西安交通大學(xué)科技成果-增材制造(3D打印)技術(shù)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)西安交通大學(xué)科技成果增材制造（3D打?。┘夹g(shù)團隊簡介西安交通大學(xué)自1993年開始增材制造（3D打印）技術(shù)研究，是國內(nèi)最早開展增材制造技術(shù)研究的單位之一。經(jīng)過二十年的發(fā)展，西安交通大學(xué)形成了多種增材制造工藝和裝備，建立了以快速制造系統(tǒng)為特色工程應(yīng)用的研究隊伍，產(chǎn)生了以盧秉恒院士為學(xué)術(shù)帶頭人的“增材制造”教育部創(chuàng)新團隊。研究團隊依托機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室（西安交通大學(xué)）開展基礎(chǔ)研究，在高分子材料、金屬、陶瓷、復(fù)合材料、智能材料的增材制造等方面取得進展，多項技術(shù)成果處

2、于國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平。為推動3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，在2000年成立“教育部快速成形制造工程研究中心”（市場經(jīng)營主體為陜西恒通智能機器有限公司），2007年成立“快速制造國家工程研究中心”（市場經(jīng)營主體為西安瑞特快速制造工程研究有限公司）。建立了一套支撐產(chǎn)品快速開發(fā)的快速制造系統(tǒng)，研制、生產(chǎn)和銷售16個型號的激光快速成型設(shè)備、快速模具設(shè)備及三維檢測設(shè)備。同時開展快速原型制作、快速模具制造以及逆向工程服務(wù)。產(chǎn)品在全國各院校、汽車、電器等企業(yè)銷售應(yīng)用十多年，客戶近萬家。近年協(xié)助政府和企業(yè)在多個地區(qū)成功建立產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的推廣基地、快速成形制造服務(wù)制造中心。通過企業(yè)化運作，目前在全國已建立創(chuàng)新服務(wù)平臺

3、20多家，創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地近10家，為2000多家企業(yè)提供新產(chǎn)品創(chuàng)新創(chuàng)意設(shè)計及快速制造服務(wù)。通過近二十年的技術(shù)研發(fā)與推廣應(yīng)用，設(shè)備用戶遍布醫(yī)療、航空航天、汽車、軍工、模具、電子電器、造船等行業(yè)。此外，還積極拓展國際市場，相關(guān)設(shè)備銷售到印度、俄羅斯、肯尼亞等國家，成為具有國際競爭力的快速成形設(shè)備制造單位。2016年工業(yè)與信息化部批準在西安成立國家增材制造創(chuàng)新中心，中心聯(lián)合國內(nèi)主要科研與產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢單位開展共性技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化孵化作用。西安交通大學(xué)在增材制造方面獲得國家科技進步二等獎1項，國家技術(shù)發(fā)明二等獎3項，省部級一等獎4項，在增材制造領(lǐng)域獲得發(fā)明專利400余項。以下為本研究團隊的近年來的研究成

4、果。團隊項目（1）航空發(fā)動機空心渦輪葉片的型芯型殼一體化快速精鑄技術(shù)空心渦輪葉片是航空發(fā)動機、大型艦艇發(fā)動機、重型燃氣輪機等核心關(guān)鍵部件，被譽為“皇冠上的明珠”，其制造技術(shù)是我國“兩機”重大專項核心技術(shù)之一，因技術(shù)難度大、發(fā)展起步晚、國外封鎖嚴等，成為制約航空發(fā)動機和燃氣輪機提升的技術(shù)瓶頸。西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室將3D打印技術(shù)和成熟的精密鑄造技術(shù)融合，發(fā)明了航空發(fā)動機高溫合金葉片型芯型殼一體化的快速精鑄技術(shù)。該技術(shù)可顯著提升復(fù)雜葉片的制造能力、大幅縮短葉片制造的工藝路線、大幅降低制造對葉片設(shè)計的限制，對我國航空發(fā)動機制造體系和研制體系能力的提升具有重大的革新意義。目前在國家

5、項目支持下，研究團隊已攻克了該技術(shù)的關(guān)鍵難題，形成了完備的技術(shù)體系，建成了小批量生產(chǎn)線，具備了服務(wù)于我國先進航空發(fā)動機創(chuàng)新設(shè)計的能力。航空發(fā)動機空心渦輪葉片的快速精鑄的技術(shù)原理如圖1所示。以CAD數(shù)字數(shù)據(jù)直接驅(qū)動，利用光固化3D技術(shù)成形制造高精度復(fù)雜內(nèi)腔的樹脂原型，采用凝膠注模方法將陶瓷漿料一次貫注成型，冷凍干燥處理后，燒失樹脂原型和燒結(jié)陶瓷，經(jīng)過強化處理后，制備出芯殼一體化陶瓷鑄型，在此鑄型中澆鑄金屬，經(jīng)凝固、脫芯等工序，即可得到高溫合金葉片。航空發(fā)動機高溫合金葉片的快速精鑄技術(shù)的技術(shù)原理航空發(fā)動機渦輪合金葉片的型芯型殼快速精鑄技術(shù)相比于傳統(tǒng)熔模鑄造和直接金屬3D打印葉片的優(yōu)勢和先進性體現(xiàn)在

6、：1、成品率高：型芯型殼一體化的原理性優(yōu)勢，精度高、性能好；2、利潤率高：得益于3D打印和成品率較高，周期/成本曲線優(yōu)異；3、需求匹配好：精度高、性能好、周期短、成本低。該技術(shù)主要應(yīng)用：1、服務(wù)于葉片的創(chuàng)新設(shè)計；致力于為葉片的創(chuàng)新設(shè)計提供全周期、全工況的解決方案；在葉片的論證、選型到最終定型中，可提供PIV冷態(tài)流動樹脂模型、葉柵、等軸晶、定向晶乃至單晶葉片；2、服務(wù)于葉片的先進制造；先進冷卻結(jié)構(gòu)的一體化鑄造成形：采用型芯/型殼一體化快速精鑄技術(shù)，可實現(xiàn)雙層壁冷型芯，氣膜孔型芯的直接成型，縮短了加工周期。3、先進鑄造技術(shù)；型芯/型殼一體化快速精鑄模殼高溫性能優(yōu)異，滿足定向晶/單晶航空發(fā)動機葉片先

7、進鑄造技術(shù)的使用要求，目前已實現(xiàn)航空發(fā)動機葉片定向凝固制造。4、該技術(shù)還可以用于其它復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造上，是3D打印與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)的結(jié)合。（2）野外環(huán)境3D打印維修保障系統(tǒng)“野外環(huán)境3D打印維修保障系統(tǒng)”是針對野外環(huán)境條件裝備應(yīng)急搶修所研發(fā)的野外修復(fù)裝備，系統(tǒng)包括零部件數(shù)據(jù)庫軟件、三維反求測量系統(tǒng)、金屬激光3D打印系統(tǒng)及后處理模塊等，其中零部件數(shù)據(jù)軟件具備對零部件的上傳、存儲、下載、預(yù)覽等功能，三維反求測量系統(tǒng)具備對破損零部件的掃描、反求、智能解算破損量等功能，金屬激光3D打印系統(tǒng)具備對精度要求較高的小型零件進行精確修復(fù)和直接成形功能，后處理模塊具備對修復(fù)完好的零部件進行機加工處理等功能。野外

8、環(huán)境3D打印維修保障系統(tǒng)攻克了復(fù)雜零部件三維形貌快速掃描測量及建模技術(shù)、野外環(huán)境下成形過程控形控性技術(shù)、缺損模型與待修零件坐標轉(zhuǎn)換技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問題，系統(tǒng)集掃描、反求、修復(fù)等功能為一體，具備野外環(huán)境條件下對受損裝備進行快速修復(fù)的功能。野外環(huán)境3D打印維修保障系統(tǒng)可用于野外裝備應(yīng)急搶修、遠洋船伴隨保障、偏遠海島及高山設(shè)備維護、工礦企業(yè)裝備與模具修復(fù)日常維護等。研究成果參加“第二屆軍民融合發(fā)展高科技成果展覽”。3D打印維修樣機3D打印系統(tǒng)運輸方艙（3）高性能連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印工藝本項目以連續(xù)纖維增強熱塑性聚合物基高性能復(fù)合材料零件直接3D打印為目標，采用連續(xù)纖維與熱塑性聚合

9、物為原材料，利用復(fù)合浸漬-熔融沉積的3D打印工藝實現(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件的低成本一體化快速制造，打印的復(fù)合材料零件的拉伸與彎曲強度分別達到340MPa與390MPa，該技術(shù)既改進了傳統(tǒng)3D打印零件強度不足的缺點推動了3D打印技術(shù)向工業(yè)化應(yīng)用的進程，又克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料成型工藝成本高、周期長的技術(shù)瓶頸促進了復(fù)合材料在將來的進一步發(fā)展與應(yīng)用，是一次具有革命性的創(chuàng)新與突破。該技術(shù)屬于國內(nèi)首創(chuàng)，獲得多項自主知識產(chǎn)權(quán)，受到國內(nèi)外越來越多機構(gòu)的關(guān)注，在國內(nèi)，本項目得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、載人航天等項目的支持，開展關(guān)于工藝機理與裝備等方面的研究，探索該工藝在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景，在國

10、外，分別與德國、俄羅斯等研究單位合作。連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印成形機理在當今全球3D打印領(lǐng)域快速發(fā)展的形勢下，復(fù)合材料3D打印具有巨大的發(fā)展前景，據(jù)SmarTech預(yù)測，至2026年全球用于3D打印的復(fù)合材料收入將超過5億美元，未來十年內(nèi)復(fù)合材料將成為3D打印最主要的市場機遇，目前該項技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出了成熟的工業(yè)設(shè)備，形成了成熟的裝備-材料-工藝體系，具備了商業(yè)化應(yīng)用的條件，已經(jīng)初步在復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面得到應(yīng)用，隨著該技術(shù)的成熟，將來必將在航空航天、汽車交通甚至民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。3D打印設(shè)備制作的復(fù)合材料零件（4）陶瓷光固化面成形技術(shù)研制了陶瓷光固化面成形3D打印技術(shù)包括自制設(shè)備與

11、軟件。該設(shè)備包涵基本光固化加工模塊和多材料光固化加工模塊，并有各自獨立算法?；竟夤袒庸つK由運動系統(tǒng)的控制、運動系統(tǒng)與曝光系統(tǒng)的整合、掩膜視頻信號與紫外光投影圖案的整合等三個部分組成，解決了因不同材料光固化性能的差異引起的成形工藝參數(shù)的在線更改、運動加減速導(dǎo)致的曝光時間不穩(wěn)定、多種投影圖案在線調(diào)整等難點。多材料光固化加工模塊可調(diào)用基本光固化加工模塊，但以換槽和清洗、掩膜在線更換功能為主，解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型內(nèi)部不同材料分層、同層內(nèi)不同材料的分時成形的問題，為非均質(zhì)結(jié)構(gòu)和多種光敏材料的一體化成形提供了自動化控制平臺。內(nèi)置分離力測量系統(tǒng)和膜帶式加工臺，解決了底曝光固化過程中普遍存在的脫層困難的瓶頸

12、問題，并有效地降低層間臺階效應(yīng)和內(nèi)部缺陷，提高陶瓷件的外層表面質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)精度。目前該技術(shù)不僅可完成氧化物陶瓷成形，也可用于樹脂、光敏水凝膠3D打印成形，具備通過多圖案的連續(xù)層迭代制造多尺度梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料支架。該技術(shù)可為制造高精度、大尺寸、高強度陶瓷零件提供技術(shù)基礎(chǔ)。陶瓷光固化面成形自制設(shè)備成形過程與陶瓷樣件（5）個性化PEEK骨科植入物3D打印技術(shù)對于腫瘤、創(chuàng)傷、疾病等原因造成的骨缺損或骨畸形患者，由于個體性差異大、病患程度不一等原因，傳統(tǒng)規(guī)范化的醫(yī)療植入物經(jīng)常無法滿足要求。因此本項目采用生物級聚醚醚酮（PEEK）材料作為原料，利用3D打印技術(shù)，快速定制個性化、高性能的骨科植入物，從而

13、滿足患者切身需求。相較于傳統(tǒng)金屬植入物材料而言，PEEK作為一種半結(jié)晶高分子材料，具有質(zhì)量輕，彈性模量接近原骨，減磨耐磨，生物相容性優(yōu)異和物化穩(wěn)定性好等優(yōu)點，成為目前生物假體植入物的理想材料之一。然而PEEK材料是一種高熔點（343）、大冷卻收縮率、半結(jié)晶的熱塑性材料，采用傳統(tǒng)加工方法，具有材料利用率低、成本高、難以直接成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)等問題。本項目團隊研發(fā)了一種以控性冷沉積為核心技術(shù)的3D打印方法以及智能工藝，可以依據(jù)應(yīng)用需求進行力學(xué)性能（如韌性、模量）的調(diào)控，實現(xiàn)了高性能聚醚醚酮骨科植入物低成本、高精度的控形控性快速制造。相關(guān)技術(shù)已經(jīng)完成了世界首例PEEK肋骨臨床應(yīng)用，在國際、國內(nèi)都處于領(lǐng)先地

14、位。骨科醫(yī)療器械行業(yè)屬于國家重點扶持的鼓勵類行業(yè)，醫(yī)療器械科技產(chǎn)業(yè)“十二五”轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)規(guī)劃等多項政策將骨修復(fù)材料、人工關(guān)節(jié)和脊柱等骨科植入物列為國家重點開發(fā)產(chǎn)品。根據(jù)多個調(diào)查機構(gòu)的報告顯示，骨科植入物市場，尤其是國內(nèi)骨科植入物市場快速增長態(tài)勢氣勢如虹，2015年市場規(guī)模達166億元人民幣，超過日本成為全球第二大骨科市場；2012-2015年復(fù)合增長率達18%，預(yù)計到2019年市場規(guī)模將超過300億元?？梢哉f，骨科植入物市場，尤其是國內(nèi)市場前景具有極大的發(fā)展?jié)摿Α６卷椖克邪l(fā)的PEEK個性化骨科植入物3D打印技術(shù)，是一種前沿的創(chuàng)新制造方法，將成為骨科植入物市場的新興熱門方向，具有極大的市場前景。

15、世界首例3D打印PEEK肋骨臨床應(yīng)用（2017年4月）PEEK顱骨假體（6）個性化3D打印醫(yī)學(xué)假體設(shè)計軟件系統(tǒng)（Ortho Design）針對目前3D打印制造個性化人工假體的設(shè)計缺乏力學(xué)分析依據(jù)和標準規(guī)范流程問題，該個性化3D打印醫(yī)學(xué)假體設(shè)計軟件系統(tǒng)，通過整合骨骼建模、假體宏觀建模、骨骼/假體裝配、優(yōu)化分析、假體微觀建模五個功能模塊，實現(xiàn)定制化人工假體智能快速宏觀外形設(shè)計、假體選型以及內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計后的假體擁有個性化的宏觀幾何形貌和個性化的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)，可直接應(yīng)用與3D打印制造技術(shù)，該結(jié)構(gòu)能夠促進假體植入后骨長入能力，提高植入后遠期假體穩(wěn)定性。內(nèi)植物設(shè)計：提供面向常用內(nèi)植物的關(guān)鍵幾何參

16、數(shù)設(shè)計方法，通過假體重要特征參數(shù)的尺寸縮放，實現(xiàn)假體快速建模；提供內(nèi)植物模型庫，允許用戶通過選擇不同型號的內(nèi)植物進行服役性能分析，輔助術(shù)前選型規(guī)劃；亦可通過CT圖像重建的方式設(shè)計完全定制化的內(nèi)植物。假體服役性能分析與優(yōu)化設(shè)計：軟件集成了有限元分析模塊，針對假體植入后服役性能進行生物力學(xué)分析開發(fā)了專用工具箱，簡化傳統(tǒng)假體有限元分析流程；在力學(xué)分析與優(yōu)化中，以內(nèi)植物植入后強度、早期穩(wěn)定性和遠期穩(wěn)定性為核心優(yōu)化準則，通過有限元方法對假體內(nèi)部彈性模量進行優(yōu)化，目的是提高假體的骨傳導(dǎo)能力，促進假體植入后骨長入。假體多孔設(shè)計：根據(jù)力學(xué)優(yōu)化分析結(jié)果中梯度模量分布或用戶需求自定義，通過對不同類型單元體進行陣列

17、的方式，自動生成局部或整體多孔結(jié)構(gòu)，便于3D打印個性化制造。個性化3D打印醫(yī)學(xué)假體設(shè)計軟件系統(tǒng)應(yīng)用實例：人工髖關(guān)節(jié)股骨柄軟件可以應(yīng)用于：人工假體快速敏捷設(shè)計平臺，解決了醫(yī)療器械公司缺乏產(chǎn)品設(shè)計依據(jù)和送檢產(chǎn)品選型的難題；人工假體服役性能便捷評價平臺，在兼顧假體常規(guī)的安全性、穩(wěn)定性、強度的基礎(chǔ)上考慮了假體植入后骨長入性能的促進對假體植入后遠期穩(wěn)定性的影響。為醫(yī)療器械公司和醫(yī)生開發(fā)出更長壽命假體提供優(yōu)化平臺。多孔假體模型的自動構(gòu)建平臺，模型可直接應(yīng)用與3D打印制造系統(tǒng)，解決了目前最為嚴峻的醫(yī)療器械公司和醫(yī)生對可3D打印制造的個性化多孔模型的需求。（7）關(guān)節(jié)軟骨缺損修復(fù)3D打印技術(shù)關(guān)節(jié)是人體的承載組織

18、和運動器官。關(guān)節(jié)損傷是危害人體運動功能的多發(fā)疾病，直接影響人的運動、進而影響生活健康和生活質(zhì)量?，F(xiàn)有金屬和惰性陶瓷的人工關(guān)節(jié)雖已在關(guān)節(jié)疾病后期的治療上獲得了廣泛應(yīng)用，但因磨損造成的松動而發(fā)生失效。臨床醫(yī)學(xué)對大面積骨/軟骨缺損的再生修復(fù)有迫切需求。因此如何在關(guān)節(jié)疾病早、中期進行治療并形成活性關(guān)節(jié)再生是再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展的迫切需求、定制化大尺寸骨/軟骨支架設(shè)計制造成為關(guān)節(jié)軟骨缺損修復(fù)、關(guān)節(jié)組織工程發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。大尺寸骨/軟骨支架的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計方法該技術(shù)以大尺寸骨/軟骨缺損為研究對象，針對關(guān)節(jié)體內(nèi)力學(xué)和生物學(xué)環(huán)境需求，圍繞多材料與宏微觀骨/軟骨支架設(shè)計制造和功能評價方法的需要，所開發(fā)的活性骨和軟骨

19、人造組織同步制造和體外評估方法，為發(fā)展具有良好力學(xué)和生物學(xué)功能的人工活性組織關(guān)節(jié)提供科學(xué)基礎(chǔ)與工程實現(xiàn)方法。研發(fā)了大尺寸骨/軟骨支架的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。利用該方法，通過研究膝關(guān)節(jié)力學(xué)環(huán)境因素對植入物結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系，已發(fā)現(xiàn)了關(guān)節(jié)韌帶、半月板、軟骨與骨界面結(jié)合特征與步態(tài)的作用關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上，建立了面向羊膝關(guān)節(jié)半髁置換的大面積骨軟骨支架的設(shè)計和手術(shù)方法。研發(fā)了多材料和多尺度結(jié)構(gòu)支架精確光固化增材制造方法，已形成了大尺寸仿生支架制造的實驗平臺與設(shè)備。該設(shè)備以新體系光固化陶瓷漿料和打印方法為核心，建立了無分層結(jié)構(gòu)的連續(xù)打印現(xiàn)象。目前該技術(shù)具有成形過程的缺陷自動控制策略，形成了2套完整的光固化陶瓷

20、3D打印工藝方案與實驗樣機，可滿足動物實驗所需的大尺寸仿生支架（30mm30mm30mm）的快速制造和個性化結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與精度需求。關(guān)節(jié)軟骨缺損修復(fù)實驗羊股骨半髁缺損的新生軟骨（左圖為大體觀察，右圖為組織學(xué)染色）實現(xiàn)了同時滿足骨軟骨力學(xué)環(huán)境和生理環(huán)境的體外培養(yǎng)和評估系統(tǒng)，動物實驗（兔、犬、羊）驗證了骨軟骨復(fù)合材料支架的設(shè)計制造的有效性。利用該技術(shù)，可對不同載荷等力學(xué)環(huán)境下自然關(guān)節(jié)組織的生存狀態(tài)進行研究。已經(jīng)初步證實力學(xué)條件對于自然關(guān)節(jié)組織的促進作用；初步建立并進行了羊股骨內(nèi)側(cè)髁大塊骨軟骨缺損模型動物實驗及體內(nèi)生物性能檢測，發(fā)現(xiàn)通過仿生設(shè)計、生物陶瓷/水凝膠復(fù)合大塊骨軟骨修復(fù)體可以修復(fù)羊膝骨軟骨缺

21、損，修復(fù)性能良好。利用該技術(shù)通過研究多材料定制化大尺寸骨/軟骨支架，系統(tǒng)進行了相關(guān)的設(shè)計、制造、評估及動物試驗方面的基礎(chǔ)、前沿研究，為臨床應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。（8）可降解個性化替代物3D打印與臨床應(yīng)用本項目采用可降解材料進行3D打印，以乳房修復(fù)和氣管軟化病為應(yīng)用開展了研究工程。乳腺癌是影響全球婦女的第一大惡性腫瘤，傳統(tǒng)的全切手術(shù)曾對女性患者造成了嚴重的身體和心理的雙重傷害。隨著保乳手術(shù)逐漸成為女性乳腺癌患者的一種標準術(shù)式，現(xiàn)有的硅膠假體和自體組織填充物很難滿足乳腺完美重建的功能需求。個性化可降解柔性乳腺支架的設(shè)計制造與臨床應(yīng)用針對該問題，本項目建立了柔性可降解軟組織支架仿生設(shè)計與3D打印方法體系，和第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院合作，實現(xiàn)了國際首例的個性化可降解柔性乳腺支架的臨床試驗，目前已完成4例，不僅可實現(xiàn)初期形態(tài)與力學(xué)性能匹配，后期還可通過患者乳腺組織再生與支架降解實現(xiàn)自體修復(fù)，從而為乳腺癌的保乳治療