SLM制造金属微小结构件的可行性研究

利用M270金属快速成形设备分别制造薄壁结构和微孔结构,分析了其制造极限和尺寸精度。结果表明:M270加工纯镍粉薄板的加工极限为0.2 mm。板厚0.2 mm以上的薄壁成形稳定性很好,同一批次样件、同一样件不同位置的误差均控制在20μm以下,实测尺寸与理论尺寸单边相差约40μm;孔径0.3 mm以上的小孔成形质量稳定,0.3 mm以下出现不通气现象。小孔直径产生60~90μm的收缩,纵向(Z向)成形比横向(Y向)成形质量高,表面粗糙度值随孔径的增大而减小,到0.45 mm孔径后趋于平缓。     

准分子激光辐照对激光选区熔化成形Ti6Al4V合金表面浸润性的影响

目的 提高激光选区熔化成形（Selective Laser Melting, SLM）Ti6Al4V合金的表面亲水性。方法 通过调控248 nm KrF准分子激光功率密度和脉冲数,对SLM成形Ti6Al4V合金进行表面改性。利用扫描电子显微镜和激光扫描共聚焦显微镜对激光辐照前后的表面形貌和粗糙度进行表征,利用EDS能谱分析仪和X射线衍射仪对激光辐照后试样的表面成分进行分析,利用接触角测量仪来表征试样表面的浸润性。结果 在50个激光脉冲数下,通过控制准分子激光功率密度为0~531 mJ/cm2,使SLM成形Ti6Al4V表面接触角由(116±4)°减小至(7.5±0.4)°。通过表面形貌观察,激光辐照后的Ti6Al4V表面变得更加平滑,表面粗化现象得到改善。激光辐照后的Ti6Al4V表面粗糙度由(40.3±3.7) μm减小至(8.3±1.7) μm,试样表面与氧气发生反应,导致氧元素质量分数增加至33.54%,且有TiO产生。通过Cassie-Baxter 模型和试样三维表面形貌分析,激光辐照后的Ti6Al4V表面更加光滑,使固-液-气复合界面上固体所占的百分比增加,导致试样变得更加亲水。通过时效性测试,发现试样的表面接触角在48 h内具有稳定性。结论 通过改变准分子激光的功率密度,可以快速高效地降低SLM成形Ti6Al4V合金的表面粗糙度,改善并调控Ti6Al4V的表面亲水性。     

Sc元素对激光选区熔化TiB2/AlSi10Mg复合材料组织和性能的影响

采用稀土元素Sc对激光选区熔化TiB₂/AlSi10Mg复合材料进行变质处理,借助场发射扫描电镜、电子探针显微分析仪、显微硬度计以及电子万能试验机等,分别研究了添加Sc元素和固溶时效热处理对复合材料显微组织、密度和力学性能的影响。结果表明:与TiB₂/AlSi10Mg复合材料相比,Sc元素的加入可以进一步细化Al-Si共晶,产生细晶强化和弥散强化作用,TiB₂/AlSi10MgSc复合材料的抗拉强度和显微硬度分别提升了56.7 MPa (14.4%) 和15.3 HV0.1 (11.3%)。激光选区熔化TiB₂/AlSi10MgSc复合材料的硬度和强度随着固溶温度升高而逐渐降低,但伸长率得到明显改善。     

激光增材制造Ti6Al4V点阵结构的抗压吸能特性

人体骨骼受到碰撞后的断裂过程伴随着能量吸收,多孔骨植入体的设计需考虑结构的抗压吸能特性。在空间尺寸(20 mm×20 mm×30 mm)内,通过拓扑优化设计和激光增材制造技术制备不同胞元尺寸和相对密度的Ti6Al4V点阵结构,采用熔池监控、单向压缩实验和有限元仿真方法,探究了点阵结构的表面质量、断裂形变规律和吸能特性。结果表明,点阵结构的结构参数受熔池温度场和粉末支持力的影响;点阵结构的抗压行为遵循弹脆性变化规律,断裂带与制造方向呈45度;点阵结构的断裂机制为韧性断裂,裂纹沿内部微孔洞分布方向扩展;能量吸收能力与相对密度成正比关系,与胞元尺寸成反比;能量吸收效率与相对密度成反比,与胞元尺寸均成正比关系。     

选区激光熔融技术制备多孔支架及其单元结构的拓扑优化

针对传统制造多孔结构具有的盲目性和不确定性以及如何将多孔结构有效的设计理念应用于实际制造的问题,提出了一种设计及制造具有多孔支架结构的方法.该方法通过设计单元结构,使其组成的多孔结构能在降低弹性模量的基础上保证结构的力学性能.首先,应用Optistruct软件对单元结构进行拓扑优化,提取优化的单元结构;然后,在Magics里将单元模型修复、阵列得到多孔支架,用选区激光熔融技术制造多孔支架;最后,对多孔结构的力学性能进行了测试.实验结果表明:多孔支架的弹性模量与抗压强度值均在骨骼的要求范围内.