基于RP的快速精密铸造工艺的研究

研究了用立体光刻快速原形作为模的精密铸造的型壳制造工艺。结果表明,用石英粉100、三聚磷酸钠3、锂基膨润土2、PVB溶液7、微量的JFC和适量的甲醇,充分搅拌,制得耐火浆料。在模的表面浸涂耐火浆料并撒石英砂数次,直至结成5~10 mm厚的型壳。在35℃烘箱内烘干8~10 h,300℃装炉,以300℃/h升温到950℃,保温30 min,即得浇注所需型壳。将石英粉换为其它耐火粉料并对配比略加调整,即可制得其它耐火粉料的型壳,用于其它合金的铸造。     

基于SLM的股骨柄多孔结构设计与力学性能分析

为了减轻传统股骨柄与股骨之间弹性模量相差较大而造成的应力遮挡效应,采用激光选区熔化(SLM)技术制备了基于三周期极小曲面(TPMS)的多孔结构,研究了孔隙率为55%～75%的P、G、D三种TPMS结构的力学性能,并通过有限元分析评估了不同孔隙率的P结构股骨柄在植入股骨后的应力遮挡程度。压缩试验结果表明:在适合骨细胞生长的孔隙率范围内,TPMS结构的屈服强度均大于股骨的屈服强度,满足股骨柄设计的强度要求,并且TPMS结构的力学性能随孔隙率的升高而降低,其中P结构降低的幅度最大。有限元分析结果表明,在股骨柄中引入P结构后能够有效缓解应力遮挡效应,有利于提高股骨柄的稳定性和使用寿命。     

GelMA复合凝胶的挤出式3D打印工艺及其性能研究

甲基丙烯酸酐明胶(Methacrylatedgelatin,Gel MA)是具有光敏官能团的改性明胶,有良好的生物相容性,广泛用于构建皮肤、神经等软组织支架。然而,光照交联单一成分的GelMA,其力学性能和结构维持性较差,难以通过挤出3D打印成形生物支架。提出一种适用于挤出式打印且力学性能增强的GelMA复合凝胶,其主要成分为GelMA、明胶和海藻酸钠。黏度测试试验筛选出适合挤出3D打印的复合材料配比,3D打印工艺试验研究和分析了打印气压、喷头移动速度、喷头高度、光照条件对挤出连续性和微丝直径的影响。当喷头内径为200μm时,GelMA复合凝胶实现顺畅出丝(φ293～1211μm)的条件为气压在0.05～0.25 MPa,打印速度为1～15 mm/s,喷头高度为200～600μm,光照强度为70～272.56 mW/cm²。拉伸试验表明光照交联后,复合凝胶较之同浓度Gel MA(5%,w/v)的弹性模量提高近1倍,伸长率保持一致。细胞培养试验显示GelMA复合凝胶具有良好的生物相容性,包埋在其内部的人真皮成纤维细胞培养至第7天时存活率达85%。     

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−0.335 mm降低至−0.136 mm,前缘偏差由−0.246 mm降低至−0.111 mm,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。     

刀切型纸层叠快速原型系统切割机理研究

采用具有自适应转向能力的刀具取代激光切割,实现一种经济型快速原型制造系统。介绍了刀具结构,采用曳物线模型分析了刀尖运动及其轨迹的形状误差机理,提出消除误差的逐接点修正方法。在已开发的试验机上制作切割样件研究割缝形态尺寸,回归分析表明在正常切割深度范围内因割缝造成的尺寸误差不超过0.003 mm。实际制作显示用这种刀具实现纸的层叠快速原型制造系统具有实用价值。     

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。     

金属颗粒冷态高速微喷射增材制造工艺研究

针对金属零件三维自由直接成形工艺中普遍存在的高能耗、高热残余应力等问题,提出了金属颗粒冷态高速微喷射增材制造新工艺。以常温下的高压氮气作为加速气流,利用微喷枪将微米级的金属粒子加速至其临界速度以上形成沉积。针对高速微喷射增材制造平台搭建、具有高加速性能与高分辨率的微喷枪设计展开了研究,并在此基础上,进行了单点成形与单线成形的试验研究,通过最小特征尺寸的大小与稳定度分析新工艺成形精度与成形质量,通过微观结构与显微硬度分析新工艺成形件的基本力学性能。试验结果表明:在一定范围内,通过喷射压力的变化可以实现单点成形尺寸的线性可控,通过喷射压力与导轨移动速度可以实现直线成形线宽与层厚的线性可控;试验中的0.9 mm的最窄线宽与低于8%的线宽波动量保证了该工艺一定的加工精度与成形质量;致密的微观组织结构与较高的显微硬度值保证了该工艺成形件良好的力学性能;多层扫描时层与层之间致密结合保证了该工艺逐层累加制造的能力。研究表明,金属颗粒冷态高速微喷射是一种稳定可控,可行的增材制造新工艺。     

基于CAD和SL的人工骨微管支架的制备研究

研究一种基于光固化快速成形技术的人工骨支架制备方法。设计空间结构的人工骨支架负型,利用立体光固化快速成形系统制造人工骨支架负型树脂原型,在人工骨支架负型树脂原型中填充β-磷酸三钙,通过热分解的方法去除SL原型,获得生物活性人工骨支架。研究了烧结与去除原型的方法,测得人工骨支架表面粗糙度分别是Ra=3.69,有利于细胞的黏附。进行体外细胞培养研究,发现成骨细胞能够在这人工骨支架上黏附生长,并向微管内生长,具有良好的生物学特性。     

人工生物活性骨骼的快速制造方法研究

从人造骨骼整体制造的角度出发,将骨骼结构、材料合成、生物活性等因素综合考虑,提出了基于分层制造的人造骨生物活性复合成形的设想①定制的骨骼的外形与微观组织的CAD建模;②快速加工具有骨骼的内外结构的托架;③复合上生物因子和细胞;注入自凝固羟基磷灰石。从制造工艺上将宏观和微观CAD与成形、材料合成、骨生长因子复合3个过程集成化,以满足骨骼成形的个体适配、快速、生物降解等要求。     

[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。