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  1.团队简介

围绕特种工程装备、智能制造和绿色制造产业链技术延伸需求,实现工程材料轻质结构件、功能多孔件等的增材制造、结构仿真与性能调控,并实现固体废弃物的循环利用。针对特种工程装备用金属、陶瓷等材料,进行机理性研究和微结构性能调控,开发制备满足特殊用途的工程材料;应用有限元技术,研究板材变形规律,成形出满足精度要求的高强钣金构件。在工程材料增材制造、绿色制造、开发与制备、成形与性能调控方面形成理论创新和应用集成。

团队带头人:宋小辉,博士、教授、硕士生导师,行业内工模具标准和企业重大项目的评审专家,华中科技大学和英国南安普顿大学访问学者,“Polymer Engineering & Science”、“The International Journal of Advanced Manufacturing Technology”期刊审稿人。从事增材制造、材料结构与表征等方面的教学和科研工作。主持国家自然科学基金项目1项、参与1项;主持省部级项目2项,参与2项;主持项目经费累计近60万元。发表科研学术论文近30篇,其中,SCI收录6篇。

目前有团队成员17人,其中教授3人,副教授或高级工程10人,博士7人,在读博士5人。近年来获得国家自然科学基金项目3项、广西自然科学基金项目9项、广西中青年教师能力提升项目8项,以及校企合作课题多项;发表核心期刊以上论文50余篇、其中SCI检索20余篇,授权发明专利10余项、实用新型及软著20余项。部分科研成果实现了转化,取得了一定的经济和社会效益。

2.科研服务方向

1)功能结构件增材制造(3D打印)

1)人体骨骼支架增材制造

主要针对医用功能材料聚醚醚酮、聚乳酸等聚合物,加工具有个性化外形和梯度孔隙结构的骨骼支架,并进行组织工程的体内外实验,以实现人体骨骼支架的个性化订制。

2)固体废弃物材料的增材制造综合利用

采用质轻价廉的固体废弃物材料,如果壳粉(杏仁壳、核桃壳和夏威夷果壳)、韧皮纤维、甘蔗渣、废弃报纸等来填充改性可完全生物降解聚合物,并进行增材制造。通过改性,可对聚合物材料的增强、增韧,加快聚合物在环境中的降解速率,将聚合物成本降低15%以上,最终实现固体废弃物材料的综合利用。

2)增材制造成形装备研发

1)桌面熔融沉积式3D打印机开发,主要针对以下对象:连续纤维增强聚合物3D打印机;颗粒聚合物3D打印机等。

2)路径优化:针对多自由度机械臂增材制造装置,对其运动学模型、逆运动学算法和末端执行器运动轨迹及位置精度进行理论研究和模拟仿真,深入探索复杂曲面类零件的分层算法和基于分区平行扫描的路径规划算法。

3)复杂钣金件精确成形与有限元仿真

高强合金壁板复杂曲率成形及回弹控制,汽车零部件工艺研发及成形仿真,CAE结构分析与轻量化设计,汽车复杂零部件逆向建模技术研究、轴承高速旋转动力学有限元法仿真。

4)数字化制造技术和有限元仿真

构建高精度三维曲面实体模型的关键技术。研究高精度柔性制造理论、方法与设备。进行特种成形、弹塑性力学和断裂力学、流体力学、传热学、轴承动态力学及复合材料力学的仿真以及相应的应用,如回弹补偿、模具设计等方面的研究,以及人工智能算法的应用。

5)功能材料研发

1)金属磁性材料:研究金属磁性材料的相结构和相关系随成分、温度变化的演变规律,通过Rietveld结构精修,探讨其成相规律与相结构稳定性。揭示金属磁性材料相结构、相转变、相组成与磁性能的相互作用机理。

2)环境功能材料:针对水体/土壤重金属污染,开发高效、快速、低成本和环境友好型吸附材料,用于高效修复重金属污染水体,实现废弃生物质材料制备石墨烯材料、生物炭和纳米等材料的利用。

3)介电微波陶瓷材料:究中高介电近零谐振温度系数组合固溶体及复相材料的制备,揭示中高介电微波陶瓷在高频下的介电损耗机理以及介电常数和谐振温度系数的调控机制,获得适于5G通讯微小型化器件的微波介质陶瓷。

4)先进钢铁材料研发

主要包括火电及核电用铁素体/铁素体耐热钢、低合金高强钢、低合金耐磨钢、弹簧钢、铁素体时效钢等先钢铁材料的制备、组织结构与力学性能研究。

6)精密磨削加工超硬材料磨具成型制备

针对高性能新材料磨削加工过程中的加工效率低、形状保持性差等行业共性难题,通过结构设计、配方调控等关键手段,开发磨削效率高、组织均匀、孔隙率适中的新式金刚石磨削磨具。主要研究和制备高强度、低膨胀型微晶玻璃陶瓷结合剂,探讨微晶玻璃的析晶机制和增强机理;开发磨具工作层均匀造孔新技术,实现磨具组织结构一致性;进行陶瓷结合剂磨具结构设计,确定合理的制作工艺路线和工艺参数。

3.特色成果

1)选择性激光烧结(Selective laser sintering, SLS)成型生物支架

研究了医用脂肪型聚碳酸酯-羟基磷灰石(α-PC/HA)多孔骨骼支架SLS成型,探α-PC/HA多孔骨骼支架孔隙形成机理及过程中的热力学行为,揭示了材料配比和SLS工艺参数对孔隙度和机械性能的影响规律,成型出人体非承重骨骨骼支架(图1),该成果为本课题在人体骨骼修复体孔隙结构的设计和制备方面奠定了理论基础。

 

a)支架外观            b)支架微观形貌

1 SLS成型的α-PC/HA复合材料

2)熔融沉积成型(Fused deposition modeling, FDM)成型果壳粉/PLA复合材料,实现生物质固体废弃物的循环利用

采用质轻价廉的生物质材料果壳粉(杏仁壳、核桃壳和夏威夷果壳)来填充PLA(图2),研究果壳粉改性和复合材料的微观形貌、熔融与结晶、流动性和热稳定性等来揭示果壳粉与PLA的界面相容性,探索果壳粉含量和改性试剂对果壳粉/PLA复合材料性能的影响规律,达到改善PLA的耐热能力、降低成本、增强增韧的目的,并研究FDM在果壳粉/PLA多孔结构件方面的应用。该研究结果对本课题在FDM 成型工艺方面的研究奠定了坚实的理论和技术基础。

 

2 FDM成型PLA/果壳粉复合材料

3)FDM成型PEEK与PLA/HA/核桃壳粉(WS)骨骼支架

研究了PEEK/PLA多孔骨骼支架的成型,分析了界面融合机理,揭示了FDM工艺、梯度孔隙结构和材料配比对力学和生物性能的影响规律。结果表明,PLA填充PEEK多孔支架的孔隙,将孔隙率为31.9%和58.7%的PEEK支架的拉伸强度分别由34.74 MPa和18.47 MPa提高到82.3 MPa和44.89 MPa;兔子体内实验表明,支架力学稳定性较好,PEEK-PLA/WS/HA支架的细胞增殖明显(图3)。

 

3 FDM成型PEEK/PLA支架的体内实验

4)Sm2Fe14B单相合金研发

制备得Sm2Fe14B单相合金,对Sm-Fe-B三元系在973 K的相关系进行了实验测定,如图4所示,并确定该等温截面包含15个单相区,30个两相区和16个三相区,如图4所示,研究成果已发表在Journal of Alloys and Compounds, 667(2016): 240-247。

 

4 Sm2Fe14B单相合金的XRD精修结果

5)汽车支撑槽零件质量改进

基于某汽车品牌支撑槽零件,完成了成形模具逆向测量和建模,实现了坯料与模具的居中定位,进行支撑槽零件多道次拉深成形的有限元分析,提出了支撑槽零件减薄和开裂成因,基于有限元分析提出了避免成形缺陷并提高成形质量的改进措施。

6)金刚石钻头研发

对金刚石钻头制造中的关键核心技术进行系统攻关,成功开发出一系列创新技术,解决了部分长期困扰行业发展的关键技术问题,研发的新型产品性能达到:配方体系的最佳烧结温度为850℃,结合剂烧结体三点抗弯强度达到 1430MPa,冲击韧性达到 85kJ/m2 ;烧结体相对密度达到 99.09%。在钻进 6~10 级地层时总进尺超过500 米,钻进时效超过4m/h。“项目整体水平达到国际先进水平”。项目的实施,改变了我国金刚石钻头制造40余年不变的现状,为行业技术创新起到示范和指导作用。科研成果获得广西壮族自治区科技进步三等奖。

 

5 激光焊接新型金刚石钻头示意图

4.团队联系方式

联系人:覃华东  电话:18174156679  邮箱:237886901@qq.com

 

 

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