生物涂层材料添加制造中的界面力学和优化设计

Additive manufacturing (AM) is defined as the process of joining materials to make near net-shaped objects, usually layer by layer, from 3D CAD data. It is the most promising technology developed in the last two decades. This project focuses on developing the techniques of finite element (FE) simulation, the temperature and stress calculation, the material interface performance analysis and the numerical method of topology optimization for five-axis focused ion beam or direct laser rapid sintering based AM, as well as developing the process of fabricating bioactive coating on a complex curve surface or a hierarchical cellular structure based on these techniques. The main work includes: (1) fabricating coating materials that meet the requirements of the AM plasma spraying, with strictly controlled particle size and shape. (2) taking the bioactive coating of a complex surface or cellular structure in biomedical engineering as an example, establishing its additive manufacturing conditions, developing the process of its additive manufacturing and studying its interfacial bond strength. (3) developing the algorithms of topology optimization for designing products of AM. (4) establishing the interface mechanics model for the products and developing finite element method for analysing the products' thermal stress, residual stress, and the equivalent material parameters.

添加制造（AM）是制造业近二十年发展起来的最具前景的近净成形加工技术。本项目研发用于五轴联动激光烧结成型和聚焦离子束添加成形过程的有限元仿真分析，加工零部件温度和应力分部计算，材料界面性能分析及拓扑优化设计数值方法。在此基础上研制复杂曲面和多级蜂窝结构的生物涂层的添加制造工艺。内容主要包括:（1）制备符合AM等离子喷涂工艺要求的喷涂原料，严格控制粒度、形状等。（2）以生物医学工程中的复杂曲面和蜂窝结构生物涂层材料为研究对象，建立添加制造中相应的合理添加条件和工艺，对界面结合强度进行研究。（3）开发适用于在添加制造环境下的产品拓扑优化设计算法。（4）建立起添加制造中复杂构件界面力学模型，及其分析热应力，残余应力和等效材料参数的有限元计算方法。

本项目研究了添材制造中构件加工成形过程的有限元分析，加工零部件温度和应力分部计算及力学性能表征，材料界面性能分析及拓扑优化设计数值方法。首先，根据国内外的现有研究状况，课题组把以激光3D打印的80Ni20Cr合金的层−层正交和层−层同向两种不同层激光加工路径打印的合金样件为例，研究其微结构特征和力学性能。证明了层−层正交工艺打印合金样件的孔隙率要低于层−层同向工艺打印合金样件的，微观硬度和拉伸性能也要优于采用层−层同向工艺打印合金样件的，其抗拉强度可达410 MPa，硬度可达406 HV0.2，对后续改进添材制造工艺有指导意义。其次，本项目研发了利用非接触激光扫描方法提高FDM热塑性塑料表面质量的有效方法，在3w CO2激光功率达到150mm/s的扫描速度，30ms延迟扫描，和0.025线的差距条件下，PLA表面粗糙度最大可减少67.83%。本项目的目的是探讨CO2激光扫描二次熔化的方法，用以提高融沉积成型PLA和ABS打印件表面光滑度。项目组成员还就3D打印件界面性能进行了实验研究与数值分析。研究发现通过3D打印在宏观尺度上能有效实现界面机械自锁。并用有限元对这种具有机械自锁的拉胀结构进行了数值分析及拉伸试验验证。数值分析和实验验证均证实了机械自锁对双材料复合材料结合界面结合力有显著增强作用。最后，我们将拓扑优化是概念用于解决连续介质中多种双模量材料的布局优化问题，为添材制造中构件拓扑优化设计奠定了基础。在本算法中，双模量材料被两种不同的各向同性材料所取代，以避免对设计领域的每次更新进行结构再分析。为了减小由于材料替换导致的局部刚度误差，根据局部应力状态和前面结构分析中使用的模量计算每个有限元的修正系数。数值结果表明，材料的最终布局由包括每个双模量材料的模量差异和材料模量之间的差异的因素决定。