南京理工等 l 复合材料仿生薄壁结构力学性能研究，轻量化研究，PEEK人工骨研究等

| 3DScienceValley · 2024/02/16

谷专栏

根据3D科学谷《助力节能减排！“3D打印+工程塑料” 替代金属的可能性探讨》一文，热塑性塑料替代部分金属零件具有诸多益处，从阻燃性、耐化学性、比强度与耐热、表面电阻等应用性能需求的角度来考虑，都能够找到适合的3D打印工程塑料材料替代金属。

其中在航空航天领域热塑性塑料替代部分金属零件的一个明显的益处是：金属零件通常通过使用润滑油来降低摩阻，但同时也会增加腐蚀的风险。塑料在耐磨性方面具有其先天优势。PA、PEEK 材料都具备较好的自润滑的条件和较低的摩擦系数，PEEK 材料具备自润滑的条件和干态下比较低的摩擦系数，以及良好的耐腐蚀性，它的耐化学性能堪比镍钢，仅溶于浓硫酸和浓硝酸等一些强腐蚀性的溶剂。本期，通过节选近期国内PEEK等复合材料增材制造领域方面的时间与研究，3D科学谷与谷友一起来领略快速发展的复合材料3D打印。

面向激光增材制造的
仿生薄壁结构抗冲击研究

李佳、宋梅利、冯君、汤海斌

南京理工大学机械工程学院2. 南京理工大学瞬态物理国家重点实验室3. 南京理工大学智能制造学院

摘要：冲击载荷是航空航天装备结构设计中不可忽视的因素，设计承载能力高、吸能特性好的薄壁结构是研究热点。综合骨骼和蜂窝的结构特征，基于Voronoi算法，开展了类蜂窝六边形结构伪随机排布；参考骨质内疏松外紧密的排布特征，进行分区设计，来构造新型抗冲击结构。通过激光选区熔化钛合金和激光选区烧结纤维/PEEK(Polyether Ether Ketone，聚醚醚酮)复合材料结构的抗冲击仿真，对比了所构建的仿生薄壁结构与传统均布蜂窝结构的吸能特性。

仿真结果表明：相比于均布蜂窝结构，在轴向冲击条件下，激光选区熔化钛合金和激光选区烧结纤维/PEEK复合材料仿生薄壁结构的最大吸能量分别提高了17.7%和27.7%；在侧向冲击条件下，最大吸能量分别提高了422.6%和99.2%。所设计的仿生薄壁抗冲击结构在航空航天领域具有重要的应用前景。

PEEK/CCF复材增材制造
多重分形谱表面形貌评定方法

刘亚彪、杨净泉、闫娟、茅健、杨慧斌、高光亚

1. 上海工程技术大学机械与汽车工程学院2. 机械工业航空大型复杂薄壁件智能制造重点实验室3. 成都香城产业发展集团有限公司

摘要：随着航空事业的发展，增材制造(AM)被用于连续碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK/CCF)复材的成型制造中，其中AM工艺参数对PEEK/CCF复材加工形貌有较大影响。基于此提出了一种基于多重分形谱表面形貌评定方法，通过PEEK/CCF复合材料在AM中的成型速度(v)、成型厚度(s)、成型角度(θ)与加工表面粗糙度和表面形貌之间的关系设计了单因素试验，研究了PEEK/CCF复合材料在AM中的v,s,θ与表面形貌之间的关系，结合成型材料表面多重分形谱的方式，评定AM中所选工艺参数对表面形貌的影响，得到了加工表面粗糙度和表面形貌随v,s,θ的变化特点。

结果表明，v,s对材料表面形貌有明显影响，θ对表面形貌影响较小，通过试验验证了PEEK/CCF复合材料表面形貌有较好的分形特征，多重分形谱谱差ΔD(α)表征表面波峰波谷的占比，其值越大，材料表面形貌越复杂，分形谱的宽度Δα表征表面起伏程度，定性表征了形貌特征，最终工艺参数组合为v=20 mm/s,s=0.2 mm,θ=30°。

某机载雷达支架
轻量化设计及其成型工艺研究

韩博文

太原理工大学

摘要：在航空航天领域,机载构件的轻量化对提高飞机负载能力、飞行速度以及实现节能减排具有重大意义。机载雷达是飞机的重要设备部件之一,其中雷达支架作为雷达信号接收器的关键承载部件,其性能的优劣将直接关系到雷达信号接收器的精度,严重时将影响飞机的控制精度,甚至飞行安全。因此,在保证雷达支架能够安全、稳定、持续服役的前提条件下,通过采用轻量化设计和结构优化的手段,来进行支架减重以及增强支架结构动态稳定性的研究,有着重大的工程意义。

本文以某型雷达支架轻量化需求为目标,通过采用轻质材料对其进行轻质化设计,以及运用结构拓扑优化和尺寸优化的方法,对其结构展开面向增材制造(AM)的创新型拓扑结构探讨。首先,通过选用特种工程塑料聚醚醚酮(PEEK)替换支架原材料铝合金,雷达支架质量降低了53.6%,实现了轻量化。

对PEEK和铝合金两种材质的支架进行静态力学分析、模态分析以及随机振动分析,通过对比两者的静动态性能验证了PEEK支架的可行性,并为后续对支架进行优化提供了方向和数据参考依据。其次,基于原雷达支架结构的外轮廓尺寸并填补中间孔洞部分,建立起支架进行结构拓扑优化设计的初始模型。为在支架实现轻量化时兼顾其动态性能,在支架结构拓扑优化阶段,选择最小化支架体积和最大化支架前3阶固有频率为优化目标。针对支架多目标优化过程中体积与低阶固有频率出现此消彼长的矛盾,以及各子目标权重难以协调的问题,提出一种基于折衷规划法建立归一化子目标的综合目标函数,然后通过熵权层次分析法确定各子目标权重系数的多目标拓扑优化方法。

运用本文提出的优化方法,基于变密度法对雷达支架结构进行拓扑优化。依据支架多目标拓扑结构,并考虑其后续加工方式,对支架完成了改进设计。然后,通过对改进后支架的可设计尺寸参数进行灵敏度分析,筛选出对支架质量和1、2阶固有频率影响较大的尺寸参数作为设计变量,以最大化支架1、2阶固有频率为目标,支架总质量为约束,对支架结构的尺寸参数进行优化。对比分析优化前后支架结构的静动态性能,结果表明:最终设计出的新结构PEEK支架,相比原结构铝合金支架,其质量降低了53.6%;相比原结构PEEK支架,其静态最大变形和最大等效应力分别降低了63.2%和69.2%,前3阶固有频率分别提高了41.1%、17.7%和28.8%。综上所述,最终设计出的新结构PEEK支架在达到轻量化目标的同时,其静动态性能明显优于原结构PEEK支架,实现了雷达支架结构的优化。

最后,通过实验研究了部分3D打印成型工艺参数对打印PEEK拉伸样件尺寸变形、拉伸强度以及微观形貌的影响,在此基础上确定雷达支架的最佳成型方向,并完成了优化后雷达支架结构的增材制造,且成型效果较佳。

基于FDM原理的PEEK人工骨
增材制造技术基础研究

陈骥

上海交通大学

摘要：聚醚醚酮(Poly-Ether-Ether-Ketone,PEEK)材料因其具有力学性能优良及杨氏模量与人体皮质骨相近等优点,在临床医疗领域具有广泛的应用前景。熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)技术在人体植入物的个性化定制方面有独特的优势。但由于PEEK材料的熔点较高而热导率偏低,因此合理地选择PEEK材料在熔融沉积成型过程中的加工参数对增材制造植入物的力学性能至关重要。

本文系统研究了打印角度、喷嘴温度及环境温度对打印制件力学性能(拉伸与弯曲)的影响,获得了力学性能较优的PEEK增材制造工艺参数窗口,并结合断口微观形貌扫描和化学元素定量分析,揭示了不同工艺参数对制件力学性能的影响机理,并确定了杂质元素的含量与形貌。

为了进一步改善增材制造制件的力学性能,本文针对PEEK制件开展了不同温度区间的热处理保温试验,对比分析了热处理温度对制件力学性能的影响规律,并结合扫描电镜观测,揭示了热处理温度对制件力学性能的影响机理。增材制造过程层间形成的微孔是FDM技术的主要缺陷之一,本文研究了喷嘴温度、环境温度对制件微孔分布及不同尺寸的微孔所占体积分数的影响规律,并分析了制件热处理后微孔缺陷的分布规律,确定了针对PEEK增材制造过程减少微孔缺陷的后制造方法。

在以上研究结论的基础上,基于目前已有的增材制造设备与PEEK丝材,建立了人体颅骨植入物PEEK增材制造的最佳工艺参数组合:打印角度为0°,喷嘴温度为420℃,环境温度为80℃以及热处理温度为250℃。本文的研究成果为PEEK材料的熔融沉积成型技术在人体植入物领域的应用提供了实验依据和参考。

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