增材制造金属点阵多孔材料研究进展

金属点阵多孔材料是一种具有复杂周期性结构的先进轻质多功能材料,由于其优异的比强度、吸声、降噪以及超材料等特性,近年来备受关注.而传统的制备工艺仅可以制造类点阵结构,难以生产复杂、精细的点阵结构,成为金属点阵多孔材料进一步应用的掣肘.近年来快速发展的增材制造(Additive manufacturing,AM)技术具有设计与制造自由度大、快速制造任意复杂几何形状零件的特点,可对金属点阵多孔材料进行微观、界观和宏观尺度晶格的多种组合进行调控,是金属点阵多孔材料制备技术的前沿.然而,增材制造金属点阵多孔材料存在残余应力大、表面粗糙度高以及局部应力集中等问题,导致其压缩脆性以及疲劳强度较低.因此,除了研究增材制造工艺参数对点阵结构性能的影响外,研究者们主要从拓扑优化以及后处理方面不断进行尝试,并获得了丰硕的成果.结合拓扑优化设计,可使得应力分布更均匀,更好地服役于不同的加载环境;梯度点阵结构的压缩强度以及能量吸收是均匀点阵结构的两倍以上;通过热处理以及化学蚀刻可以降低点阵结构的残余应力和表面粗糙度,大幅提高其点阵结构的疲劳强度.通过控制单胞结构的分级孔隙度分布、合适的后处理,有望同时实现高孔隙率、高疲劳强度和高能量吸收.本文首先陈述了增材制造金属点阵多孔材料的优势和成形准则,随后介绍了单胞形状、单胞尺寸、支柱直径、体积孔隙率等因素对点阵结构尺寸精度和表面粗糙度的影响,并归纳了这些因素对点阵结构的屈服强度、能量吸收率和疲劳强度等性能的影响.此外,总结了点阵结构的拓扑优化和后处理对其性能的影响,最后介绍了增材制造金属点阵结构存在的掣肘,并展望了其未来的研究趋势.     

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.     

金属材料增材制造及其在民用航空领域的应用研究现状

金属增材制造技术以逐层快速熔/凝、堆积金属或合金材料为基本原理,以"添加"制造的方式成形任意形状零件,具有成形效率高、材料利用率高、成本低、复杂异形结构和高熔点材料的成形能力强等优点,在民用航空构件的减重、快速构型更改、集成化制造等方面具有传统工艺无法比拟的技术优势.面向增材制造技术的金属原材料和成形工艺丰富多样,为制备不同尺寸、不同形状、不同使用环境要求的构件提供了更多的选择,为减重、增效、成本控制提供了新的路径.因此,国内外均在积极制订相关重大战略规划以抢占增材制造创新技术先机、推进制造业的转型升级.全球制造商和高校等机构开展了大量增材制造原材料、工艺、性能方面的应用研究,其中以民用航空尖端制造业的应用研究最为典型.与其他领域不同,增材制造金属构件在民机上的装机应用需要经历严格的适航验证程序,形成标准规范技术体系,实现制造过程和产品质量的稳定可控,最终才能装机使用.本文介绍了金属增材制造的国内外政策概况、原材料与成形工艺分类、无损检测类型、民用飞机的应用研究情况,指出了针对金属增材制造在民用航空领域扩大应用的研究和发展趋势.     

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.     

搅拌摩擦沉积增材技术研究进展EI北大核心

搅拌摩擦沉积增材(additive friction stir deposition,AFSD)技术是一种新兴固相增材制造技术,采用金属棒材、粉材、丝材为增材材料,增材过程中依靠增材材料与板材摩擦产生摩擦热以及材料剧烈变形产生的塑性变形热形成黏塑性沉积层,沉积层逐层堆积形成三维实体结构件;基于其固相特征,具有熔覆增材技术不可比拟的优势,目前已成为增材制造领域的研究热点。本文从设备研制、微观组织演变、材料流动特性、力学性能变化四个方面综述了AFSD技术最新国内外研究进展;分析了该技术应用于工程实际的可行性,展望了在增材制造、材料修复、零件加固、制造金属涂层领域的应用前景;最后指出了产热机制、材料流动特性、辅助优化工艺、智能化设备研制等为未来的研究方向。     

3D生物打印技术的发展与展望

<正>3D生物打印技术(3D bioprinting)是3D打印技术(即增材制造)的重要分支,是指按照增材制造原理,实现生物材料和"生物墨水"受控累积组装,从而制造医疗器械或辅助器具、组织工程支架、组织器官甚至生命体等的快速成型技术。30年来随着技术的进步与成熟,在生物医疗领域成功打印了包括体外模型、手术导板、骨/软骨、牙齿、气管、血管、眼球、汗腺、甚至肝肾心脏单元等,较好     

增材制造金属材料在医学生物学的研究新进展

增材制造(Additive manufacturing, AM)又称3D打印,它是将计算机辅助设计、材料加工和成型技术相融合,并以数字模型文件为基础,通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料,按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的一种制造技术。自其问世以来,人们在了解增材制造工艺及其所制备的金属试样结构和性能方面取得了重大进展。这一领域迅速的发展让科研人员对于金属增材制造的理解日益深入,本文旨在重点介绍钛及钛合金、钽及钽合金、镁合金和铁及铁合金金属增材制造材料在医学生物学方面的应用及研究新进展,阐述其在打印工艺及机理、表面改性处理及临床示范应用等方面的研究现状,并对其应用研究前景进行展望。     

钛合金增材制造技术的分析和未来趋势

增材制造技术是一种新兴的加工制造技术,实现了数字化技术、激光技术、机械加工技术和材料科学技术的完美结合,增材制造技术的出现对传统机械制造行业产生了巨大影响。金属增材制造技术在金属零件制作方面取得了重大进展,一些紧密机械零件多采用增材制造技术制造,增材制造技术优势使其成为了金属材料制造技术的研究热点。本文以增材制造技术的原理、分类和技术优势为出发点,重点分析了钛合金增材制造技术的研究和应用现状,并对钛合金增材制造技术的发展前景进行展望,以期为钛合金增材制造技术的应用和发展提供参考。     

无机-有机复合组织器官工程材料的微纳制造

无机-有机复合组织器官工程支架的微纳制造是近年来兴起的生物材料研究领域,相对传统的生物材料与组织工程材料制造技术,微纳制造整合了微纳米技术、计算机辅助设计、数字化制造等先进技术手段,为新型生物医用材料的开发以及生物材料制造新技术、新设备的研发提供了新的技术路线.综述了生物医用材料、特别是组织器官工程与组织修复材料微纳制造技术现状及发展趋势,主要内容包括生物材料的微纳米化及实现途径、组织器官工程支架材料的数字化设计、组织器官工程支架材料的数字化制造新技术等,对我国组织器官工程(修复)材料数字化微纳制造新技术的优先发展领域提出了展望.     

直写成型制备多孔陶瓷技术研究进展

多孔陶瓷具有耐高温、可控孔结构、高孔隙率、化学稳定性和生物惰性等特点，是应用于支柱、生物、催化和电气等领域的理想材料。传统多孔陶瓷的制造方法主要有颗粒堆积、添加造孔剂、发泡、溶胶-凝胶等。近年来，随着增材制造技术的发展，直写成型技术因其简单的设备构造和良好的浆料兼容性，被广泛应用于制造复杂结构和图案的多孔陶瓷。本文综述了直写成型多孔陶瓷的技术方法及其在各领域的应用，详细分析了直写成型技术制备多孔陶瓷材料的优劣势，提出了直写成型制备多孔陶瓷所面临的挑战，并对直写成型制备多孔陶瓷技术发展趋势进行了展望。     

生物医用多孔钛及钛合金激光快速成形研究进展

多孔钛及钛合金具有良好的生物相容性和与人骨更匹配的力学性能,是人体理想的替代材料,因此其制备技术及相关性能研究引起了广泛关注。激光快速成形是一项先进的制造技术,在制备生物多孔金属材料时具有独特的优势。介绍了激光快速成形的工作原理和技术特征,根据成形工艺特点简要回顾了4种代表性激光快速成形技术(选择性激光烧结、选择性激光熔化、激光近净成形和激光立体成形)的国内外发展现状,并重点论述了这几种技术在制备生物医用多孔钛及钛合金方面的最新研究进展,最后指出了今后在该领域的主要研究工作。     

光固化生物陶瓷功能化研究进展EI北大核心CSCD

光固化制备陶瓷成为近年来快速发展的增材制造技术之一。生物陶瓷材料凭借良好的细胞相容性,在组织工程领域具有广阔前景,然而单一的生物陶瓷材料难以兼顾力学性能与生物相容性,其应用与推广受到极大限制。本文综述了适用于光固化的生物陶瓷材料改性及设计方法,重点讨论了材料改性、表面改性、结构设计以及微结构调控对于骨传导、骨诱导、抗菌、促进血管生成等生物性能及基础力学性能的综合影响,并指出通过改性及调控方法的组合探究多功能的实现及相互影响机理,能够充分实现光固化生物陶瓷的功能,推动其深层次应用。     

聚氨酯表面性能对其生物相容性的影响

特殊的微相分离结构,赋予聚氨酯弹性体良好的稳定性、优异的力学性能以及较好的生物相容性,已被广泛应用于生物医学领域.但其生物相容性仍不够理想.由于材料的生物相容性与材料表面的性质密切相关,对材料表面进行改性成为改善相容性的重要方法和途径,其研究受到广泛关注.对聚氨酯进行改性的诸多方法中,在材料表面进行化学接枝生物活性物质以提高生物相容性的方法是目前研究的热点.本文在对聚氨酯进行改性以提高其生物相容性的各种方法和途径进行评述的基础上,对聚氨酯表面结构性能与生物相容性的关系进行讨论,并重点对该研究领域的最新进展进行总结.     

金属玻璃微制造技术现状与研究进展

金属玻璃,又称非晶态合金,因具有长程无序、短程有序的独特组织结构而拥有超常的综合性能,是制造微纳器件的理想材料之一,然而,其易过热变性且禀性钝惰硬脆,是一种典型难加工的材料之一。在分析金属玻璃组织结构特点和力学性能的基础上,按等材、减材和增材3种成形方式对金属玻璃的微制造方法与技术进行了综述。介绍各自的加工与成形原理、工艺特点、技术优势、基础应用和发展现状,分析了它们的不足与发展趋势。目前,等材成形是主流的微成形加工方法,是基于非晶材料内在特性的一种成形方式。减材与增材成形加工现阶段仍处于探索之中,工程应用案例较少,有一定的发展潜力。最后展望了金属玻璃微纳制造领域的未来发展方向与研究重点。     

Recent progress in porous TiNb-based alloys for biomedical implant applications

ABSTRACT

Porous TiNb-based alloys have attracted considerable attention in the medical field of orthopedic applications because of excellent biocompatibility, porous architecture, appropriate mechanical property, etc. The literature reviews the current progress of fabrication methods, porous structure, mechanical properties, corrosion resistance, bioactive hydroxyapatite surface modification, in vitro and in vivo biocompatibility of porous TiNb-based alloy. Moreover, future research directions are pointed out to expand its possible biomedical applications.     

State of the art of bioimplants manufacturing: part II

The manufacturing of bioimplants not only involves selecting proper biomaterials with satisfactory bulk physicochemical properties, but also requires special treatments on surface chemistry or topography to direct a desired host response. The lifespan of a bioimplant is also critically restricted by its surface properties. Therefore, developing proper surface treatment technologies has become one of the research focuses in biomedical engineering. This paper covers the recent progress of surface treatment of bioimplants from the aspects of coating and topography modification. Pros and cons of various technologies are discussed with the aim of providing the most suitable method to be applied for different biomedical products. Relevant techniques to evaluate wear, corrosion and other surface properties are also reviewed.The full text can be downloaded at https://link.springer.com/article/10.1007/s40436-018-0218-9     

The potential of Zr-based bulk metallic glasses as biomaterials

Zr-based bulk metallic glasses (BMGs) are a new type of metallic materials with disordered atomic structure that exhibit high strength and high elastic strain, relatively low Young’s modulus, and excellent corrosion resistance and biocompatibility. The combination of these unique properties makes the Zr-based BMGs very promising for biomaterials applications. In this review article, the authors give an overview of the recent progress in the study of biocompatibility of Zr-based BMGs, especially the relevant work that has been done in the metallic glasses group in Huazhong University of Science and Technology (HUST), including the development of Ni-free Zr-based BMGs, the mechanical and wear properties, the bio-corrosion resistance, the in vitro and in vivo biocompatibility and the bioactive surface modification of these newly developed BMGs.     

新型生物医用金属材料的研究和进展

在概述医用金属材料目前的研究现状、性能和应用的基础上，指出了医用金属材料应用中目前存在的主要问题，阐述了近些年生物医用金属材料的新进展，并对今后的发展提出了自己的观点。     

多孔金属材料的化学制备方法及性能研究进展

为优化多孔金属材料的制备方法,深入认识性能并扩大其应用,本文综述了多孔金属材料的化学制备方法、性能及应用。制备方法主要从电沉积法、脱合金法、固体烧结法、液态凝固法等方面阐述,并围绕多孔金属材料所具有的吸声、过滤分离、导电导热及催化等性能,介绍了其在汽车工业、航空航天工业及生物医学方面的应用。文章最后简述了多孔金属材料逐渐向复合化、梯度化、孔结构多样化发展的未来趋势。     

Ti based biomaterials,the ultimate choice for orthopaedic implants – A review

The field of biomaterials has become a vital area, as these materials can enhance the quality and longevity of human life and the science and technology associated with this field has now led to multi-million dollar business. The paper focuses its attention mainly on titanium-based alloys, even though there exists biomaterials made up of ceramics, polymers and composite materials. The paper discusses the biomechanical compatibility of many metallic materials and it brings out the overall superiority of Ti based alloys, even though it is costlier. As it is well known that a good biomaterial should possess the fundamental properties such as better mechanical and biological compatibility and enhanced wear and corrosion resistance in biological environment, the paper discusses the influence of alloy chemistry, thermomechanical processing and surface condition on these properties. In addition, this paper also discusses in detail the various surface modification techniques to achieve superior biocompatibility, higher wear and corrosion resistance. Overall, an attempt has been made to bring out the current scenario of Ti based materials for biomedical applications.