华中科技大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074
针对航空航天、交通运输等领域对高吸能抗冲击构件的需求，具备超高吸能特性的力学超材料被广泛研究，主要包括晶格、板格、三周期极小曲面和仿生超材料。吸能的力学超材料通常具有极其复杂的空间结构，传统制造工艺难以成形。增材制造(Additive Manufacturing, AM)技术基于离散切片、逐层堆积的原理对构件进行快速成形，具有较高制造自由度，上述技术特点使其成为制造具有复杂微结构吸能的力学超材料的有效途径。系统地综述了吸能的力学超材料设计及其不同增材制造工艺的研究现状，并展望了吸能的力学超材料的设计与增材制造的发展趋势，揭示了仿生智能的可回复设计将成为具备吸能效果的力学超材料设计的发展方向。
激光技术 超材料 力学性能 能量吸收 增材制造 仿生设计 中国激光
2022, 49(14): 1402301
1 华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074
2 增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心，湖北 武汉 430074
空心涡轮叶片是燃气轮机热端的关键零部件，其结构十分复杂，制造难度极大。陶瓷型芯型壳是用于涡轮叶片铸造的重要部件，随着燃气轮机的热端工作温度逐渐升高，所需要的叶片结构也更加精细，传统的精密铸造工艺已经无法满足叶片快速升级换代的需求。激光增材制造技术无需模具，可以加速新产品的研发，缩短制造周期，满足个性化需求。目前可用于型芯型壳制造的激光增材制造技术主要有激光选区烧结和立体光刻两大类。主要介绍了这两大类激光增材制造技术在陶瓷型芯型壳制备方面的应用，从材料配方、素坯成形、后处理烧结等多个方面综述了当前国内外的最新研究进展，探讨了两类技术各自的优势、目前存在的问题以及未来发展的趋势。
激光技术 增材制造 空心涡轮叶片 陶瓷型芯型壳 激光选区烧结 立体光刻 中国激光
2022, 49(12): 1202002
1 1.华中科技大学 材料科学与工程学院, 材料成形与模具技术国家重点实验室, 武汉430074
2 2.增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心, 武汉430074
3 3.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室, 上海200050
随着科技的不断发展, Si3N4陶瓷在航空、机械、生物医疗等高新领域发挥着越来越重要的作用。本工作采用包覆助烧剂Al2O3-Y2O3后的Si3N4粉体为原材料, 利用数字光处理(Digital light processing, DLP)技术成功制备出Si3N4陶瓷, 并系统研究了浆料固相含量对Si3N4陶瓷浆料、DLP成形Si3N4陶瓷素坯和陶瓷性能的影响。研究表明, 浆料固相含量低于40.0% (体积分数)时, 浆料在30 s-1剪切速率下的粘度均小于2 Pa·s, 可用于DLP成形。在这种情况下, 浆料的单层固化深度随浆料固相含量的增加而减小。随着浆料固相含量的增大, DLP成形Si3N4陶瓷的相对密度和抗弯强度先升高后降低。固相含量为37.5% (体积分数)的样品获得最大的相对密度和抗弯强度, 分别为89.8%和162.5 MPa, 较固相含量为32.5% (体积分数)的样品分别提升了10%和16%。本研究通过对陶瓷浆料性能的优化, 提升了DLP成形Si3N4陶瓷的性能, 为Si3N4等非氧化物陶瓷光固化成形奠定了实验基础。
氮化硅 数字光处理 固相含量 相对密度 抗弯强度 Si3N4 digital light processing solid loading relative density flexural strength
1 1.武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 武汉 430070
2 2.武汉理工大学 材料科学与工程学院, 武汉 430070
3 3.华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室, 武汉 430074
4 4.武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070
5 5.深圳大学 增材制造研究所, 深圳 518060
压电陶瓷作为一类重要的功能陶瓷材料, 具备高强度、高硬度、耐腐蚀等优点, 可实现机械能和电能间的相互转换, 常被用于制备传感器、驱动器、电容器等压电器件, 在海洋探测、生物医疗、电子通讯等高端装备中发挥着重要作用。针对高端技术领域对压电功能器件智能化、集成化、轻量化的发展需求, 压电陶瓷的外形和结构越来越复杂。注浆、注射、模压、切割等传统的压电陶瓷制造工艺, 大多需借助模具或刀具完成, 很难甚至无法制造具有中空、悬垂等复杂结构的压电陶瓷, 制约了压电功能器件的进一步发展。增材制造技术基于逐层累加原理可实现任意复杂结构快速定制, 具有成型效率高、无需模具等优点, 可满足个性化、整体化、复杂化制造需求, 近年来受到国内外压电陶瓷领域研究人员的广泛关注。本文从粉体、浆料、块材三种原材料形态角度, 综述了当前增材制造压电陶瓷的主要工艺种类及发展现状, 综合对比了各种工艺成型特点; 介绍了增材制造压电陶瓷在不同领域的应用进展; 最后, 总结和展望了增材制造压电陶瓷所面临的挑战和未来可能的发展趋势。
压电陶瓷 增材制造 工艺种类 结构 应用 综述 piezoceramic additive manufacturing process types structure application review
1 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430074
2 信阳同合车轮有限公司, 河南 信阳 464100
提出一种基于二维轮廓数据的旋转扫描系统标定方法。分别对每个传感器采集的二维轮廓数据提取关键特征,通过建立特征间的匹配关系来实现多传感器相对位姿的精确标定;利用激光平面、标靶和转轴三者的几何约束关系来求解转轴的初始解,同时根据标靶的几何尺寸建立目标优化函数,迭代求解出转轴的精确解。实验结果表明,系统测量精度可达0.08 mm,测量时间为20 s,所提方法不仅可替代人工检测,实现车轮尺寸的在线测量,还可以推广应用到其他大型回转体三维测量中。
测量 尺寸检测 线激光传感器 多视拼合 转轴标定
华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430074
基于机器视觉的加工控制过程中，对工件上待加工点的定位是关键，其难点在于构建一种形状描述方法，既要能实现形状匹配，又要能完成定位，且满足加工过程中的精度和实时性要求。为解决上述问题，提出了一种基于多边形拟合的形状匹配和定位算法。该方法针对平面二维(2D)轮廓，通过对轮廓进行多边形拟合，获取轮廓上关键点，然后构建形状描述子用于形状匹配，再利用这些关键点坐标进行定位计算，获得模板轮廓到目标轮廓的变换关系。结果表明，通过运用所提出的旋转不变性形状描述算法，可获得高精度、高实时性的形状匹配和定位算法。
机器视觉 形状匹配 定位 多边形拟合 激光与光电子学进展
2016, 53(4): 041501
1 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430074
2 武汉惟景三维科技有限公司, 湖北 武汉 430074
多视点云拼接技术是物体三维测量过程中的重要环节。现有的无标志点三维点云自动拼接方法在对不同表面进行测量拼接时稳定性较差。针对此问题，提出了一种基于几何特征和图像特征的点云自适应拼接方法。该方法建立了一个配准算法选择模型，通过引入配准算法判断因子来综合评价物体表面的几何、纹理复杂程度，从而系统可根据判断因子自适应地选择合适的配准算法，实现基于几何特征配准和基于图像特征配准的有机结合。并在特征点匹配过程中，采用随机抽样一致（RANSAC）算法对误匹配特征点进行剔除。实验结果表明，该方法可实现不同表面的稳定点云拼接。
机器视觉 自适应拼接 判断因子 几何特征 图像特征 去除误匹配
1 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430074
2 武汉钢铁(集团)公司研究院, 湖北 武汉 430080
3 神龙汽车有限公司技术中心, 湖北 武汉 430056
焊接是汽车制造中最主要的工序之一，已经在实际生产中得到广泛应用，汽车用钢和焊接工艺均会对最终的焊接质量产生重要影响。从材料的强化机制和表面镀层性质两方面，阐述了汽车用钢的基本分类及其特点。详细介绍了汽车用钢的点焊、激光焊、电弧焊等常见焊接工艺的特点及应用范围，从钢板镀层特性、化学成分、焊接工艺参数、焊接的接头性能等角度，综述了国内外对汽车用钢不同焊接工艺影响因素的研究进展。结合未来第三代先进高强汽车用钢、铝合金和镁合金的研发与应用，探讨了当前汽车用钢的焊接新技术，对未来焊接技术的发展趋势进行了展望。
材料 汽车用钢 焊接 镀层 激光 激光与光电子学进展
2015, 52(1): 010004
1 武汉理工大学 物流工程学院 港口装卸技术交通运输行业重点实验室，武汉 430063
2 华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉 430074
为了提高选择性激光烧结制件的相对密度，使用冷等静压进行致密化。在Drucker-Prager-cap模型的基础上对选择性激光烧结制件的冷等静压过程进行数值模拟，并对模拟结果进行了理论分析和实验验证。结果表明，通过冷等静压工艺可使选择性激光烧结制件的相对密度明显提高，制件收缩比较均匀，典型尺寸的实验结果与目标尺寸的误差在0.41mm以内，模拟结果与实验比较符合。对选择性激光烧结制件进行冷等静压处理，拓展了粉末激光快速成形技术的应用领域，为其应用于工程实际奠定了技术和实验基础。
材料 相对密度 模拟 选择性激光烧结 materials relative density simulation selective laser sintering
华中科技大学材料成形及模具技术国家重点实验室,湖北 武汉 430074
为了获得高密度复杂形状氧化铝陶瓷件, 提出采用覆膜和混合相结合的方式制备出含有机粘接剂w(PVA)＝1.5％和w(ER06)＝8.0％的Al2O3复合粉体, 对复合粉体进行选择性激光烧结(selective laser sintering, SLS)/ 冷等静压(cold isostatic pressing, CIP)成形、再经脱脂、高温烧结获得最终陶瓷零部件的制造方法。研究了激光烧结的4 个工艺参数, 得出在激光功率为21 W、扫描速度为1 600 mm/s、扫描间距为100 μm、单层层厚为150 μm时, 获得的SLS陶瓷坯体密度和强度较好, 较高强度的SLS坯体有利于后续其它工艺的进行。研究了具有随形包套的SLS陶瓷件的CIP工艺, 得出随着压力的增大, 陶瓷坯体的孔隙得到更大程度的消除, 粉体颗粒重排压实, 密度和强度显著提高, 而当CIP压力大于200 MPa时, 致密化速率减小。基于环氧树脂粘接剂的热重(TG)曲线分析, 对SLS/CIP试样进行合理的脱脂、高温烧结处理, 所得Al2O3陶瓷件相对密度大于92.26％。为制造高性能复杂形状的陶瓷件提供了一种新的方法, 并拓展了SLS技术的应用范围。
选择性激光烧结 等静压 相对密度 selective laser sintering isostatic pressing Al2O3 alumina ceramic relative density
