面向增材制造的拓扑优化技术发展现状与未来

增材制造技术通过材料逐层打印制备结构,为复杂构件制造提供了新的成形方式。拓扑优化因不依赖于初始构型的选择,可设计出传统理念难以获得的创新构型,已成为航空航天和高端装备领域高性能、轻量化结构设计的重要手段。拓扑优化与增材制造有机融合,充分发挥各自优势和潜力,在现代制造业中展现出广阔应用前景。回顾了近年来关于增材制造与拓扑优化技术融合研究的主要内容和应用成果,包括以材料结构一体化为核心的多尺度/多层级结构优化设计、以设计制造一体化为核心的考虑增材制造工艺约束的优化方法等。同时,也分析了未来研究工作中存在的问题与挑战,如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料成形各向异性、功能梯度材料与结构、增材制造材料与结构疲劳特性等对设计方法和成形工艺带来的挑战,为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。     

面向增材制造的飞行器结构优化设计关键问题

围绕飞行器复杂结构整体构型研制的高性能、轻量化苛刻需求,着重介绍了面向增材制造的结构优化设计面临的系列关键问题以及相关研究成果。分别从面向增材制造的结构多承载环节整体优化建模与性能分析、整体结构多学科性能与功能综合设计方法、跨尺度结构-微结构性能表征与尺度效应的影响机理,以及增材制造工艺对整体结构件性能的影响机理和制造工艺约束4个方面,阐述如何从结构力学与工艺力学角度科学实现最优性能设计与先进增材制造技术的完美匹配与融合。     

复杂高筋薄壁构件旋压-增材复合制造技术发展与展望

复杂高筋薄壁构件在航天飞行器中被广泛应用，整体制造是实现这类构件轻量化的重要途径，也是当前制造领域最具有挑战的工程难题之一，其中旋压-增材复合制造代表了复杂高筋薄壁构件整体制造的前沿。近几年，本文作者研究团队在复杂航天薄壁筒段旋压-增材复合制造方向上开展了较为系统的研究工作。从内筋薄壁筒段旋压成形和等材-增材复合制造两个角度对国内外学者研究工作进行总结；同时，从内筋铝合金筒段旋压断裂机制与组织演变规律、筒壁内增材热力学行为与组织调控、旋压-增材复合制造工艺等方面介绍了当前初步研究成果，并对旋压-增材复合制造技术的发展进行了展望。比较全面地梳理了复杂高筋薄壁筒段复合制造技术现状和发展趋势，为复杂薄壁构件整体制造技术研究提供指导。     

铝合金增材制造的发展现状与展望北大核心CSCD

铝合金增材制造凭借着材料自身的轻量化优势以及增材制造工艺在材料利用率和复杂结构制造方面的特点,在航天领域结构件的制造方面受到了广泛关注。本文针对铝合金增材制造在航天领域的应用,通过电弧熔丝、激光选区熔化以及激光送粉三个代表性工艺分析铝合金增材制造技术的研究现状及现存问题,并简要阐述了目前铝合金增材制造技术在航天领域的应用现状和未来的发展方向。     

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。     

增材制造600℃高温钛合金研究进展

先进航空发动机高压压气机550～600℃环境使用的关键/重要件对600℃高温钛合金提出迫切需求。但是,难成形的复杂构件以及梯度/复合结构与功能一体化构件等的制造,采用传统铸造、锻造等工艺技术难以满足需求和研发要求。增材制造是先进制造技术的典型代表,拥有材料设计-制造一体化、复杂设计-定制一体化等独特优势,为600℃高温钛合金新材料/新技术研发提供了新的途径。目前国内外已开始关注通过增材制造的方式制备600℃高温钛合金,重点研究材料-工艺-组织-性能的关系。本文首先简要回顾600℃高温钛合金研究,其次重点介绍不同增材制造工艺下600℃高温钛合金沉积态和后处理态的微观组织特点;在综合性能研究方面,列举并分析拉伸性能、蠕变性能、热疲劳性能和抗氧化性能等关键性能;在复杂设计/复合结构章节,论述以600℃高温钛合金为基体的复合材料和梯度结构增材制造的研究进展。最后,对增材制造600℃高温钛合金材料开发、复合工艺探索、缺陷控制和性能评价标准建立等研究方向进行展望。     

增材制造技术在液体火箭发动机领域的最新进展及产业化推进

介绍了航天领域液体火箭发动机的工作环境与制造特点，分析增材制造技术原理与在其制造领域存在的优势，综述分析了国内外航天增材制造技术应用最新情况；结合液体火箭发动机工程应用实例，对增材制造工程应用发展所经历的替代传统工艺、集成制造、轻量化制造和系统集成设计四个阶段的工程应用与效果进行了系统分析；并指出目前航天液体动力增材制造技术工程化应用推进过程存在的问题及解决方案，提出了增材制造产业化的发展建议。     

高性能大型金属构件激光增材制造:若干材料基础问题

简要介绍了高性能大型金属构件激光增材制造的技术特点、国内外研究进展及技术发展面临的挑战,分析了大型金属构件激光增材制造的"高性能材料制备"与"复杂结构直接制造"有机融合、"控形/控性"一体化的独特特征。指出高性能大型关键金属构件激光增材制造技术的发展和工程应用,将在很大程度上取决于人们对激光增材制造过程中对激光/金属交互作用行为及能量吸收利用机制、内部冶金缺陷形成机制及力学行为、移动熔池约束快速凝固行为及构件晶粒形态演化规律、非稳态循环固态相变行为及显微组织形成规律、内应力演化规律及构件变形开裂预防方法等材料基础问题的深入研究。     

基于激光增材制造技术的航天运载器上面级舱体结构一体化设计与成形方法

为将激光增材制造(LAM)技术更加广泛的应用于航天运载器结构设计与成形,基于激光选区熔化(SLM)现有成形能力,实现了航天运载器上面级舱体结构一体化设计。具体建立无连接件的整舱一体化模型,成形缩比一体化舱体产品,并通过静力试验验证了基于激光增材制造技术的一体化设计与成形方法的可行性,从而对其在航空航天领域推广应用的技术途径进行探索。     

增材制造技术在航空装备深化应用中的研究

增材制造技术对飞机结构研制起到了重要作用,但其应用潜力尚未完全发挥.通过梳理增材制造技术在航空装备中的应用现状与特点,分析了增材制造技术在航空领域的应用发展趋势,并从结构设计、专用材料、制造工艺、性能验证4个方面对制约增材制造技术全面深化应用的关键因素进行了分析探讨.     

复合材料薄壁加筋结构优化设计与增材制造综述

复合材料薄壁加筋结构因具有轻质量、高强度、耐腐蚀、抗疲劳等优点,逐渐被用于航空航天、舰船邮轮、特种工程等高端装备制造。主要从薄壁加筋先进结构设计方法、复合材料增材制造工艺及复合材料薄壁加筋结构在航空航天领域的应用3个方面对当前研究进展和应用情况进行综述。针对加筋结构优化设计,概述了参数化方法、形状优化方法、拓扑优化方法及其他新型设计方法的基本原理;围绕复合材料增材制造技术,讨论了具体制造工艺的发展现状,以及其纤维铺放/打印路径规划方法;并梳理了航空航天高端装备领域中典型的复合材料薄壁加筋结构应用;最后总结了复合材料薄壁加筋结构–工艺协同设计的发展趋势及面临的关键挑战。     

航天运载器结构先进材料及工艺技术应用与发展展望

先进结构是支撑航天运载器研制及航天任务实施的基础,而先进材料与工艺技术则是先进航天运载器结构研制的重要基石。本文在简要论述航天运载器结构特点及我国发展趋势的基础上,综述了我国航天运载器结构金属材料、复合材料和智能材料的应用与发展需求,最后从超大型结构制造、整体高精高性能制造、复合材料结构制造、增材制造和绿色制造五个方面综述了航天结构先进工艺技术的未来发展趋势,并对重点研究方向进行了展望。     

增材制造复杂金属构件表面抛光技术

增材制造可以满足航空航天领域对零件的高复杂性、高性能、轻量化以及多功能化的要求，但其制造复杂金属零件时在综合性能、表面质量和成形精度上仍然存在不足，必须经过表面抛光处理才能达到航空航天零件高使役性要求。通过综合国内外文献资料，详细介绍了化学抛光、电解抛光、磨粒流抛光和激光抛光这4种可达性较强的表面抛光技术的原理方法以及应用现状，接着分析了增材制造技术和表面抛光技术的发展趋势，最后进行了总结和展望。提出增材制造与表面抛光工艺相结合的工艺优化思想，并指出研制绿色智能的一体化技术装备是当前面临的重大挑战。     

航空钛合金增材制造的机遇和挑战

简要回顾了增材制造技术在航空钛合金领域的发展历程及应用现状,从成形效率、零件尺寸、零件复杂度、材料利用率、表面质量等方面比较了基于直接能量沉积技术与粉末床熔化技术的5种增材制造方法的特点及适用范围,阐述了粉末床熔化技术在推动航空钛合金结构轻量化设计与低成本制造方面的优势。以Ti-6Al-4V为例,分析了增材制造熔池中的物理过程对柱状晶显微组织形成与力学性能各向异性的影响,总结了业界在过程监控与质量控制方面的初步成果以及现有增材制造标准对材料、工艺、检测等方面的要求。最后,介绍了增材制造钛合金零件的成本构成与计算模型,提出了适合采用增材制造工艺的零件特点,并对航空钛合金增材制造的未来进行了展望。     

未来战斗机对结构创新设计/制造一体化技术的发展需求

介绍了战斗机的发展历程及机体结构技术的演变特征,论述了未来战斗机机体结构设计制造一体化技术发展方向,结合目前增材制造等先进制造技术研究现状,提出大型整体化、构型拓扑化、梯度复合化、功能结构一体化等创新结构先进制造技术发展需求,以期突破设计极限限制,实现战斗机机体的更新换代,摆脱传统"经典"结构束缚,大幅度提升未来战斗机高性能多功能的机体平台品质。     

基于激光选区熔化的点阵结构设计、性能及应用研究进展

激光选区熔化技术（Selective laser melting,SLM）作为第三次工业革命的引擎技术,突破了传统加工技术的制造极限,为航空航天、医疗、汽车等领域高性能部件的结构设计和制造提供了可能。点阵结构因具有高比强度、高比刚度、低热膨胀系数和高比表面积等特性,已被广泛应用于各类学科领域。依托SLM技术,结合材料–结构–性能一体化的创新型制造模式,现阶段点阵结构已经成为多学科领域所提出的轻量化、高性能及多功能的设计及制造的有效解决方案。本文详细介绍了SLM技术制造点阵结构的种类、工艺协同性及设计优化方法;对点阵结构的力学性能和能量吸收能力进行了分析;阐述了几类典型功能点阵结构在航空航天、医疗及汽车等领域的应用,并就点阵结构在工程应用领域的未来发展做出了展望。     

增材制造超材料及其隐身功能调控的研究进展

超材料作为一种新型拓扑优化设计的结构材料,展现出特殊的物理性质,比如负泊松比、负折射率等,在波动控制和隐身方面有重要的潜在应用价值,因此受到国内外的广泛关注。增材制造技术,又称为3D打印技术,适合于制造复杂形状的结构,利用增材制造技术制造隐身超材料具有较高的几何自由度和尺寸精度,为超材料的广泛应用提供技术条件。本文基于超材料的基本概念,对隐身超材料结构设计、功能调控的研究进展进行详细介绍,进一步介绍增材制造隐身超材料的光固化法、熔融沉积法、激光选区烧结/熔化法等工艺方法,并讨论了增材制造超材料在制造过程中存在的阶梯效应、原材料黏附现象、热扩散现象、尺寸精度、粗糙度等问题。     

高性能航空复合材料结构的关键力学问题研究进展

复合材料具备基于多种材料有机融合后所产生的“1+1>2”的优势，是实现航空飞行器结构轻量化、功能化与智能化的有效途径。然而，由于复合材料高各向异性、结构多尺度化等方面的特征，导致设计、制造及表征评价等方面都存在诸多问题与挑战。高性能复合材料结构在航空装备中的发展是一个涉及力学、材料、机械、控制等多学科融合的交叉性问题。本文针对其中涉及的若干关键力学问题，重点围绕近年来国内外在航空复合材料结构力学设计与性能评估、功能化设计以及制造工艺力学等3个方面的研究进展进行了概述，并对未来航空复合材料结构在这3方面的发展趋势进行了展望。     

激光增材制造高强高韧TC11钛合金力学性能及航空主承力结构应用分析

随着损伤容限设计理念发展和轻量化要求提高,高强高韧钛合金逐渐成为航空装备关键主承力构件主要结构材料。激光增材制造制备钛合金大型主承力构件具有数字化、短周期、低成本等技术优势,特别是激光增材制造过程超常固态相变动力学条件为制备高强高韧钛合金提供了新的机会。本文根据航空主承力结构选材性能要求,对激光增材制造TC11钛合金静强度、疲劳和损伤容限特性进行测试与分析,在此基础上对其在航空主承力结构的应用前景进行分析。结果表明,激光增材制造TC11钛合金力学性能具有显著的高强高韧和低屈强比特征,其疲劳缺口敏感性和裂纹扩展速率低,性能分散性小,综合性能满足航空主承力结构选材要求。与目前航空主承力结构广泛应用的TC4-DT损伤容限型钛合金相比,激光增材制造TC11高强高韧钛合金损伤容限特性相当、疲劳性能有所改善、许用应力提高23%,结构具有进一步减重优势。激光增材制造TC11钛合金优异的强韧性匹配在提高结构许用应力的同时可避免大厚度结构发生脆性断裂,其低疲劳缺口敏感性和优异的疲劳裂纹扩展特性对于结构服役安全具有重要意义。     

微桁架点阵结构在飞机结构/功能一体化中的应用

近几年,点阵结构技术随着3D打印等新兴制造技术的发展而快速发展,在结构功能一体化技术应用中表现出巨大潜力。它可作为多功能化的优良设计载体,实现承载、防热、隐身、变体等各项功能的有机融合。但一些关键技术尚待突破,到目前为止尚未见增材制造点阵结构在飞机上大规模应用。结合飞机结构/功能一体化需求,对点阵结构的制造工艺、性能特点和典型应用进行了综述,并从结构设计、制造工艺、性能评价等方面对制约点阵结构工程应用的原因进行了分析讨论。