest state of knowledge available on the use of AM powder-based techniques in tissue engineering and their effect on mechanical and biological properties of fabricated tissues and scaffolds must be updated. Determining the effective setup of parameters, developing improved biocompatible/bioactive materials, and improving the mechanical/biological properties of laser sintered and 3D printed tissues are the three main concerns which have been investigated in this article.     

基于搅拌摩擦的金属固相增材制造研究进展EI北大核心CSCD

基于搅拌摩擦的固相增材制造是大型轻质合金构件成形制造的新技术,已成为国内外先进成形制造领域研究的热点之一。本文对目前国内外基于搅拌摩擦的金属固相增材制造技术及其相关工艺机理的研究现状进行了分析和总结。常见的基于搅拌摩擦的固相增材制造技术可分为三类:基于搅拌摩擦搭接焊原理,使板材逐层堆积,从而获得增材构件的搅拌摩擦增材制造(friction stir additive manufacturing,FSAM)技术;采用中空搅拌头,通过添加剂(粉末或丝材)进行固相搅拌摩擦沉积的增材制造(additive friction stir deposition,AFSD)技术;采用消耗型棒材,通过棒材的摩擦表面处理,形成增材层的摩擦表面沉积增材制造(friction surfacing deposition additive manufacturing,FSD-AM)技术。重点分析了金属材料基于搅拌摩擦的固相增材制造技术的国内外研究与应用现状,对比了三类基于搅拌摩擦的固相增材制造技术的特征及其工艺优缺点。最后指出增材工艺机理、形性协同控制、外场辅助工艺改型、新材料应用和人工智能优化是基于搅拌摩擦的固相增材制造技术未来研究的重点方向。     

应用成组技术实现制造敏捷化、分散化、网络化

本文分析了敏捷化、分散化、网络化制造与应用成组技术之间的关系，提出了应用成组技术实现敏捷化、分散化、网络化制造的方法，探讨了我国制造企业基于成组技术的敏捷生产组织构建方法以及敏捷制造单元的成组与重构技术，为我国中小企业特别是离散型制造企业实现敏捷化、分散化、网络化制造作了有益探索。     

Development of Bioimplants with 2D, 3D,and 4D Additive Manufacturing Materials

Over the past 30 years, additive manufacturing (AM) has developed rapidly and has demonstrated great potential in biomedical applications. AM is a materials-oriented manufacturing technology, since the solidification mechanism, architecture resolution, post-treatment process, and functional application are based on the materials to be printed. However, 3D printable materials are still quite limited for the fabrication of bioimplants. In this work, 2D/3D AM materials for bioimplants are reviewed. Furthermore, inspired by Tai Chi, a simple yet novel soft/rigid hybrid 4D AM concept is advanced to develop complex and dynamic biological structures in the human body based on 4D printing hybrid ceramic precursor/ceramic materials that were previously developed by our group. With the development of multi-material printing technology, the development of bioimplants and soft/rigid hybrid biological structures with 2D/3D/4D AM materials can be anticipated.     

A review on powder-based additive manufacturing for tissue engineering: selective laser sintering and inkjet 3D printing

Abstract

Since most starting materials for tissue engineering are in powder form, using powder-based additive manufacturing methods is attractive and practical. The principal point of employing additive manufacturing (AM) systems is to fabricate parts with arbitrary geometrical complexity with relatively minimal tooling cost and time. Selective laser sintering (SLS) and inkjet 3D printing (3DP) are two powerful and versatile AM techniques which are applicable to powder-based material systems. Hence, the latest state of knowledge available on the use of AM powder-based techniques in tissue engineering and their effect on mechanical and biological properties of fabricated tissues and scaffolds must be updated. Determining the effective setup of parameters, developing improved biocompatible/bioactive materials, and improving the mechanical/biological properties of laser sintered and 3D printed tissues are the three main concerns which have been investigated in this article.     

A tensor-based hierarchical process monitoring approach for anomaly detection in additive manufacturing

Additive manufacturing (AM) is a technology that enables the creation of complex shapes with advanced structural and functional properties. It has transformed the traditional manufacturing operations into a more flexible and efficient process, reshaping the whole value chain and allowing new levels of product customization. AM is a layer-by-layer manufacturing process, in which materials are deposited in each layer to create the object of interest. Due to the layer-wise nature of the process, anomalies and defects might occur within each layer, across several layers or throughout the whole sample. An accurate and responsive detection strategy that enables the detection of various types of anomalies is essential for ensuring the quality and integrity of the manufactured product. In this paper, a hierarchical in situ process monitoring approach, namely, a three level monitoring strategy, is proposed to detect local, layer-wise, and sample-wise anomalies using thermal videos acquired during the manufacturing process. The proposed approach integrates hierarchical low-rank tensor decomposition methods with statistical monitoring techniques to effectively detect anomalies at different levels, namely, the within-layer level, the layer level, and the sample level. Simulations are used to evaluate the performance of the method and compare with existing benchmarks. The proposed approach is also applied to thermal videos acquired during the laser powder bed fusion (L-PBF) process to illustrate its effectiveness in practice.     

激光选区烧结高分子纳米复合材料研究进展

激光选区烧结(SLS)是一种增材制造技术,它利用激光逐层烧结粉末并叠加的原理来成形复杂制件,具有材料广泛,无需支撑以及成形精度高等优点。然而,其成形过程中无外力驱动的特点,造成制件中不可避免地存在一定孔隙,使制件性能通常低于传统模塑件。因此,国内外学者提出利用各种纳米填料来增强SLS制件的性能,并取得了良好的效果,已成为本领域研究热点。文中重点介绍了各种用于SLS技术的高分子纳米复合材料,对其研究现状进行综述,并提出今后该领域的发展方向。