Uncertainty Quantification and Composition Optimization for Alloy Additive Manufacturing Through a CALPHAD-based ICME Framework
在粉末生产过程中,预合金粉末组成通常偏离目标组成,导致增材制造(AM)部件的不期望的性质。因此,我们开发了一种基于CALPHAD的ICME框架(CALPHAD:calculations of phase diagrams,ICME:integrated computational materials engineering)进行高通量计算和不确定性量化的方法,以高强度低合金钢(HSLA)为例进行成分优化。我们分析了围绕HSLA-115的标称组成的450,000种组成的工艺-结构-性能关系。性能的关键性能,如屈服强度,冲击转变温度和可焊性,进行了评估,以优化组合物。在与初始组成相同的不确定性下,确定了优化的平均组成,这将实现成功的AM构建的概率提高了44.7%。本策略是通用的,并且可以应用于其他合金成分优化,以扩大用于增材制造的合金的选择。这种方法还需要高质量的CALPHAD数据库和ICME预测模型。
2020-12-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Lack of Fusion in Additive Manufacturing: Defect or Asset?
增材制造(AM)中热源和原料之间的快速冷却速率和随机相互作用导致强各向异性和工艺引起的缺陷,使打印部件的拉伸延展性和抗疲劳性恶化。我们表明,通过故意引入高密度的未熔合(LoF)缺陷,到目前为止已经避免的处理制度,然后进行压力辅助热处理,我们可以打印Ti-6Al-4V,其纹理减少,性能优越,超过锻造,铸造,锻造,退火,固溶处理和老化的对应物。这种改善是通过在修复时在LoF缺陷周围形成低纵横比的α-晶粒来实现的,所述α-晶粒被α-板条包围。这种情况是由于表面能降低和再结晶事件发生在LoF缺陷愈合。我们的方法来设计双微结构是适用于广泛的AM工艺和合金,并可用于损伤容限微结构的设计。
2021-04-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Numerical simulation of thermal conductivity of stainless steel and Al-12Si powders for additive manufacturing
本文建立了一个颗粒在尺寸和空间坐标上随机分布的部分熔化粉末床的三维模型。对AISI 316L不锈钢和Al-12 Si粉末在真空、空气和氩气中的温度分布进行了数值模拟,分析了多孔介质中的非稳态传热。数值模型表明,在低导热系数的粉末如不锈钢的情况下,通过气相的热传递的效果很大。当孔隙率为65%或更高时,传热机理发生了急剧的变化,文献中常用的导热系数与孔隙率的线性关系变得不正确。讨论了固结系数和粒度分布对粉末有效传热的影响。所获得的有效热导率对孔隙率和固结系数的依赖性可用于增材制造应用中。
2022-02-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Self-supporting structure design in additive manufacturing through explicit topology optimization
面向增材制造(AM)的拓扑优化中的挑战性问题之一是如何设计在制造过程中自支撑的结构而不引入额外的支撑材料。在目前的贡献,它是为了解决这个问题下,可以通过优化一组显式的几何参数,找到最佳的结构拓扑结构的显式拓扑优化框架。提出了基于移动可变形构件(MMC)和移动可变形空洞(MMV)框架的两种求解方法,并分析了面向AM的拓扑优化的一些理论问题。数值算例验证了所提方法的有效性。
2017-04-20 physics.app-ph
Experimental Investigation of the Structural Performance of Composite Structures Produced using Additive Manufacturing
本研究采用RFP熔融沉积成型与LFS立体光刻两种增材技术制备不同纤维增强复合试样,开展多力学性能试验并与传统固化复合材料对比,为航空航天用3D打印结构损伤模型开发提供实验基础。
2023-12-06 physics.app-ph
Additive Manufacturing for Advanced Quantum Technologies
本文综述增材制造在量子技术中的应用现状,涵盖光学、光机械、磁性元件与真空设备,并展望其未来发展路径及潜在影响领域。
2025-03-14 physics.app-ph quant-ph
First 3D Printed IH-Type Linac Structure -- Proof-of-Concept for Additive Manufacturing of Linac rf Cavities
增材制造(或“3D打印”)已成为快速成型和制造复杂几何形状的强大工具。随着技术的发展,以这种方式制造的零件的质量和精度不断提高。对于粒子加速器的世界来说,特别有趣的是不锈钢(和铜)零件的3D打印过程。我们展示了第一个通过金属3D打印制造的全功能IH型漂移管结构。一个433 MHz的原型腔已经建成,作为该技术的概念验证。腔体被设计成具有UHV能力,并且包括到达DTL结构的杆中的冷却通道。我们提出了这个原型的第一个实验结果。
2021-05-27 physics.acc-ph physics.app-ph
Development of Wire + Arc Additive Manufacturing for the production of large-scale unalloyed tungsten components
由于材料的低温脆性和高氧化敏感性,耐火金属部件的制造存在一些限制。粉末冶金通常是选择的工艺过程。最近,Wire + Arc增材制造已被证明能够通过使用高质量的线材作为原料,以相对较低的成本生产完全致密的大型金属零件。在这项研究中,这种技术已被用于生产大型钨线性结构。已经研究并优化了送丝方向,以获得无缺陷的钨沉积物。特别地,与侧面送丝相比,正面送丝消除了孔隙和微裂纹的发生。对镀层的显微结构、缺陷的产生及其与沉积工艺的关系进行了讨论。尽管重复的热循环和材料固有的脆性,沉积结构是免费的内部裂纹和层的尺寸是稳定的,在整个沉积过程中。这使得生产一个相对较大的组件,尺寸为210 × 75 × 12毫米。这项研究表明,线+电弧增材制造可用于生产大规模的非合金钨零件通过完全融合,提出了一个潜在的替代粉末冶金制造路线。
2019-02-13 physics.app-ph
Grain refinement of stainless steel in ultrasound-assisted additive manufacturing
通过基于熔融的增材制造(AM)或3D打印制造的金属和合金经历了复杂的熔化和凝固动力学,对有效控制晶粒结构提出了挑战。在这里,我们报告使用高强度超声波,控制316L不锈钢AM过程中的凝固过程。我们发现,使用超声波有利于柱状等轴转变,促进形成细等轴晶粒与随机晶体织构。此外,超声波的使用增加了晶粒的数量密度从305 mm-2至2748 mm-2,尽管在AM过程中的熔池中的冷却速率和温度梯度的相关降低。我们的晶粒尺寸和冷却速率之间的关系的评估表明,在AM过程中的微晶的形成是由超声增强。此外,超声波的使用通过降低大部分熔池中的温度梯度来增加凝固期间的成分过冷量,从而产生有利于晶粒成核、生长和存活的环境。这一新的认识为更好地利用超声波控制AM制造的金属产品中的晶粒结构提供了机会。
2020-10-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Volumetric Helical Additive Manufacturing
本文提出体积螺旋增材制造方法,通过光刻胶螺旋运动和调制器偏置在不放大投影图案的前提下实现多厘米级高分辨率快速打印。
2022-10-26 physics.app-ph
Evaluation of the tribological properties of metal matrix composite materials (MMCs) obtained by additive manufacturing using selective laser melting (SLM)
研究了Cr3C2陶瓷颗粒增强316L不锈钢基复合材料的力学性能和摩擦学性能。采用三种增强百分比(3、6和9wt.%)的钢基复合材料(SMC)由增材机械制造工艺(SLM:选择性激光熔化)制造。采用销盘磨损试验研究了其在室温下的磨损行为。使用扫描电子显微镜(SEM)分析磨损表面。结果表明,摩擦系数与增强量的变化没有明显的趋势或直接相关性,而磨损率随增强量的增加而降低。当质量分数为6%时,可获得较好的综合性能的强化。
2017-08-10 physics.app-ph
Zirconia UV-curable colloids for additive manufacturing via hybrid inkjet printing-stereolithography
目前,通过立体光刻(SLA)进行的陶瓷增材制造限于单一材料,并且受到强烈依赖于陶瓷颗粒-UV光相互作用的差的厚度分辨率的限制。结合选择性激光固化与喷墨印刷代表了一种新的策略,以克服这些限制。尽管如此,这种方法需要UV固化油墨,允许印刷材料硬化和烧结到高密度。在这项工作中,我们报告了如何设计一种喷墨打印的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ),它可以通过添加紫外光固化单体留下深刻的印象。我们特别展示了油墨的配方,特别是UV单体浓度如何影响印刷适性和UV固化。这导致印刷品首先耐溶剂洗涤,烧结后致密化至96%致密的YSZ层。
2019-03-18 physics.app-ph
Volumetric Additive Manufacturing of Silica Glass with Microscale Computed Axial Lithography
玻璃越来越需要作为制造复杂微观几何形状的材料,从紧凑型消费品中的微光学器件到用于化学合成和生物分析的微流体系统。随着玻璃的尺寸、几何形状、表面粗糙度和机械强度要求的发展,传统的加工方法受到挑战。我们介绍了微型计算轴向光刻(微CAL)的熔融石英组件,通过断层扫描照射的光聚合物,然后烧结的二氧化硅纳米复合材料。我们制造了内径为150微米的3D微流体,表面粗糙度为6 nm的自由形式的微光学元件,以及最小特征尺寸为50微米的复杂高强度桁架和晶格结构。作为一种高速、无层的数字光工艺过程,微CAL可以加工具有高几何自由度的极粘性纳米复合材料,从而实现新的器件结构和应用。
2021-10-04 physics.app-ph
Microstructure and thermal properties of unalloyed tungsten deposited by Wire + Arc Additive Manufacturing
钨被认为是核聚变反应堆腔室应用中最有前途的材料之一。Wire + Arc增材制造已经证明了沉积无缺陷大规模钨结构的能力,具有相当大的沉积速率。在这项研究中,沉积和热处理材料的微观结构已被表征;在这两种条件下,它主要表现为大的细长晶粒。在1273 K下热处理6小时对微观结构和热扩散率的影响可以忽略不计。热膨胀系数在4.5 × 10 -6 μ m-1 K-1 ~ 6.8 × 10 -6 μ m-1 K-1之间,镀层密度达到理论钨密度的99.4%;分别测量和计算热扩散率和热导率,并且对于两种测试条件,在300 K至1300 K之间的温度范围内看到显著降低。这些结果表明,丝+弧增材制造可以被认为是一种适合核部门钨部件生产的技术。
2019-02-15 physics.app-ph
Additive manufacturing of magnetic shielding and ultra-high vacuum flange for cold atom sensors
最近在理解和控制量子技术方面取得的进展,例如基于冷原子的技术,已经产生了具有非凡灵敏度的设备。为了在实验室环境之外实现这一潜力,需要减小尺寸、重量和功耗。在这里,我们展示了激光粉末床融合(一种增材制造技术)的使用,作为构成量子传感器的组件的生产技术。作为示范,我们使用增材制造构建了两个关键组件,即磁屏蔽和真空室。磁屏蔽的初始原型显示屏蔽因子在常规方法的3倍内。真空演示设备表明,3D打印的钛结构适合用作真空室,测试系统达到$5 \pm 0.5 \times 10^{-10}$ mbar的基础压力。这些演示显示出将增材制造用于基于冷原子的量子技术的相当大的前景,在未来能够实现改进的集成结构,从而减少尺寸,重量和组装复杂性。
2018-01-09 physics.app-ph physics.atom-ph physics.ins-det
Additive Manufacturing-Facilitated Blow Molding for Functional Thin-Walled Polymeric Structures
ETH Zurich(苏黎世联邦理工学院)
本文提出了一种增材制造辅助吹塑方法,用于制造具有可控几何形状和壁厚的薄壁聚合物结构,适用于多稳结构、折纸和软机器人等应用。
2026-02-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-ph
Finite Element Simulation of Microwave Technologies for PowderBased Volumetric Additive Manufacturing Processes
University of Victoria(维多利亚大学)
本研究通过有限元模拟探索微波体积增材制造,提出三种设备设计,实现选择性加热粉末材料,为陶瓷、金属等非光聚合材料开辟VAM新途径。
2026-10-09 physics.app-ph
Additive manufacturing of ceramics from preceramic polymers: A versatile stereolithographic approach assisted by thiol-ene click chemistry
在这里,我们介绍了一种通用的立体光刻路线,生产三种不同的含硅热固性材料,热处理后产生高性能陶瓷。我们的方法是基于一个快速和廉价的硫醇-烯自由基加成,可以应用于不同类别的预陶瓷聚合物与碳-碳双键。由于硫醇-烯点击反应的快速性和效率,该加成工艺过程可以在台式打印机上使用常规光源有效地进行。通过光引发的交联,液体预陶瓷聚合物转变成稳定的不熔热固性材料,其在聚合物到陶瓷的转变期间保持其形状。热固材料经热解后转变为收缩均匀、密度高的玻璃陶瓷。所获得的陶瓷结构几乎完全致密,具有光滑的表面,并且没有宏观空隙和缺陷。与其它多孔陶瓷相比,所制造的SiOC蜂窝显示出显著更高的压缩强度与重量比。
2019-05-06 physics.app-ph
Optimal shape design of printing nozzles for extrusion-based additive manufacturing
本研究提出结合全局优化算法与计算流体动力学的方法,设计用于基于挤出的增材制造的优化喷嘴形状,以最小化压力降并提升流动控制,实验证明该设计可显著降低总压力降(高达41%)并减少回流效应。
2024-01-04 physics.app-ph physics.flu-dyn
Correcting ray distortion in tomographic additive manufacturing
基于光的增材制造技术可以实现从物体设计到生产的快速过渡。在这些方法中,3D物体通常通过在光固化树脂中连续聚合2D层来构建。然而,最近证明的技术,使用断层扫描剂量图案,以建立一个三维光剂量分布内的圆柱形玻璃瓶的光敏树脂。目前通过围绕打印体积的折射率匹配浴或圆柱形透镜来减轻来自圆柱形小瓶的透镜畸变。在这项工作中,我们表明,这些硬件的失真校正方法是不必要的。相反,我们演示了如何透镜效应可以通过计算校正的restrial平行光束氡变换成一个像差的几何形状。我们还证明了一个更一般的应用程序,我们的计算方法,通过纠正大多数光学投影系统中固有的非远心。我们希望我们的研究结果将支持一类更简单和灵活的断层扫描3D打印机,其中与假设的平行光束投影几何形状的偏差通过计算得到纠正。
2021-01-22 physics.app-ph physics.optics
Ethyl cellulose-based thermoreversible organogel photoresist for sedimentation-free volumetric additive manufacturing
液体光致抗蚀剂在基于光的增材制造(AM)领域中是丰富的。然而,在新兴的体积AM技术$-$中,由于较少的几何约束和较少的材料浪费,将无支撑的直接打印到材料的桶中通常是有益的,$-$在打印低粘度液体单体和多材料构造时由于部件漂移或沉降而可能是限制。以乙基纤维素(EC)为热塑性溶剂,制备了一种简单的三组分透明热可逆凝胶光刻胶,其熔点约为64 $°$ C。凝胶的物理交联网络导致对于10重量%的$\%$ EC凝胶光致抗蚀剂,储能模量在0.1 $-$ 10 kPa的范围内,最大屈服应力为2.7 kPa。非零屈服应力使得能够在低粘度单体中进行无沉积的层析成像体积图案化,而无需额外的硬件或设备的修改。另外,插入到打印容器中的物体可以悬浮在凝胶材料中,这使得能够在没有将物体连接到打印容器的锚的情况下叠印多材料设备。对于具有7重量%$\%$ EC的制剂,与纯单体相比,弯曲强度也提高了100%。
2022-11-08 physics.app-ph
In situ and Operando X-ray Imaging of Directed Energy Deposition Additive Manufacturing
定向能量沉积增材制造(DED-AM)部件的机械性能可能高度依赖于材料。通过原位和操作同步X射线成像,我们捕获了控制不锈钢(SS 316)和钛合金(Ti 6242或Ti-6Al-2Sn-4 Zr-2 Mo)构建质量的潜在现象。我们揭示了三种机制影响钛合金的构建效率相比,不锈钢:吹制粉末烧结;减少熔池润湿由于烧结;和孔推在熔池。前两者直接增加了未熔合孔隙率,而后者导致径迹末端孔隙率。每种现象都会影响熔池特性、基底的润湿,从而影响构建效率和不期望的微观结构特征的形成。我们证明了孔隙率与粉末特性、池流和凝固前沿形态有关。我们的研究结果阐明了DED-AM工艺动力学,说明了为什么每种合金的构造不同,促进了增材制造在新材料中的更广泛应用。
2020-06-16 physics.app-ph physics.ins-det
Effect of Temperature History During Additive Manufacturing on Crystalline Morphology of Polyether Ether Ketone
高性能聚合物的增材制造参数极大地影响了热历史,从而影响了最终部件的质量。对于熔融沉积成型(FDM),这可以包括打印速度、细丝尺寸、喷嘴和腔室温度以及构建板温度。在这项研究中,商业3D打印机内部的热对流对聚醚醚酮(PEEK)的热历史和结晶形态的影响进行了研究,采用实验和数值相结合的方法。利用数字扫描量热法(DSC)和偏光显微镜(POM),PEEK样品的结晶度作为热历史的函数进行了研究。此外,使用热传递的有限元(FE)模拟(使用热电偶测量进行校准),评估了虚拟3D打印过程中零件的热历史。通过将实验和数值计算结果相关联,建立了打印参数和对流对热历史和PEEK结晶形态的影响。发现PEEK的高熔融温度导致快速的熔体冷却速率,随后是打印期间的短退火时间,导致相对低的结晶度(DOC)和小的结晶形态。
2021-09-13 physics.app-ph
Additive Manufacturing of Fibrous Sound Absorbers
我们研究了使用熔融沉积建模增材制造纤维吸声器的可能性。提出了两种3D打印纤维的方法。纤维桥接方法包括在两点之间挤出长丝,而没有底层支撑。挤出-拉伸方法包括在快速地拉开挤出机之前挤出长丝液滴以产生细纤维。两种方法都可以生产纵横比大于100的纤维。光学显微镜被用来研究各种印刷参数对纤维特性的影响。使用两个麦克风的垂直入射阻抗管设置使用这两种技术印刷的样品的吸声系数进行测量。实验研究了印刷参数和纤维密度变量的影响。实验研究的支持下,约翰逊-Champoux-Allard半经验的分析模型通知使用逆表征方法。然后利用分析模型来了解纤维参数对声学输运参数的影响。据观察,这两种方法导致具有不同特征的单个纤维。平均而言,纤维桥接方法导致较厚的纤维,这导致相对较高的吸声。然而,挤出和拉动方法导致具有毛发状特征的纤维(厚度逐渐减小的厚基底),并且人们可以容易地将其结合到现有的增材制造程序中以将纤维添加到基底表面,从而开辟了一条通向纤维增强的多功能结构的新途径。
2021-03-23 physics.app-ph physics.pop-ph
Light focusing and additive manufacturing through highly scattering media using upconversion nanoparticles
本研究提出一种利用上转换纳米颗粒和波前整形的非侵入式高分辨率增材制造技术,通过近红外光聚焦穿过强散射介质,实现微米级打印,为组织工程提供新途径。
2023-10-30 physics.app-ph physics.bio-ph physics.optics
Correlative Synchrotron X-ray Imaging and Diffraction of Directed Energy Deposition Additive Manufacturing
通过对镍基高温合金IN 718的原位和操作同步加速器X射线成像和衍射研究,揭示了定向能量沉积增材制造(DED-AM)的主导机理行为。使用一个独特的过程复制器,实空间相衬成像,使量化的凝固过程中的熔池边界和流动动力学。这种成像知识告知精确的衍射测量的时间分辨的微观结构相在转换和应力发展的空间分辨率为100 $μ$ m。衍射量化的热梯度,使枝晶凝固微观结构被预测和耦合的应力取向和大小。快速的冷却速率完全抑制了第二相的形成或固态再结晶。在凝固时,应力在冷却期间迅速增加到屈服强度。这一认识,结合IN 718 $'$的大凝固范围,表明累积的塑性耗尽了合金$'$的延展性,导致液化开裂。这项研究揭示了额外的基本机制,在DED-AM高度非平衡微结构的形成。
2020-09-16 physics.app-ph
Overprinting with Tomographic Volumetric Additive Manufacturing
École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)(洛桑联邦理工学院);Politecnico di Torino(都灵理工大学);NVIDIA(英伟达)
针对断层体积增材制造中在已有部件上直接打印新结构的需求,提出基于可微分物理光线追踪的优化方法,实现吸收、折射、反射和散射元件的叠印,在速度和精度上超越现有开源方案。
2026-06-16 physics.app-ph physics.optics
Tunable kHz distributed feedback fiber laser enabled by glass additive-manufacturing
本文利用激光粉末沉积增材制造掺铒石英光纤,并在16 mm光纤中写入相移光栅,实现了毫瓦级、线宽小于704 kHz的可调谐分布式反馈光纤激光器,后向斜率效率达24%,展示了非传统制造路线快速制备先进光纤器件的潜力。
2024-07-26 physics.app-ph physics.optics
Automatic exposure volumetric additive manufacturing
针对断层扫描体积增材制造曝光时间依赖人工判断、重复性差的问题,提出基于实时光散射数据处理的自动曝光程序,提升了打印保真度与重复性,可适配多种几何结构并支持多零件制造。
2025-01-16 physics.app-ph physics.optics