顶刊《PMS》IF=3958!增材制作多孔金属资料的功用及运用总述!


发布时间:2022-07-23 19:53:00 来源:乐鱼官网app平台

  原标题:顶刊《PMS》IF=39.58!增材制作多孔金属资料的功用及运用总述!   导读:增材制作(AM) 是指一般是在逐层添加资料进程中构建零件的一系列制作办法。特别是金属增材制作现已在工业上得到了广泛的选用和老练。这项技能能够进步具有杂乱几许形状的工程资料的规划自由度,其间蜂窝或晶格结构在

  原标题:顶刊《PMS》IF=39.58!增材制作多孔金属资料的功用及运用总述!

  导读:增材制作(AM) 是指一般是在逐层添加资料进程中构建零件的一系列制作办法。特别是金属增材制作现已在工业上得到了广泛的选用和老练。这项技能能够进步具有杂乱几许形状的工程资料的规划自由度,其间蜂窝或晶格结构在广泛的运用中特别有出路。这些资料相似于随机泡沫,在曩昔几十年中发现了许多工业运用,但规矩的蜂窝结构对经过增材制作成为或许的制作结构具有更高程度的操控。这些结构化的多孔资料具有可针对特定运用进行微调的特性(机械功用、渗透性、热特性等)。与随机结构比较,对此类修建结构的规划和制作的操控拓荒了新的运用或许性,并使一系列新产品和功用成为或许。跟着金属增材制作技能日趋老练并越来越多地被各个职业选用,而且跟着增材制作规划才能的进步,这种潜力才刚刚开端完结。这篇总述论文总结了 AM 晶格结构的共同特性,以及迄今为止这些特性怎么成功用于特定运用,并强调了在不久的将来或许感爱好的各种运用范畴。

  增材制作(AM) 是一切制作进程的术语,这些制作进程经过增量资料,运用数字规划模型来构建零件。依据 ASTM ISO 52900 术语规范 ,增材制作分为七种工艺类别,可运用的资料品种繁复,包含高端工程聚合物、金属、陶瓷等。激光粉末床交融 (L-PBF) 工艺现已在工业中广泛选用,并已到达高度老练,具有超卓的零件质量,能够在各种盛行的金属合金中可靠地出产. L-PBF 工艺运用高功率聚集激光束熔化粉末轨迹,轨迹堆叠并逐层处理,直到组件完结。因为典型的轨迹宽度为 0.1-0.2 毫米,因而能够制作高度杂乱的结构。逐层处理答应在许多状况下无法经过任何其他制作办法完结的杂乱性。在最新的商业体系中,典型的最大零件尺度到达 300 毫米乃至更大。这种尺度和分辨率规划为要害部件的出产供给了许多与职业相关的时机,在优化的杂乱几许形状中,在较短的交货时刻内,使该技能与航空航天、医疗、轿车和一般制作职业相关。

  AM 的首要优势包含多个零件的整合(零件之间的衔接更少)、小批量零件的交货时刻更短、易于规划迭代和针对特定短期或共同运用的定制规划,以及太难或太杂乱的规划曾经用传统制作办法制作本钱高(乃至不或许)。杂乱性是轿车和航空航天轻量化规划的要害驱动要素,因为能够制作优化的几许形状,以最大极限地削减质量,一起在预期负载下体现相同超卓。这些优化的几许形状或许包含遵从预期载荷途径的曲折结构,在低应力区域没有资料。这种办法现已在部分规划的拓扑优化和仿生工程规划的许多比如中得到了成功的证明. 当预期负载众所周知时,这种拓扑优化的体结构是一个不错的挑选,而且有望用于许多运用,尤其是那些触及轻量化运用的运用。这些结构一般能够运用传统制作办法制作(以略微较低的杂乱性),但因为杂乱性添加,这关于此类传统东西来说一般更贵重或更具有应战性。在 AM 中,杂乱性是“免费的”,与不太杂乱的部件比较,运用这种杂乱性没有额定的本钱。因而,最佳运用可用的杂乱性一般是增材制作优于传统制作的财政和功用优势的要害,因而有爱好充分运用增材制作中的杂乱性。大多数关于增材制作零件结构完整性规划和评价的可用文献都会集在具有简化几许不连续性的散装资料和组件上。虽然上述研讨在处理大块机械部件和结构时非常重要,但将它们扩展到其他范畴(如超资料)或许具有应战性。

  广泛的可用蜂窝规划以及运用增材制作在 3D 中准确认制其规划、密度和其他特点的才能为这些结构在工业相关产品和零件中的运用供给了新的时机。它们在医疗植入物中的运用得到广泛认可,并推进了迄今为止的大部分文献,在曩昔十年中对医疗植入物中的晶格进行了广泛的回忆. 除了医疗运用外,它们在轻量化方面的运用也得到了广泛认可,并引起了航空航天和轿车职业的极大爱好。在这些尽力中,在了解 AM 晶格结构的特性及其对特定运用的束缚或约束方面取得了很大发展,而文献总述常常说到晶格结构的各种潜在运用. 但是,到目前为止,该文献还没有广泛考虑晶格结构的广泛潜在运用,大多数谈论是关于它们在植入物中的运用以及它们针对该特定运用的优化。更一般地说,在曩昔的二十年里,多孔随机泡沫在工业中发现了许多其他运用和 AM 晶格结构有或许在各品种似的运用中胜过这些。为了到达这种功用水平,有必要将对增材制作的深化了解与对晶格结构规划、可制作性和测验的相同深刻了解相结合。因为迄今为止在各种研讨中陈述的广泛不同的成果,晶格结构的机械功用和疲惫功用仍然是一个有用的问题。

  一般来说,关于金属 AM 工业运用,需求一种结合资料、结构、规划和工艺常识的全体办法来完结特定的所需功用. 除了资料挑选和制作质量外,晶格结构的规划挑选是其在工业中成功施行的要害。这包含了解运用要求以及怎么为每个特定运用挑选或优化蜂窝结构,这是当时论文的要点。因而,本文选用了一种共同的以运用为中心的办法,要点重视晶格结构的可完结特性以及怎么针对特定运用优化这些特性,回忆了迄今为止每个运用范畴文献中报导的成功事例。相关研讨成果以题“Properties and applications of additively manufactured metallic cellular materials: A review”宣布在世界顶刊资料总述“Progress in Materials Science”上。

  由金属AM制作的修建蜂窝结构供给了一种全新的典范,其特点和功用现在才开端被运用。因为这些结构的许多共同功用能够调整和准确操控,因而它们在新运用中存在巨大的未开发潜力,包含低质量、规划的机械功用、高外表积、渗透性、能量和冲击吸收、隔热和热机械功用和多得多。在谈论相关运用程序时,该谈论供给了一些在此布景下的规划才能和可完结的特性的见地。因而,全面介绍了产业-请求链接。

  虽然金属 AM 晶格结构具有一切潜在优势,但它们或许不合适某些状况或运用,而且在某些状况下或许会产生比随机泡沫更差的成果。这些包含事前不知道载荷方向的状况——例如,架构晶格在特定方向上具有杰出的功用,但一般具有高度的各向异性。现已谈论了商业金属 AM 体系的制作约束,这些约束或许会导致意外过错或问题。在某些运用中,例如在医疗植入物中, 孔隙空间中的粉末截留是一个现已确认的要害问题,其间包含许多其他问题。与一切新技能和工程办法相同,蜂窝结构的规划和制作需求细心考虑和质量操控。在这种状况下,还有一节专门谈论规划和制作方面的考虑。

  图1。(A) 骨安排的多孔晶格结构。(B) 仿照天然骨小梁结构的三重周期性最小外表 (TPMS) 人工细胞资料[32]。(C) 天然[33]和 (D) 人工蜂窝结构

  图2。晶格结构的各种架构 (A) 依据支柱的晶格单元显现在前三行中。(B) 骨架和 (C) 依据片的三重周期性最小曲面 (TPMS)

  图3。(A) 依据 ISO 13314 进行紧缩-紧缩测验的试样几许形状。文献中提出的带有螺纹端 (B) 和实心平端 (C) 的试样几许形状,用于进行单轴拉伸准静态和疲惫测验。(D) 用于准静态改变试验的实心圆柱端试样

  图 4。(A) 金属蜂窝资料紧缩测验的典型试验应力-应变曲线,在这种状况下,是由 L-PBF 制作的 Ti6Al4V 骨架陀螺晶格,密度为 12.5%。初始弹性呼应之后是 20 MPa 的第一个屈从点,之后是一个具有大约 15 MPa 邻近稳定应力的渠道区域,该区域继续到高应变,终究彻底细密化和应力添加。(B) 不同密度蜂窝结构的应力-应变曲线:更高的晶格密度导致弹性区域的初始刚度添加,屈从强度更高,相应的渠道应力也更高。因为存在更多的资料,关于更高密度的样品,在更小的应变下产生彻底细密化。

  图 8。具有晶格结构的示范性 Ti6Al4V 生物医学植入物;(AI) 经过 EB-PBF [20]制作的菱形十二面体元网状网状颅骨置换原型,(A.II) L-PBF 多孔股骨,(BI) 混合骨盆带,经过 EB 制作的右风髂骨置换植入物-PBF 并合适骨骼模型,由我国沉阳金属研讨所 (IMR) 的 SJ Li 博士供给。(B.II)混合髋关节植入物,在一个单件与合理规划的多孔质部联合收割机实心区域在一个单步制作的添加剂的制作进程 (C) 经过 L-PBF 制作的几许优化和功用分级的晶格髋关节植入物是全实心植入物的 41.9% 。

  图 10。(A) 晶格结构规划优化办法的流程图,(B) Ti6Al4V 枕式支架规划的说明性过程

  图 11。(A)参加蜂窝晶格的AM汽油活塞和销的剖面图,质量削减了 25%,并改进了要害区域的冷却(由 IAV 轿车工程供给)。(B)经过 L-PBF 制作的用于井下运用的石油和天然气Inconel 718 组件,质量削减 42.4%。该组件经过运用两个“蛇形”内部通道在油井上下泵送流体[128]。规划的组件直径为 81.3 毫米,高度为 135.9 毫米。(C) 由 L-PBF 制作的 Ti6Al4V 轻型格架支架在试验车辆中施行. (D) 具有经过 L-PBF 制作的晶格芯的赛车气缸盖的轻量化规划,分量减轻 63%,内部冷却外表大 11 倍以上(由SLM解决方案供给)。顶部和底部图画代表传统和轻量级规划。(E) 钛航空支架由 Materialise 团队规划,分量减轻 63%,由 GE 航空制作,用于航空航天运用。(F) 雷尼绍蜘蛛支架于 2017 年初次展现,由 L-PBF 在 Ti6Al4V 中制作

  图 14。TPMS 陀螺受压损坏机制的差异:(a) 壁开裂和对角线或剪切损坏带,(b) 壁折叠和分层坍毁也导致结构胀大。

  图 18。热管理运用规划中触及的晶格结构示例。更具体地说,由Inconel 718 经过 L-PBF 制作的带有晶格壁的全体推力室旨在增强流体传输,一起充任冷却体系(由 Cellcore 和SLM Solutions 完结)。一种拓扑优化的晶格散热器设备,可确保活动再循环(由普渡大学[205] 完结)。一种填充三重周期最小外表晶格的热交换器,用于航空涡轮机(由 nTopology[206]完结))。B) 适用于电子运用的散热器选用的 TPMS 结构的其他示例(由 nTopology [207]完结)。C)用于 F1 赛车的超轻铝合金AM热交换器(由 Betatype 和 Progressive Technologies [208] 完结)。

  除了特点运用空间之外,本文还概述了制作应战,为规划和制作工程师供给了全面的资源,激起并进一步推进运用这些类型的结构制作各种新零件和产品的新发展的运用范畴。回来搜狐,检查更多

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