解讀國家增材制造與激光制造重點專項擬立項目中的研究基礎
2017年6月，增材制造“國家重點研發計劃專項2017年度項目公示清單發布，計劃支持的單位共有23家，支持的總經費4.5億，其中支持的項目內容涵蓋了設計算法、噴射打印頭裝置、智能增材制造平臺、大型電子束熔絲制造技術、電子束粉末床熔化制造技術、連續纖維增強復合材料制造工藝、陶瓷增強復合材料制造裝備、激光修復與再制造裝備、超聲增材制造技術、大型增材/減材制造裝備、金屬增材制造過程中監測系統、增材制造在航空航天領域的產業化研究、增材制造在個性化醫療器械領域的應用等。
本期，根據項目負責人研究過的領域來與谷友一起領略這些項目的研究基礎。
西北工業大學
張衛紅
面向增材制造的產品創新設計技術
合作過的研究成果：基于幾何非線性的載荷可控傳遞結構拓撲優化方法
首先添加輔助桿單元，將約束節點載荷轉化為約束節點位移，再通過約束節點位移的比值來實現載荷的可控傳遞，這樣可以在幾何非線性拓撲優化中實現載荷的可控傳遞，解決了背景技術幾何非線性拓撲優化僅考慮整體剛度性能忽略結構局部性能的技術問題，同時這樣有利于優化約束的建模以及模型的快速更改，具有較高的靈活性、普適性以及準確性，實用性好。
參考專利：CN201611230295.7
西安交通大學
邵金友
高效寬幅壓電式微滴噴射陣列打印頭的研發
合作過的研究成果：三維微/納結構的流體介電泳力掃描壓印成形方法
屬于微納制造領域，是一種三維微/納結構的流體 介電泳力掃描壓印成形方法。 流體介電泳力是針對在電場中的介電液體而言的，該力作用在氣液界面，從液相指向氣相，拉動介電流體而運動。流體介電泳力可以有效的控制微/納流體的流動，目前在微流控中已獲得廣泛的應用。 已有研究表明，利用介電泳力來驅動預聚物填充模具腔體，以代替傳 統的機械壓力壓印過程，從而可以克服較大的機械壓力帶來的弊端。
參考專利：CN201110192995.2
南京理工大學
廖文和
智能化增材制造系統平臺
合作過的研究成果：不同粉末復合使用的選區激光熔融送粉鋪粉裝置
不同粉末復合使用的選區激光熔融送粉鋪粉裝置：包括工作臺、成形缸、噴粉裝置和鋪粉裝置，成形缸上表面設置在工作臺上，噴粉裝置和鋪粉裝置分別設置在成形缸兩側，噴粉裝置特征在于：包括噴粉電動導軌、支座、噴嘴電動導軌、噴嘴，噴嘴設置在噴嘴電動導軌上，噴嘴電動導軌通過支座設置在噴粉電動導軌上，噴粉電動導軌固定在工作臺上，鋪粉裝置包括粉末漏斗、刮粉電動導軌和支架，粉末漏斗通過支架設置在刮粉電動導軌上，刮粉電動導軌固定在工作臺上。本發結合選擇性激光熔融和激光熔覆同軸送粉技術，解決了梯度材料復合增材制造中有效回收粉末、成形任何方向梯度復雜零件的問題。
參考專利：CN201410532792.7
中國航空工業集團公司北京航空制造工程研究所
鞏水利
高性能大型金屬構件電子束熔絲增材制造裝備與工藝
合作過的研究成果：中強高韌性電子束熔絲堆積快速成形構件用鈦合金絲材
特征在于：絲材的成分及重量百分比為Al：6.2%~7.0%；V：4.0%~5.0%；O：0.13~0.24%；Fe≤0.1%；余量為Ti和不可避免的雜質元素。研究成果還相應地提供了上述絲材的熔煉、熱加工和其電子束快速成形構件的熱處理工藝，不僅可以滿足電子束熔絲堆積快速成形技術的工藝要求，而且所制造的航空工業上應用的構件具有較好的綜合性能。
參考專利：CN201210243512.1
其他成果包括，電子束快速成形填絲加工裝置，參考專利：CN201210244118.X
960MPa強度級電子束熔絲堆積快速成形構件用α+β型鈦合金絲材，參考專利：CN201210243109.9
華中科技大學
余圣甫
高性能大型金屬構件電子束熔絲增材制造裝備與工藝
合作過的研究成果：用于熔絲堆焊的熔池攪拌和焊絲預熱的集成方法
通過電磁感應線圈產生感應磁場，感應磁場作用于熔池對熔池產生攪拌作用，細化熔池區材料的晶粒，提高材料性能，減少堆焊缺陷，保證堆焊質量，同時感應磁場使得堆焊焊絲內部產生渦流完成了焊絲預熱，從而在不增加堆焊能量輸入的情況下，提高了堆焊速度。
參考專利：CN201611256576.X
清華大學，趙海燕，復雜精密金屬構件電子束粉末床增材制造裝備與工藝
機械科學研究總院
單忠德
連續纖維增強復合材料增材制造裝備與工藝
合作過的研究成果：長纖維熱塑性復合材料構件的三維打印成形方法
屬于復合材料成型技術領域，通過將增強紗線擴展成較薄的紗線帶，并與牽伸后的樹脂帶進行充分浸潤形成單層預浸紗，單層預浸紗經定型裝置擠壓后形成具有指定形狀和尺寸的預浸絲束，預浸絲束在導向裝置的牽引下經壓實裝置加熱熔融后與上一層復合材料粘結在一起，形成復合材料層合結構。該方法通過對連續纖維的展開和基體材料的牽伸，有效提高了紗線與樹脂的浸潤效果，從而提高纖維與基體的界面結合強度，預浸絲束可以任意角度打印，同時經壓實裝置壓實后，纖維體積分數顯著提高，可實現具有復雜結構高性能復合材料構件的增材制造。
參考專利：CN201610988049.1
其他成果包括，激光引導多金屬熔融沉積增材制造工藝及設備，參考專利：CN201610888181.5
鋪砂打印一體化的3D打印成形裝置，參考專利：CN201610766471.2
西北工業大學
成來飛
高強韌陶瓷復合材料增材制造關鍵技術與裝備
合作過的研究成果：C/SiC-HfB2-HfC超高溫陶瓷基復合材料的制備方法，參考專利：CN201410203159.3
電泳沉積CNTs增強陶瓷基復合材料的制備方法，參考專利：CN201410355693.6
浙江工業大學
姚建華
激光復合增材制造修復與再制造技術與裝備
合作過的研究成果：用于轉子軸頸激光再制造的鐵基合金粉末及其再制造方法
激光再制造方法包括以下步驟：(1)先對轉子軸頸失效部位進行車削加工，使表面清潔、平整，并除油；(2)將干燥的鐵基合金粉末放入送粉器中；(3)調整激光位置至待修復區域，編輯程序；(4)設定激光工藝參數；(5)根據實際需要重復熔覆多層至超過目標尺寸并留有加工余量；(6)采用車床車削至目標尺寸；(7)硬度及裂紋檢測。效果是：涂層性能近似于原新品，且工藝適應性寬，重復性一致，操作性強。
其他成果包括：選區激光熔化成型鈦合金的表面化學氧化方法，參考專利：CN201710128768.0
哈爾濱工程大學
姜鳳春
大型金屬制件超聲微鍛造輔助激光增材制造技術與裝備
合作過的研究成果：基于超聲波固結成形輔助復合材料Ti/Al3Ti的快速制備方法
將剪好的Al帶和Ti帶置于超聲波清洗器中，用酒精清洗15‑20min；按照“Ti帶‑Al帶”順序疊放，利用超聲波固結快速成型設備制備Ti/Al預制帶材；將超聲波固結快速成形制備的Ti/Al預制帶材從基板剝離，置于真空熱壓爐中熱壓燒結制備Ti/Al3Ti層狀復合材料本發明針對制備Ti/Al3Ti層狀復合材料傳統的金屬箔冶金技術反應速度慢，制備周期長等問題而提出，解決了傳統制備Ti/Al3Ti層狀復合材料方法反應速度低，制備周期長等問題，為進一步Ti/Al3Ti復合材料產業化提供了新的技術途徑。
參考專利：CN201610835450.1
華中科技大學，曾曉雁，大尺寸、高精度復雜金屬構件激光增材/減材復合制造技術及裝備研究
武漢大學
劉勝
金屬增材制造在線監測系統
合作過的研究成果：基于光柵多級衍射同步干涉實現多分辨率、多自由度干涉測量的系統及方法
基于光柵多級衍射同步干涉實現多分辨率、多自由度干涉測量的系統及方法。創造性的提出了一種集成屏替代通常云紋干涉測量中的讀數柵，實現了多級次衍射光的干涉實現和利用（限于激光功率較低、讀數光柵固定的衍射角度限制，利用超過正負1級衍射光線進行干涉測量的情況較少），尤其有利于亞納米級測量，因為，對于納米級、亞納米級精度測量時其穩定性往往不好，以不同的靈敏度（利用多級衍射光進行干涉測量）、多次同步復測綜合判斷尤為重要；另一方面，最近幾年激光器制作技術有了很大發展，利用高級次衍射光進行干涉測量逐漸成為可能。
2017年6月，增材制造“國家重點研發計劃專項2017年度項目公示清單發布，計劃支持的單位共有23家，支持的總經費4.5億，其中支持的項目內容涵蓋了設計算法、噴射打印頭裝置、智能增材制造平臺、大型電子束熔絲制造技術、電子束粉末床熔化制造技術、連續纖維增強復合材料制造工藝、陶瓷增強復合材料制造裝備、激光修復與再制造裝備、超聲增材制造技術、大型增材/減材制造裝備、金屬增材制造過程中監測系統、增材制造在航空航天領域的產業化研究、增材制造在個性化醫療器械領域的應用等。
沈陽飛機工業（集團）有限公司，李克明，新概念結構增材制造技術在航空航天制造領域的產業化應用示范
上海交通大學
沈國芳
硬組織病損精準治療的個性化醫療器械增材制造技術集成和應用示范
合作過的研究成果：鈦合金頦成型截骨導板
包括：截骨導板本體，所述截骨導板本體的內側形成與頦部骨表面緊密貼合的弧形面；在所述截骨導板本體的兩端均開有可容納電鋸片的截骨槽，所述截骨槽與截骨線位置、截骨量吻合一致；在所述截骨導板本體的兩端還均設置有三個固定孔，三個所述固定孔成三角形的分布方式設置。鈦合金頦成型截骨導板，可避免術中頦部骨就位不精確的問題，同時不再需要對成品鈦接骨板進行彎制，且設置的截骨槽可引導鋸片截骨的角度，從而使手術更加精確，能夠指導頦部骨截骨手術。
參考專利：CN201520975430.5
北京神舟航天軟件技術有限公司，章翔峰，面向創新創業的3D打印云服務平臺研發及應用
清華大學，曲良體，超快激光微納制造機理及新方法
武漢銳科光纖激光技術股份有限公司
李成
工業級大功率光纖激光器關鍵技術及產業化
合作過的研究成果：高功率全光纖激光器的反饋光隔離器
用于高功率全光纖激光器的反饋光隔離器，由輸入尾纖、準直透鏡、等腰直角棱鏡、聚焦透鏡、輸出尾纖和反饋光吸收區組成，輸入尾纖和準直透鏡安裝在一起成輸入光纖準直器，聚焦透鏡和輸出尾纖安裝在一起成輸出光纖準直器，等腰直角棱鏡放置在輸入光纖準直器、輸出光纖準直器之間，且等腰直角棱鏡的直角正對著聚焦透鏡的中心，反饋光吸收區設計在等腰直角棱鏡的兩個直角面對應處，整體封裝成反饋光隔離器。本實用新型很方便的接入光纖激光器光路，正向激光可無損通過，反饋回來的反向激光被等腰直角棱鏡反射至隔離器壁后通過冷卻系統將熱量帶走，而不會沿光纖反射至光纖激光器諧振腔內。
參考專利：CN201621107033.7
清華大學
劉強
制造用紫外激光器
合作過的研究成果：光纖激光準直系統
光纖激光準直系統，由光纖激光器，光纖輸出端頭，準直透鏡，準直器位移驅動組件，波面校正組件，分光器件，聚光元件，傳感元件和控制系統組成。光纖激光器輸出激光由輸出光纖從輸出端輸出；輸出激光經準直透鏡準直后發射到波面校正組件上，經波面校正組件波面校正后發射到分光器件，大部分激光通過分光器件反射輸出，少部分激光透射到聚焦鏡后匯聚到傳感元件上。閉環控制組件通過對傳感元件輸出信號的處理，反饋信號閉環控制波面校正組件和準直透鏡位移驅動組件。
參考專利：CN201310636764.5
廣東正業科技股份有限公司，陳歧岱，典型硬脆構件的超快激光精密制造技術及裝備
西安交通大學
楊樹明
復雜微細結構的激光加工與測量技術及裝備
合作過的研究成果：光纖白光干涉內窺鏡三維測量系統
光纖白光干涉內窺鏡三維測量系統，包括光纖干涉裝置和測量探頭，光纖干涉裝置由帶寬耦合光纖LED、光纖耦合器、壓電陶瓷和光探測器構成，測量探頭由光纖干涉臂和電子內窺鏡CCD組成。兩光纖干涉臂分別接光纖耦合器的兩輸出端用于投射干涉條紋到被測物體，電子內窺鏡CCD采集經被測物調制過的條紋圖像，分別采用七步相移算法和加窗傅里葉變換法實現靜態物體和動態物體的三維測量。采用的光纖器件，具有尺寸小、結構緊湊、靈活性良好等特點；采用光纖白光干涉裝置投射條紋，可提高條紋密度，進而提高測量精度，并且適合于高精度、不連續表面三維形貌測量；將內窺鏡技術與光纖白光干涉技術相結合，同時具備靈活性以及測量精度高的特點。
參考專利：CN201610034260.X
中南大學
段吉安
光電器件超精密激光焊接技術與裝備
合作過的研究成果：基于磁流變技術的同軸型光電子器件自動耦合焊接裝置
基于磁流變技術的同軸型光電子器件自動耦合焊接裝置，包括機架、上夾具、下夾具、多個的焊接裝置以及自動旋轉平臺，下夾具包括夾具安裝座和夾緊組件，夾緊組件通過一角度自動調整機構安裝于夾具安裝座上，角度自動調整機構包括外壁上設有凸球面的球面套筒，夾緊組件裝設于球面套筒的內孔中，夾具安裝座設有安裝通孔，安裝通孔的孔壁上設有凹球面，球面套筒裝設于安裝通孔內，且凸球面與凹球面球鉸接配合，凸球面和凹球面配合處設有容置腔，容置腔內填充有磁粉或磁流變液，夾具安裝座上設有勵磁繞組；夾具安裝座通過對準裝置裝設于自動旋轉平臺上。本發明具有結構簡單緊湊、制作成本低、耦合效率高、易于保證耦合精度等優點。
參考專利：CN201510269545.7
清華大學
鄒貴生
激光高性能連接技術與裝備
合作過的研究成果：提高陶瓷接頭高溫性能的連接方法，參考專利：CN00107492.X
半固態連接材料及其制備與連接方法，參考專利：CN00107491.1
哈爾濱工業大學
郭斌
大型復雜構件激光高效清洗技術與裝備
合作過的研究成果：Ti‑22Al‑25Nb合金表面自生成高強耐磨層的方法
為了解決現有表面鍍層的工藝復雜，適合的鍍層材料較少，同時鍍層還存在失效脫落的問題。方法：一、表面清理；二、通過熱處理使合金件充分受熱，組織轉變充分。在合金表面會形成一層富α2相層；三、去除表面的氧化層。可以大幅降低合金的生產成本，增加合金鍍膜的使用壽命。
參考專利：CN201710031452.X
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