增材制造:印刷电子和3D打印技术

 增材制造作为智能制造的一部分已经被科研及工业界广泛关注。印刷电子和3D打印是两个典型的增材制造技术案例。在锁定增材制造的前提下,本文着重介绍了这两项技术的工艺发展历史和现状;通过对电子和光电器件的可印刷结构和性能的综述,引申出对增材制造工艺和功能性材料进一步优化的实际需求。这一生产工艺和材料系统的同时优化和创新将最大限度地发挥增材制造优势,从而促进应用市场的开发,加速中国制造2025的进程。     

增材制造（3D打印）技术的发展路径探索

发达国家在经历了金融危机、债务危机的泡沫后,意识到了以制造业为代表的实体经济的重要性。政府通过鼓励新技术研发,发动以“分布式能源、新材料、互联网技术、3D打印技术、机器人”为产业支柱的所谓的“第三次工业革命”,以期重新占据世界制造业新的制高点、实现制造业回归、增加就业。发展中国家在这一轮欧美国家寻求自我革新的过程中,如果不跟上世界潮流,则会面临新一轮的洗牌。     

面向增材制造的零件结构及工艺设计

从零件结构设计中的拓扑优化、介观结构、零件整合、流体管道及热交换器设计方面和工艺设计中层内轨迹、建造方向、多轴建造及曲面分层设计方面系统地论述了国内外面向增材制造的零件设计的研究进展,并在此基础上提出了AM零件一体化设计、多尺度下异构胞状结构设计、面向零件性能的工艺设计以及连续碳纤维增强复合材料工艺设计四个未来发展趋势。     

丝材3D打印2024/7055铝合金梯度结构组织与性能分析

大型高强度轻质铝合金整体结构件在航空航天装备结构中应用广泛。为充分发挥不同材料的性能优势,可将两种以上的铝合金材料通过增材制造技术整体成型,从而制造出兼顾功能与减重要求的整体梯度结构件。为此,提出了一种多丝材电弧增材制造铝合金梯度结构件的制备方法,实现了航空结构常用的2024/7055铝合金梯度结构的3D打印,并对梯度结构进行了宏/微观组织、气孔缺陷、过渡区元素含量以及力学性能等进行了全面的分析。研究结果表明：通过多丝材增材制造打印的2024/7055铝合金梯度结构连接良好、过渡区域连续;梯度区域两种材料的晶粒组成不同,2024铝合金由等轴晶粒组成,而7055由短柱状晶粒组成;气孔在空间分布中呈条状分布,并且两种合金Zn元素含量不同,导致力学性能差异较大;当材料组分占比为2024(25%)/7055(75%)时,力学性能最好,材料折损率最低。     

无损检测在增材制造技术中的应用研究进展

论述了增材制造的特点及增材制造技术在国内外的发展和应用情况;分析了增材制造成型工艺过程中形成缺陷的类型及特征,同时结合各类无损检测方法的应用特点,介绍了针对增材制造制件的超声检测、计算机断层扫描、涡流检测和红外相机测量等多种无损检测方法,以及它们在增材制造制件检测中的适用性和优缺点;提出了未来增材制造制件无损检测应向无损检测新技术的应用、在线检测方法和无损检测方法标准的建立和完善等方向发展。     

3D打印金属材料研究进展

3D打印技术是快速原型制造技术的一种,也被称为增材制造技术,被誉为"第三次工业革命"的核心技术,其中金属3D打印被认为是将来制造业的主导方向.金属粉末材料是金属打印的物质基础,同时也是3D打印技术发展的突破点.综述了3D打印金属粉体材料的研究现状,重点介绍了钛合金、铝合金、不锈钢、高温合金和镁合金等5种金属粉体材料在3D打印技术中的应用,并对金属粉体材料的运用进行总结和展望.     

3D打印技术及其应用进展研究

3D打印技术作为前沿、先导性的新兴技术,近年来得到了快速发展,应用领域不断增加.本文主要对3D打印技术在模具加工和机械制造、航空航天和国防军工、生物医疗、建筑工程、教育教学等领域的应用进展进行综述.     

氮化硅光固化增材制造工艺与性能的研究

通过设计浆料配方和设置打印参数,采用光固化增材制造（3D打印）的方法制备出氮化硅陶瓷样品。通过热重-差示扫描量热（TG-DSC）分析得到脱脂温度,确定了脱脂预烧结和高温陈化烧结工艺,得到了氮化硅陶瓷样品。试验结果：氮化硅陶瓷样品收缩率为水平方向65.1%,厚度方向80.0%;密度达到理论值的93.3%;抗拉强度为245.9~279.8 MPa,抗弯强度为308.5~333.2 MPa。平面方向收缩较大,可能引起了拉伸时的层状撕裂。     

增材制造医用多孔钛合金研究与应用现状

钛合金具有良好的力学性能和生物相容性,被认为是一种理想的植入体材料。但致密钛合金的弹性模量较高,在植入人体后与骨之间存在应力遮挡现象,易引发植入体松动。采用增材制造技术制备的多孔钛合金能够很好地解决这一问题。从多孔结构的设计方法与增材制造的原理入手,综述了增材制造多孔钛合金在力学性能方面的研究现状以及在生物医疗领域的研究与应用进展,并对其未来的发展趋势进行了展望,指出今后可在以下4方面对医用多孔钛合金展开深入研究：1）研发更先进的成型设备以提高多孔钛合金的成型质量与成型效率;2）对多孔结构进行仿生化设计,将高力学性能与高生物性能有机结合;3）通过对Gibson-Ashby模型进行修正,可获得更为准确的力学性能预测结果;4）开发新型钛合金材料以提高多孔钛合金的生物相容性。     

仿竹子结构八重桁架点阵结构设计与增材制造

针对航空航天、汽车工程等领域中对轻量化、高强度、高吸能构件的迫切需求,受启发于竹子的特殊宏微观空心结构,提出了空心八重桁架的高比强吸能点阵结构优化设计方法．空心八重桁架点阵结构由空心面心立方体和正八面体点阵结构组合而成,采用光固化技术分别成形3种点阵结构并利用准静态压缩试验测试其力学性能,结果表明：空心八重桁架点阵结构的弹性模量低于空心面心立方体和正八面体点阵结构之和,屈服强度、抗压强度和能量吸收值高于两者之和．当点阵结构的边长为8 mm时,空心八重桁架点阵结构的弹性模量低于空心面心立方体和正八面体点阵结构总和的4.76%,而屈服强度、抗压强度和能量吸收值分别高于空心面心立方体和正八面体点阵结构总和的12.80%,7.09%和51.68%．当空心八重桁架结构的边长从8 mm增加到20 mm时,弹性模量、屈服强度、抗压强度和能量吸收分别下降19.96%,24.73%,30.77%和33.69%.     

用于4D打印的记忆聚合物材料的研究进展

4D打印技术是结合了3D打印技术和智能材料的一种智能结构增材制造技术,形状记忆聚合物材料在4D打印领域中具有巨大的应用潜力.该文阐述了4D打印原理及常用的4D打印材料,基于4D打印材料的不同响应方式,列举相关典型期刊和专利对现有以形状记忆聚合物材料为原料的4D打印材料的技术发展动向进行论述,对4D打印聚合物材料发展面临的难点问题进行总结,并预测了该领域未来的发展方向.     

生物材料的3D打印研究进展

在生物医药领域,通过对生物材料或活细胞进行3D打印,可构建复杂生物三维结构如个性化植入体、可再生人工骨、体外细胞三维结构体、人工器官等,因而基于生物3D打印在个性化定制及复杂结构调控制造上的独特优势,综述了生物3D打印技术的基本工艺、应用领域与研究进展.重点针对3D打印生物材料这一研究热点,全面讨论了喷墨打印和注射挤出打印两种路径,分析总结了3D打印相关生物材料并应用于体外模型、医疗器械和植入体的制造以及可降解组织支架、细胞三维结构体的构建,最后对该技术未来发展趋势和研究重点提出展望.     

Smart Manufacture Process and Structure for Composite Materials

It is difficult to ensure the manufacturing process of composites for the reason that there are complicated processes during curing process of composites. The cure cycle has a significant effect on the quality of the finished part. The traditional cure cycle based on empirical approach could not ensure the quality of cured products because of unstabilized performance, high cost of production and low efficiency. As complex intelligent manufacturing systems are developed increasingly in industry, the necessity of more userfriendly operation system is becoming progressively importance for their utilization and market value. This paper introduces some of the recent technological advances in the intelligent manufacturing systems that will influence the design and development of relevant industry.     

振动控制中压电智能元件的制造技术

以梁的振动控制为背景,构造了一种智能元件,它们有预期欲控制的若干模态线性组合的几何形状,可传感多个振型输出并构成反馈输入,从而实现了对结构振动的主动控制.数值算例表明,它对结构的振动能形成有效的抑制,有较大的实用价值.     

三分叉节点的建模和3D打印制造一体化研究

具有光滑过渡的复杂分叉节点的建模和3D打印是该类节点实现先进设计和智能制造的关键,本文用SolidWorks的特征造型功能实现了具有光滑过渡外型的节点的建模,然后分别利用3D打印技术的FDM和SLM工艺将其打印成型.研究结果表明:基于SolidWorks和3D打印的建模制造一体化技术可以有效解决复杂节点采用传统的铸造工艺难以生产的问题,实现节点设计制造的智能化.     

膜材料与膜工艺的最新研究进展

介绍了国内外膜材料及膜工艺的进展,讨论了目前存在的主要问题,指出近期膜材料的发展不仅仅是新型材质的研发,材料表面性能研发也是一个新的研究方向,同时,膜工艺方面近年也出现了众多组合工艺,如活性碳、电渗析、反渗透等工艺与膜组件的组合工艺,大大提高了出水质量。     

面向3D打印的纤维混凝土材料的发展现状

3D打印建筑是以数据模型文件为基础,由打印机喷嘴将材料层层挤出,通过分层加工和叠加成型的方式实现建筑物打印建造,是目前最为热点的先进制造技术之一.水泥基复合材料被广泛应用于3D打印建造工程中,但其固有的高脆性是造成结构安全性差的主要原因之一.由于纤维的桥联作用可限制微观裂缝及宏观裂缝的发展,所以将纤维加入水泥基体,可大幅度提高水泥基复合材料的韧性.本文从材料配合比、可打印性、可建造性、使用性能和工程应用5个方面全面综述了面向3D打印的纤维混凝土材料的研究进展,探讨了3D打印纤维混凝土存在的问题和发展趋势.     

用于梯度分布材料 3D 打印实验设备的开发

传统工艺制作梯度材料十分困难, 为此, 设计开发了用于梯度分布材料的 3D 打印工艺与实验设备,包括梯度建模、 控制系统及打印机械装置。 基于图像灰度变化, 建立了材料成分梯度的建模方法。 基于运动控制器设计了包括 X、Y、Z 三维空间位置轴和 U、V、W 3 种材料挤出轴的 6 轴联动系统, 具有运动轨迹规划及连续插补等功能。 开发了控制系统软件和硬件, 实现了材料比例输送与三维运动协调控制。 采用活塞挤出、 动态混合及直线三维平台设计, 构建了 3D 打印机械装置。 使用开发的实验设备, 采用不同颜色材料进行了梯度分布打印试验, 验证了开发实验设备打印梯度分布材料的可行性。