增材制造金属点阵结构性能研究进展

点阵结构是一种三维规则排列的多孔结构,具有高比强度、高比刚度及优异的散热性能,是结构功能一体化设计的主要载体。由于点阵结构零件的结构复杂,传统加工方法无法直接制备。增材制造技术是一种通过分层制造方式构建三维实体零件的新型制造技术,在复杂结构制造方面具有独特优势。通过增材制造点阵结构零件可以极大地降低制件重量,提高综合力学性能,在航空航天、能源、车辆工程等领域展现出巨大的技术优势。本文对增材制造金属点阵结构、极小曲面结构、拓扑优化结构等复杂零件结构相关研究进行了总结与归纳,从力学性能、轻量化、能量吸收、散热吸声等应用方向进行了综述,最后总结并展望了金属增材制造点阵结构的优势与发展方向。     

激光选区熔化技术在航空航天领域的发展现状及典型应用

增材制造技术(AM)是一种基于离散-堆积原理,以计算机模型数据来加工组件的新型制造技术。激光选区熔化(SLM)作为增材制造领域的一项重要技术,以其一体化制造特点和在复杂结构零部件制造领域的显著优势,成为航空航天制造领域的重点发展技术和前沿方向。本文综述了SLM技术的材料体系和应用领域,主要对SLM技术的最新工艺研究和航空航天领域的典型应用进行细致分析。重点阐述SLM铁基合金、镍基合金、钛合金和铝合金等材料体系的研究进展及成果。SLM技术在各领域广泛应用的同时,也存在成形材料内部缺陷多、高性能材料的裂纹及变形、标准体系的欠缺和粉末材料兼容性低等诸多问题和不足之处,使其发展受到一定制约,需要在这些方面做更深入的工作。     

打印方向对SLM增材制造点阵结构力学性能的影响分析

为研究激光选区熔化（SLM）增材制造技术的制造方向对点阵结构力学性能的影响,基于不同的打印角度,制备了4组不同相对密度的Ti–6Al–4V面心立方（PC）点阵试样,并开展了力学性能数值仿真、试样微观形貌观测及单轴压缩试验。结果表明,不同打印方向引起的制造缺陷会造成点阵结构等效杨氏模量及失效模式的改变,低密度点阵结构呈现出无特定规律的“逐层坍塌”破坏,高密度点阵结构为整体“剪切”破坏;点阵结构支杆缺陷随打印方向与支杆夹角增大而增大,同时引起点阵结构等效杨式模量的各向异性,低密度点阵结构的制造缺陷对打印方向更敏感,在相对密度为0.1138时,不同打印方向的等效杨氏模量最大差异达14.6%;由于增材制造的内部缺陷,导致基于均质化理论的仿真结果相较试验值偏高。     

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。     

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。     

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。     

稀土改性高强铝微桁架激光增材制造工艺调控

微桁架夹芯板点阵轻量化结构在航空航天领域有重要应用,选区激光熔化（SLM）增材制造技术可克服传统工艺局限性,高质量一体化成形复杂点阵结构。以稀土Sc改性高强Al-Mg合金为对象,采用SLM工艺对其进行工艺优化试验,并基于优化结果对微桁架夹芯板开展一体化成形工艺调控研究。研究结果表明：SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金表面质量、冶金缺陷等随激光参数发生显著变化,在激光功率400 W、扫描速度800 mm/s的条件下获得较高表面质量（粗糙度为13.2 μm）及致密度（相对密度为99.5%）。当扫描速度较低时试件熔池底部形成一次Al₃Sc析出相,而当扫描速度过高时因凝固速度过快析出相减少,导致试件显微硬度降低。在优化工艺区间内,随激光扫描速度增加SLM成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夹芯板粘粉比例下降,构件质量随之减轻;水平方向构件尺寸精度、桁架微杆成形精度均随扫描速度增加而增加。     

激光选区熔化增材制造缺陷智能监测与过程控制综述

激光选区熔化（SLM）技术被认为是最有应用前景的增材制造技术之一,已应用于航空航天、医疗器械等领域。然而,如何确保构件质量的可靠性和制造的可重复性是SLM面临的最大挑战,已被认为是限制SLM及其他金属增材制造技术发展和工业应用的最大壁垒。其中,主要原因是SLM过程中会产生难以控制的缺陷。因此,对SLM进行过程监测和实时反馈控制是解决这一挑战的重要研究方向,也已成为学术界和工业界的研究热点之一。通过对近十年该领域的文献调研,综述了金属激光增材制造中常见的冶金缺陷及其产生机理,对金属增材制造过程产生的信号及其监测手段,如声信号、光信号及热信号等进行了详细描述;总结了信号数据的处理方法,包括传统的统计处理方法和新兴的基于机器学习的智能监测方法;随后,综述了金属增材制造过程的质量控制方法,包括非闭环控制和闭环控制,并对全文进行了总结,展望了未来SLM智能监测和控制领域值得深入的研究方向。     

复合材料构件设计知识库研究与实现

复合材料在新材料技术领域占有重要的地位,以航空航天为代表的军用领域历来是复合材料重要的和传统的应用领域.由于复合材料具有高比强度、高比模量、良好的抗疲劳性、抗腐蚀性等一系列优点,而在飞机上采用高比强度和比刚度的材料制造构件意味着可以明显地减轻飞机的重量,因此,复合材料日益受到国防、军工以及航空航天等领域的青睐.     

激光增材制造技术在航空航天领域的应用与发展

在简要阐述激光增材制造技术原理和特点基础上,介绍其在航空航天领域应用的主要工艺：激光熔化沉积（Laser Melting Deposition,LMD）技术、激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）技术,归纳了增材制造材料体系及其在航空航天领域的具体应用,并探讨了激光增材制造技术的研究现状和发展趋势。     

放电加工技术在航空航天制造中的应用

为获得更高的服役性能，航空航天领域大量采用高性能材料和复杂结构，这些都给制造技术带来巨大挑战。作为最为成熟、应用最为广泛的特种加工方法——放电加工(EDM)技术具有非接触、无切削力、加工性能不受材料强度、韧性、硬度、刚度等机械性能影响的特点，在航空航天产品特别是发动机产品中被广泛采用。重点介绍航空航天制造领域中放电加工技术国内外的相关研究进展及成功应用案例。另外，随着智能制造技术的发展并迅速渗透到航空航天制造领域，国内放电加工智能制造技术解决方案不断涌现，对几个典型的放电加工智能制造系统解决方案进行了介绍。     

电子束选区熔化成形技术及应用

电子束选区熔化成形技术是一种以电子束为热源的金属材料增材制造技术,可成形具有复杂形状的高性能金属零部件,在航空航天、生物医疗、汽车制造等领域有着广阔的应用前景。简要介绍了电子束选区熔化成形技术的基本原理,综述了不同粉末材料电子束选区熔化成形组织与性能研究现状、电子束选区熔化成形过程数值模拟方法、电子束选区熔化成形技术的应用,最后指出改进技术迫切需要解决的问题并展望其未来发展趋势。     

树脂基复合材料点阵结构的制造技术研究进展

树脂基复合材料点阵结构集点阵结构与复合材料优势于一体，是实现飞行器等高端装备结构轻量化、功能化与智能化的理想结构材料。然而，由于复合材料点阵结构的材料高度各向异性、结构跨尺度、几何拓扑构型复杂、多功能集成设计需求等特征，导致复合材料点阵结构的制造技术存在诸多难题与挑战。本文回顾了复合材料点阵结构的发展历程，重点围绕近年来国内外在制造技术方面的研究与突破，根据点阵芯体的核心成形工艺，在给出制造技术分类与优缺点分析的基础上，总结了影响点阵结构成形质量的关键工艺，进一步剖析了制约当前复合材料点阵结构制造技术发展的问题，最后对复合材料点阵结构制造领域的未来发展趋势进行了展望。     

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。     

耐高温树脂基复合材料研究进展及其在航空航天领域的应用

耐高温树脂基复合材料具有低密度、高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等优点。因其在结构轻量化中的巨大应用潜力,在航空航天领域广受关注。本文重点介绍了双马来酰亚胺、聚酰亚胺和邻苯二甲腈三种耐高温树脂及其复合材料,并对其树脂基体的历史发展脉络、复合材料成型工艺与力学性能的研究现状,以及在航空航天领域的应用进行了综述。最后,通过提炼对比三者在工艺性、力学性能上的特点和工程上的典型应用场景,拟为航空航天领域中的材料选择提供参考。     

航天高性能薄壁构件的材料-结构一体化设计综述

新一代航天器技术的快速发展对结构件超强承载、极端防热、超高精度和超轻量化提出了越来越苛刻的要求，如何设计并制造出高性能、轻量化、超精密的航天薄壁构件成为先进材料与结构设计制造领域普遍关注的难题。本文综述了近年来薄壁构件高性能设计与制造及其航天应用的主要成果，围绕材料-结构多尺度建模与性能表征、多材料多尺度结构设计与增材制造原理、增材制造材料性能与结构设计的交互作用机制等科学问题，就结构优化中的制造工艺约束建模，增材制造工艺参数对结构性能的影响，高性能构件材料-结构一体化设计方法及其在航天结构中的应用展开论述，并展望了未来典型航天薄壁构件材料-结构一体化设计和制造方法发展前景与应用，为未来相关研究工作和航空航天装备研发提供参考。     

简谐基础加速度激励下的点阵结构优化设计

航空航天类产品面临愈加剧烈的振动环境,同时对结构的设计也提出了更高的轻量化需求。针对简谐基础加速度激励下的结构振动抑制问题,基于高比强度、比刚度的轻质点阵结构,提出通过优化点阵结构杆件的截面尺寸来降低结构动响应的优化方法。以点阵结构杆件的截面尺寸为设计变量,结构体积为约束,建立简谐基础加速度激励下结构关键点处位移响应最小为优化目标的优化数学模型。采用模态位移法高效求解结构动响应及灵敏度,并通过GCMMA优化算法实现优化问题求解。数值算例和振动实验表明所提出的点阵结构优化方法在保证结构轻量化的同时,能够大幅度降低结构的振动响应。     

陶瓷零件增材制造技术及在航空航天领域的潜在应用

陶瓷零件因其强度高、密度低、耐高温及耐腐蚀等特点在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而,陶瓷零件的传统制造方法存在周期长、成本高、依赖模具且难以制造复杂结构等问题,极大限制了陶瓷零件在航空航天领域的应用。增材制造技术是一种基于"离散-堆积"成型原理、由三维数据驱动直接制造零件的方法。与传统制造方法相比,增材制造技术具有设计自由度高、产品研发周期短、制造成本低等优势,可以无需模具快速制造复杂结构陶瓷零件。在简要阐述增材制造原理和特点的基础上,系统地分析了采用三维打印、激光选区烧结、激光选区熔化、熔融沉积造型、分层实体制造、光固化成型等技术制造陶瓷零件的研究现状及存在的问题。最后,对陶瓷零件增材制造技术在航空航天领域的潜在应用进行了分析与展望。     

激光选区熔化成形技术在航空航天发动机制造领域的研究与应用现状

本文重点介绍了激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）成形钛合金、镍基高温合金、铜合金等材料体系的研究进展，以及SLM装备与工艺新技术；同时综述了国内外SLM技术在航空航天发动机领域的典型应用；最后在分析现有相关研究和应用的基础上，讨论了SLM技术面临的挑战和未来重点研究方向。     

高性能纤维增强聚醚醚酮复合材料挤出成型增材制造现状与挑战

材料挤出成型是一种典型的增材制造技术,其通过高温加热,将热塑性聚合物或其复合材料熔融挤出,而后逐层累积成型。它具有无需模具、可成型复杂零部件、低成本等显著优势,在生物医疗、航空航天、汽车工业等多个领域有着广泛的应用前景。聚醚醚酮作为一种半晶态超强热塑性聚合物,其纤维增强复合材料具有轻质高强、热稳定性好、化学稳定性佳等优异特性。利用材料挤出成型工艺制备纤维增强聚醚醚酮复合材料,可实现零部件的高性能低成本快速制造。介绍了纤维增强聚醚醚酮复合材料挤出成型制造技术的发展现状,分别从成型工艺机理、技术发展及性能对比等几个方面展开论述,并系统分析了未来技术发展所面临的挑战。