增材制造（3D打印）分类及研究进展

增材制造(3D打印)近年来被国内外广泛研究和应用,但是目前尚无关于增材制造的系统、清晰和准确的分类。根据文献调研和现场调研,将增材制造技术分别按照制造材料种类、形态、热源、工艺组合等方法来进行划分,即增材制造技术可分为四大类16个小类,并且分别介绍各类增材制造技术原理、特点及其研究应用现状。最后指出目前增材制造材料单一与效率低等不足及向多元化、高效化、稳定化和包容化等发展的趋势。     

增材制造——面向航空航天制造的变革性技术

增材制造技术在航空航天应用方面具有单件小批量的复杂结构快速制造优势,未来将向着设计、材料和成形一体化方向发展。分析了增材制造在航空航天领域应用发展的3个层面,以航空发动机涡轮叶片增材制造、高性能聚醚醚酮（PEEK）及其复合材料、连续纤维增强树脂复合材料及太空3D打印为主题,介绍了增材制造技术国内外以及西安交通大学的研究状况。涡轮叶片应用增材制造工艺可以有效提高效率降低成本,未来向高性能的高温合金和陶瓷基复合材料增材制造技术发展。高性能轻质聚合物PEEK及其复合材料增材制造在高力学性能结构件、吸波功能件的成形中得到应用,将改变现有的设计与材料,推动结构与功能一体化发展。连续纤维复合材料增材制造将带动无模具纤维复合材料成形的新发展,在太空3D打印将改变未来航空航天制造模式。增材制造技术将给航空航天制造技术带来变革性发展。     

3D打印技术与传统加工技术对比的优缺点

随着计算机技术的飞速发展，3D打印（增材制造/快速成形）技术基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方法，直接将数字化模型制造为实体零件，在多个领域具有广泛的应用前景。3D打印技术与传统加工各有千秋，3D打印与数控加工、铸锻造及模具制造等传统加工手段相结合，正在成为新产品快速成形与制造的方法之一。在民机制造领域，3D打印生产的零件，尤其是金属成形件，需要进一步的后处理（如热处理）才能投入生产使用。对于特定金属材料的3D打印成形零件，形状可以优化控制，并且结构静力性能可与铸锻件媲美。但是，由于无损检测能力的限制，3D打印零件内部孔隙度和微裂纹不可预测。对3D成形件的认识程度相比于传统加工还有较大差距，在民机应用中还有较长的路需要走。     

高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印

3D打印技术是一种逐层成形的增材制造技术,而纤维增强树脂基复合材料是一种力学性能优异的先进结构材料,结合3D打印的工艺先进性和纤维的材料性能优势,提出新型的纤维增强树脂基复合材料3D打印工艺,为进一步促进两者共同发展与应用提供了可能。综述并分析了纤维增强树脂基复合材料3D打印技术的研究现状与瓶颈,提出了一种连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印工艺,将3D打印丝材制备、3D打印预成型体、3D打印预成型体固化分隔成3个独立的模块,并根据不同模块设计搭建了不同的试验平台及设备,成功制备得到了连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印构件,还测试得出其(纤维含量为52%)拉伸强度及拉伸模量分别达到1325.14MPa和100.28GPa;弯曲强度及弯曲模量分别为1078.03MPa和80.01GPa;层间剪切强度为58.89MPa。大幅提高了纤维增强树脂基复合材料3D打印成型构件的力学性能。     

3D打印电磁功能结构研究现状与挑战

电磁功能结构（EFS）因其结构复杂性与种类多样性，导致传统制造工艺难以完全满足未来电磁功能结构的制造需求。为此，3D打印技术作为一种可适用于复杂镂空结构高精高效、低成本的先进数字化技术，受到了研究学者的广泛关注与探索。本文主要围绕3D打印电磁功能结构制造技术，开展了相关新技术、新材料、新结构以及新工艺等方面的系统性调研，总结了现有3D打印电磁功能结构研究面临的挑战。     

3D冷打印技术

<正>3D冷打印技术为复杂形状结构金属制品的生产制造提供新方法和新思路,将传统减材制造转换为增材制造,可以节约大量原材料,该技术不受形状限制,使更多异形金属制品的制造成为现实。     

连续纤维增强复合材料3D打印技术现状及展望

纤维增强复合材料因其轻量化、高强度和高设计自由度等优点一直备受航空、航天和汽车等领域的青睐。3D打印是实现连续纤维增强复合材料快速化、个性化和复杂化结构制备以及突破传统制造方法限制的有效途径之一。本文综述了连续纤维复合材料3D打印技术的基本原理、方法分类和研究进展,从成型的材料、工艺、性能和机理等方面进行综述,并对混杂连续纤维增强复材3D打印、多自由度3D打印及其路径规划提出了展望。     

航空部件的3D打印制造推进速度正在加快

正3D打印或增材制造技术自使用以来备受关注,并逐步应用于航空部件。目前,金属部件打印技术的步伐正在加快,霍尼韦尔公司已经开始采用3D打印技术制造APU金属部件,并且还在积极探索新部件的应用,其他未涉足零部件打印制造的航空企业也希望尽早进入该市场。飞机内饰聚合物零件采用3D打印或增材制造已有几十年的历史。但由金属制造的飞机零件通常被认为对飞机安全至关重要,而且金属本身性能独特,想利用3D打印     

4D打印技术的研究进展

4D打印是实现对智能材料的增材制造技术。本文基于复合材料、形状记忆聚合物、形状记忆合金等材料简要综述了4D打印智能材料的研究进展。目前复合材料的4D打印向着多材料精确复合、响应速度快、成形材料功能化等方向发展;4D打印形状记忆聚合物则朝着形态可控、实现特定动作等方向发展;4D打印形状记忆合金,目前向着相转变行为精确调控、变形可控等方向发展。由于目前4D打印形状记忆合金存在诸多未解决的问题,本文提出了获得近全致密4D打印形状记忆合金需考虑的因素;成形孔隙对其综合性能的影响;组织性能调控;变形控制;性能指标调节的冗余度问题;需要突破的科学问题等相关思考。总体而言,随着新型原材料、成形方法、控制软件和机器精度的不断发展,4D打印技术发展迅速,正逐步走向智能化、精确化和高效化。     

五轴连续纤维3D打印机及其数控系统开发

为了解决传统三轴连续纤维3D打印复杂轨迹精确成型困难的问题,设计搭建了五轴连续纤维3D打印机,该3D打印机具有5个联动轴(XYZBC)以及1个树脂螺杆挤出装置辅助轴.针对典型的3D打印控制方案存在可联动轴数少、可扩展性差、实时性差等问题,对全软件型开放式数控系统进行了研究,并将其应用于连续纤维增材制造领域.基于开源数控...     

3D打印铝合金液冷板性能研究

为验证3D打印技术在液冷板中应用的可行性,对3D打印液冷板和传统真空扩散焊接液冷板的环境与机械性能、散热与流阻性能进行了试验对比。结果表明:在相同的输入参数条件下,两种类型液冷板的性能均能满足要求,且3D打印液冷板的散热与流阻性能优于真空扩散焊焊接液冷板。3D打印技术可用于液冷板的制造,但需综合考虑产品技术要求、结构、成本等因素。     

高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印及其应用探索

纤维增强树脂基复合材料具有优异的力学性能,能够实现轻质、高性能结构的制造,但传统的成型工艺过程复杂、成本高,难以实现纤维回收利用,限制了纤维增强树脂基复合材料的广泛应用.3D打印技术是一种新兴的零件成形工艺,将3D打印技术应用于纤维增强树脂基复合材料的制造,为实现复合材料低成本、绿色制造提供了可能性.综述了纤维增强树脂基复合材料3D打印技术研究的发展现状,提出了一种高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺及其回收再制造策略.     

创新推动3D打印产业化——走进华曙高科高分子复杂结构增材制造国家工程实验室

2015年4月25日,国家发改委高分子复杂结构增材制造国家工程实验室建设启动仪式在长沙举行,这是增材制造(3D打印)领域全国首个国家级工程实验室,标志着长沙的3D打印技术水平在全国走在了前列,也预示着长沙将在全国范围内率先建立起国际领先的增材制造技术创新、成果转化与支撑服务平台。该实验室由湖南华曙高科技有限公司(以下简称华曙高科)牵头,与中国科学院计算技术研究所、上海交通大学、东莞劲胜精密组件股份有限公司、上海富奇凡机电科技有限公司共同组建。2016年9月21日,国家发改委正式公示了国家工程实验室名单,其中华曙高科承担的"高分子复杂结构增材制造国家工程实验室"入围名单。实验室为推动我国高分子复杂结构增材制造的技术研发和产业化发展提供支撑。     

可控变形复合材料结构4D打印

4D打印技术是一种采用3D打印工艺方法实现具有对外界刺激响应功能、可变形状或性能的智能结构增材制造技术。综述了4D打印技术的基本工艺方法,如形状记忆材料4D打印、仿生复合材料结构4D打印、外场驱动智能结构4D打印等;分析了现有4D打印技术在变形过程不连续、制备难度较大、难以实现变形过程可控等方面存在的问题;提出了连续纤维增强复合材料的4D打印策略,展示了任意可展曲面结构的设计与4D打印流程;分析了4D打印技术未来在航空航天、生物医疗及软体机器人等领域的潜在应用价值。     

基于光敏树脂分析的3D打印加速度传感器设计

MEMS加速度传感器所采用的硅微机械加工技术存在个性化定制、小批量生产成本方面的不足，而3D打印技术的优势就在于无需模具的自由化定制、一机多用实现低成本产品生产，3D打印的发展趋势就是实现微纳尺度结构的制造。在此背景下，采用光固化立体成型技术设计了一种3D打印压阻式加速度传感器结构。传感器基底使用耐高温光敏树脂制作，并采用丝网印刷工艺在基底表面印制导电碳浆形成应变计结构。为此，首先对耐高温光敏树脂的相关热学与机械性能进行分析。通过测试，得到该光敏树脂固化后的起始分解温度等热力学参数。其次，通过控制光敏树脂紫外光固化时间，取得了较好杨氏模量和弯曲强度的树脂，且为该加速度传感器的结构仿真优化与制作工艺提供了必需数据与重要依据。除此之外，还对所设计的碳浆应变计结构进行了测试，得到了有效灵敏系数。通过以上工作，为最终实现3D打印加速度传感器的制作做好铺垫，助力3D打印技术与MEMS传感器技术相融合。     

3D打印连续纤维增强复合材料研究现状综述

纤维增强复合材料因其优异的力学性能已被广泛应用于各工业领域,但由于传统制造工艺的限制,复合材料依然无法应用于一些具有复杂构型的结构。近年来,3D打印技术的快速发展有望实现复杂几何形状复合材料结构的有效制造,从而进一步拓展复合材料的应用范围。连续纤维增强复合材料3D打印技术的成熟应用对于中国高端装备的制造具有重要意义。从力学性能角度出发,对3D打印连续纤维增强复合材料的研究现状进行综述分析,重点分析了打印温度、打印层厚度、增强纤维类型、材料堆叠方式、纤维体积含量、打印扫描间距等工艺参数对复合材料力学性能的影响机制;讨论了3D打印复合材料在典型载荷下的力学性能及损伤演化规律,明确了影响/制约其力学性能的主要原因;介绍了3D打印复合材料的强度/刚度分析预测方法,并对研究发展趋势进行了总结和展望。     

仿生光响应形状记忆材料4D打印和形变特性研究

针对深空、深地、深海和极地等极端环境科学探索前沿,利用智能构件的材料–结构–功能一体化增材制造技术,即4D打印技术,以木材的多层网格状结构为生物模本,以聚乳酸为基体,聚己内酯为添加相,氧化石墨烯为光热转换剂,采用直写式3D打印工艺成功制备了具有光响应形状记忆特性的仿生智能材料,研究了该智能材料的响应方式、变形过程、力学强度、变形温度等。结果表明,其能对光与温度刺激做出响应,实现自主形状回复,形变温度降低至55℃左右。在近红外光刺激下,形状固定率高达96%,形状回复率为93%,形状回复时间最快可达9 s。最后演示了在仿生可展开结构和光控释放包裹物结构中的应用,分别实现了按需光驱动展开和可控顺序释放功能,为航空航天可变形结构精准选择、远程控制和快速响应问题的解决提供了一种有效的仿生学新思路和新方法。     

高性能树脂基复合材料轻质结构3D打印与性能研究

树脂基复合材料轻质结构具有轻质、高性能等优点,广泛应用于航天航空、高速列车和船舶等领域。通过对传统树脂基复合材料轻质结构制造工艺的综述分析,发现传统制造工艺具有过程复杂、周期长和生产成本高等缺陷,限制了树脂基复合材料轻质结构的发展。3D打印是一种先进的零件成形工艺,可实现复杂结构零件的快速制造,为高性能复合材料轻质结构的一体化制造提供了可能。介绍了树脂基复合材料轻质结构3D打印的研究进展,提出了基于连续纤维增强热塑性复合材料3D打印的高性能复合材料轻质结构的一体化制造工艺,并对其性能开展了初步研究。     

石墨烯超材料吸波结构3D打印

石墨烯增强树脂基复合材料密度低,具有优良的电磁波吸收性能,是极具应用前景的雷达隐身吸波材料,传统的石墨烯吸波复合材料制备工艺复杂,难以灵活制备复杂结构。超材料作为一种人工电磁介质,以材料自身电磁特性为基础,通过单胞结构设计,可实现高性能超材料微波吸收结构(MetaMaterial Absorber,MMA)的设计,利用3D打印技术复杂结构零件快速成型的优势,可实现树脂基MMA功能结构一体化制造。综述了石墨烯增强树脂基复合材料、3D打印超材料吸波性能的研究进展,提出一种基于木堆结构的3D打印石墨烯增强聚乳酸复合材料梯度超材料吸波结构,该结构在4.5～40GHz频段内,具有35.5GHz的超宽频带微波吸收性能(反射损耗低于–10dB)。     

3D打印技术对航空制造业发展的影响

对3D打印的技术体系和国内外产业发展现状、发展趋势、应用前景进行了综合分析,介绍了3D打印技术在国内外航空制造业的应用发展情况,对3D打印技术将给制造业带来的冲击进行了探讨,并对我国航空制造业如何应对3D打印技术带来的产业巨变提出了建议。