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合金化阻燃鎂合金的產(chǎn)業(yè)化

合金化阻燃鎂合金的產(chǎn)業(yè)化一、項目簡介鎂合金是目前最輕的金屬結構材料，其密度大約在1.75～1.85g/cm3之間，僅相當于鋁的2/3，鋼的1/4。同時鎂合金還具有比強度和比剛度高、導熱導電性好、阻尼減震、電磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等優(yōu)點，在汽車、電子通信、航空航天和國防軍事等領域具有極其重要的應用價值和廣闊的應用前景，被譽為“21世紀綠色工程材料”。但是鎂合金由于自身化學活性很強，而且氧化后不能形成致密的氧化膜。鎂合金在高溫熔煉和加工成形過程中容易氧化燃燒，從而限制了鎂合金的發(fā)展前景。因而有必要尋找一種經(jīng)濟、實用、無污染的鎂和金熔煉保護方法以防止鎂合金生產(chǎn)過程中的氧化燃燒問題。目前較為成熟的鎂合金阻燃方法有熔劑保護法和氣體保護法。然而，對于熔劑保護法而言，在熔劑的使用過程中會產(chǎn)生大量有刺激性氣味的氣體（如HCl、Cl2），給環(huán)境造成危害；且容易產(chǎn)生熔劑夾雜，損害合金的機械性能和耐腐蝕性能。氣體保護法通常是通入一定量的SF6和CO2的混合氣體，使用過程中產(chǎn)生SO2、SF4等有毒氣體，甚至會產(chǎn)生劇毒氣體S2F10，造成環(huán)境污染，且SF6和CO2能長期滯留在大氣中，產(chǎn)生巨大的溫室效應。另外氣體保護法還需要有復雜的混氣裝置和密封裝置，而且從熔煉到澆鑄也需要復雜的輸送設備，因而加大了一定的成本。針對熔劑保護法和氣體保護法帶來的問題，20世紀50年代人們提出了合金化阻燃的想法，其主要原理在于向鎂合金中添加適量的低氧位合金元素（即其與氧的親和力大于鎂與氧的親和力），使其在熔煉、澆注過程中自動生成致密的復合氧化膜，從而阻止鎂合金的進一步氧化燃燒。本課題正是基于此思想，希望通過向鎂合金中添加某些合金元素，使得鎂合金獲得優(yōu)良的阻燃性能，同時不降低其力學性能。然而合金熔體表面氧化膜結構的改變必然同時改變了熔體表面張力的大小，因而可以通過研究表面張力大小對氧化膜結構改變的影響，進而找到合金元素含量、阻燃性能和表面張力之間的定量關系，從而使本課題所得結果能夠指導實際生產(chǎn)。合金化阻燃法將大大降低設備及工藝的復雜程度，同時也不會對環(huán)境造成嚴重污染，具有較強的實用價值及巨大的發(fā)展?jié)摿Α６?項目技術成熟程度本課題組長期從事合金化阻燃鎂合金材料及其相關加工工藝方面的研究，目前已經(jīng)建了一系列鎂合金相關的研究方法和性能檢測方法。研究的基體不僅包括工業(yè)純鎂，也包括商業(yè)應用最為廣泛的AZ91D，添加阻燃元素包括Ca和不同含量的Re元素。現(xiàn)已經(jīng)取得以下研究成果：2.1 鎂合金起燃溫度測試系統(tǒng)的建立2.1.1 概述鎂合金起燃溫度的準確測試是研究阻燃鎂合金過程中的關鍵一步，也是本課題的一個難點。傳統(tǒng)的測試方法有觀察法和溫度記錄儀法。觀察法就是在敞開的爐中加熱試樣，當觀察到試驗燃燒時讀取電爐溫度控制器的溫度并記錄，作為試樣的燃點溫度。此方法簡單易行，但是測試的結果受人為因素影響較大，誤差較大。溫度記錄儀法就是利用熱電偶作為溫度傳感器，使用溫度記錄儀記錄溫度時間曲線。鎂及其合金燃燒時放出的熱量會使溫度升高的速率發(fā)生急劇變化，從而使溫度-時間曲線發(fā)生拐點，此拐點處溫度即為燃點溫度。近年來隨著計算機技術的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)采集技術的燃點測試方法。這類方法也是利用了鎂及其合金燃燒時釋放的熱量使爐內(nèi)溫度上升速率加快的現(xiàn)象。基于數(shù)據(jù)采集技術的燃點測試方法可把所采集的溫度時間曲線保存起來待日后分析，燃點溫度的確定可通過軟件編程自動識別。本課題自行開發(fā)了基于數(shù)據(jù)采集技術的鎂及鎂合金燃點測試分析系統(tǒng)。鎂合金起燃溫度測試系統(tǒng)從功能上可分為硬件部分和軟件部分，硬件部分主要完成溫度的傳感、信號的調(diào)理及數(shù)據(jù)采集；軟件部分主要完成溫度的實時顯示、實驗數(shù)據(jù)的存儲、實驗數(shù)據(jù)的回放分析等功能。2.1.2 硬件構成及功能本課題所建立的鎂合金起燃溫度測試系統(tǒng)的硬件組成主要由坩堝式電阻爐、TCW-32B型溫度控制器、數(shù)據(jù)采集卡以及電腦組成，其組成結構見圖1所示。該電阻爐與溫度控制器具有節(jié)能、可編程控制以及加熱速度可調(diào)等優(yōu)點。溫度傳感器采用K型熱電偶。由于溫度采集的采樣率不需要很高，因此數(shù)據(jù)采集卡采用了研華USB-4718型，該數(shù)據(jù)采集卡為8路熱電偶輸入，支持USB2.0，無需外部電源，與筆記本電腦可構成便攜式測試系統(tǒng)；該卡還具有3000VDC隔離保護，支持4~20mA，能夠?qū)犭娕夹盘栠M行內(nèi)部調(diào)理，無需外加調(diào)理電路，降低系統(tǒng)的成本及開發(fā)時間。其中一支熱電偶接入溫度控制器對電阻爐進行控溫，然后再接入數(shù)據(jù)采集卡；另一支熱電偶用來測試試驗樣品的溫度，因而直接接入數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡將這兩路溫度信號通過USB接口傳送到電腦進行記錄并顯示。坩堝式電阻爐的結構如圖1所示，在電爐底部開有通風孔，盛放試樣的物品應采用帶孔的結構或者石棉網(wǎng)，以保證良好的供氧條件。1.坩堝式電阻爐；2.耐火磚墊；3.坩堝；4.試樣；5．熱電偶；6.溫度控制器；7.數(shù)據(jù)采集卡；8.電腦圖1 鎂合金燃點測試裝置示意圖2.1.3 軟件功能及關鍵技術鎂合金起燃溫度測試系統(tǒng)軟件部分是利用LabVIEW8.5開發(fā)的，其界面見圖2。該軟件界面從功能上可大致分為三個區(qū)域：實驗參數(shù)設置區(qū)、實驗參數(shù)動態(tài)顯示區(qū)和軟件功能控制區(qū)。實驗參數(shù)設置區(qū)可對實驗采用的熱電偶類型、數(shù)據(jù)采集卡的通道、實驗名稱、實驗數(shù)據(jù)保存路徑以及采樣率等參數(shù)進行設置。實驗參數(shù)動態(tài)顯示區(qū)可實現(xiàn)對所采集的兩路溫度的直觀動態(tài)顯示以及溫度—時間曲線的動態(tài)顯示。軟件功能控制區(qū)可完成對實驗進度的控制，如數(shù)據(jù)采集的開始與結束、界面的刷新、溫度曲線的回放顯示以及系統(tǒng)的退出等功能。圖2 鎂合金起燃溫度測試系統(tǒng)軟件界面軟件與硬件的通訊是通過調(diào)用研華提供的底層驅(qū)動函數(shù)實現(xiàn)的，一個通道的數(shù)據(jù)傳輸程序框圖見圖3。由于該數(shù)據(jù)采集卡不支持8路信號的并行通信，也就是說數(shù)據(jù)采集卡的8路輸入信號的讀取要按順序循環(huán)讀取，所以要想實現(xiàn)多路溫度信號的傳輸，必須在軟件上來完成。本文是通過調(diào)用順序結構的方法來實現(xiàn)對兩通道數(shù)據(jù)的順序讀取的。圖3 數(shù)據(jù)傳輸程序框圖為了能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)進行事后分析，軟件要提供對所采集的數(shù)據(jù)的存儲功能，存儲的數(shù)據(jù)一定要和相應的實驗名稱結合起來，以防止實驗數(shù)據(jù)混淆。本軟件是通過對實驗數(shù)據(jù)進行命名與計算機自動生成名稱相結合的方法來避免數(shù)據(jù)的混淆。也就是說，對每個實驗進行命名后，由于每個實驗不一定只做一個實驗數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)會自動生成一個以精確到秒的時間字符串做為實驗名的后一部分，如“mg1.2ca-1熔體溫度20100531204001.bin”。實驗數(shù)據(jù)在存儲時同時被存儲為二進制格式和文本格式，路徑及文件名生成以及數(shù)據(jù)存儲的的程序框圖如圖4所示。圖4 數(shù)據(jù)存儲程序示意圖由于軟件在數(shù)據(jù)采集過程中顯示區(qū)域顯示的是動態(tài)過程，所以無法看到所采集的數(shù)據(jù)全貌，因此軟件提供了對所采集的實驗數(shù)據(jù)的回放顯示功能，既可顯示一條曲線，也可同時顯示多條曲線進行對比分析，此功能是通過調(diào)用子VI（Virtual Instruments的簡寫，即虛擬儀器）的方式實現(xiàn)的。通過按下主界面的“單曲線顯示”或“多曲線顯示”即可調(diào)出一個新的顯示窗口。多曲線顯示的曲線條數(shù)可以輸入。多曲線顯示的界面及程序框圖見圖5。為了軟件使用過程中的方便，提供了界面刷新功能，按下“界面刷新”后軟件界面可恢復到默認狀態(tài)。考慮到每次測燃點溫度時實驗名稱或者數(shù)據(jù)存儲的路徑可能會相同，所以建立了“實驗名稱”和“存儲路徑”兩個全局變量，同時建立了一個配置文檔。每次軟件更改實驗名稱或存儲路徑時，都要修改全局變量的值，軟件退出時，要把最后的實驗名稱和存儲路徑存到配置文檔中，當再一次打開運行軟件時，要打開配置文檔讀取實驗名稱和存儲路徑的信息作為軟件界面的默認值。 (a) 程序框圖 (b) 程序界面圖5 多曲線顯示為了使軟件運行的更流暢、使用更方便，軟件中還應用了很多容錯技術。容錯技術包括軟件的自檢和硬件自檢兩部分。軟件自檢包括檢查輸入的存儲路徑是否正確、實驗名稱是否為空等，以保證數(shù)據(jù)存儲的可靠性。硬件自檢主要是在點擊“開始采集”按鈕后，檢測數(shù)據(jù)采集卡工作是否正常，如果數(shù)據(jù)采集卡異常，軟件會報警并返回到初始狀態(tài)，避免了由于數(shù)據(jù)采集卡異常導致的死機。2.1.4 系統(tǒng)測試及起燃溫度的確定將電阻爐加熱至500℃左右，再將塊狀鎂合金放入帶孔的坩堝，然后將其置入電阻爐中，并使測量鎂合金溫度的熱電偶與塊狀鎂合金接觸，使電路按固定加熱速率進行加熱，并開始數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集過程的界面見圖2，經(jīng)測試，軟硬件各項功能正常。所采集的溫度-時間曲線如圖6所示。鎂合金在開始燃燒瞬間，放出大量的熱量使溫度急劇上升，會在溫度-時間曲線上出現(xiàn)一個拐點。本課題中，將溫度-時間上的第一個拐點所對應的溫度值定義為燃點。圖6 典型溫度-時間采集曲線2.1.5 小結（1）本章建立了鎂合金起燃溫度測試硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)由坩堝式電阻爐、溫度控制器、熱電偶、研華USB-4718型數(shù)據(jù)采集卡及電腦組成，所建立的硬件系統(tǒng)成本低、結構簡單、測試系統(tǒng)便攜。（2）本章開發(fā)了鎂合金起燃溫度測試軟件系統(tǒng)，該軟件采用LabVIEW8.5開發(fā)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)動態(tài)顯示、實驗數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)回放分析等功能。軟件界面友好，操作簡單，容錯性強。（3）本章對所建立的鎂合金起燃溫度測試系統(tǒng)軟硬件進行了測試，測試結果表明，所建立的測試系統(tǒng)各項功能正常，能夠很好的完成對鎂合金起燃溫度的測試，并給出了確定起燃溫度的方法。2.2 鎂合金熔體表面張力裝置的建立2.2.1 概述我們通常將物體表面單位長度上作用的力稱作表面張力，單位為N/m，而且通常我們所說的表面張力指的是液相與氣相接觸面上的表面張力。在液態(tài)金屬或者合金與氣體組成的體系中，與氣體接觸的液體表面層原子處于不平衡力場中，即與表面層原子接觸的液體中的原子與表面層原子距離較小，且數(shù)目量多，因此作用力較大；而與表面層原子接觸的氣體中的原子與表面層原子距離較大，且數(shù)量少，因此作用力較小。這樣就產(chǎn)生了方向垂直于液體表面，指向液體內(nèi)部的力，如圖7所示。該力使液體表面有如一彈性膜所包圍，傾向減少其表面，因此產(chǎn)生了表面張力。表面張力的大小不但與液體本身的性質(zhì)有關，而且與它相接觸的相的性質(zhì)有關。圖7 熔體表面原子模型表面張力是液態(tài)合金重要的物性參數(shù)，它不僅是研究界面反應動力學的基礎，而且在金屬凝固過程和鑄造合金參數(shù)的預測中起著重要作用，因此，研究液態(tài)合金熔體表面張力具有重要理論價值和實際意義。在阻燃鎂合金的研究領域，特別是在阻燃鎂合金的熔煉與制備過程中，合金液在高溫下的急劇擴散與在凝固過程中晶粒的形成，尤其是晶體在長大時，稀土元素會富集在相界上，在液態(tài)下有表面聚集的趨勢,元素的擴散必然會對熔體的表面張力和氧化膜結構產(chǎn)生影響，因而我們可以通過研究稀土阻燃鎂合金熔體特性特別是在不同狀態(tài)下熔體表面張力的變化對氧化膜結構改變的影響規(guī)律，進而找到表面張力與阻燃性能之間的對應關系。2.2.2 表面張力的測量方法表面張力的測量方法有很多，總體上可分為動態(tài)法和靜態(tài)法兩類。動態(tài)法是以測量決定某一過程特征的數(shù)值來計算表面張力，主要有毛細管波法和振蕩射流法。通常在溶液表面張力隨時間變化變化較快時需要用動態(tài)法測量，如用振蕩射流法測定的時間變化可以小到1ms左右。在現(xiàn)階段，動態(tài)法測量表面張力還不完善，測量誤差較大，因而，實際應用很少。主要的方法有毛細管上升法、懸滴法、滴重法、最大氣泡法、拉筒法、液滴外形法和電磁懸浮法等。常溫或低于200℃下的液體表面張力測量方法較多。但是，多于液態(tài)金屬、爐渣、熔鹽等高溫熔體，增加了測量的難度和復雜程度，應用于高溫熔體表面張力的測量方法主要有最大氣泡法、電磁懸浮法、拉筒法和靜滴法。考慮到試驗的測量精度和設備的復雜程度，本課題采用最大氣泡法測量鎂合金熔體表面張力。最大氣泡法Simon于1851年提出，后由Canter、Jaeger分別從理論和實用角度加以發(fā)展。實驗步驟是，將一毛細管插入待測液體內(nèi)部，再向管中緩慢通入惰性氣體，隨著吹入氣體壓力的增大，氣泡逐漸長大，當氣泡恰好是半球時，氣泡內(nèi)的壓力達到最大值，此時通過測量氣泡壓力，計算得到液體的表面張力值。2.2.3 表面張力的測量裝置本課題采用“最大氣泡壓力法”測定鎂合金熔體表面張力，實驗裝置如圖8所示：圖2.4 最大氣泡壓力法測試表面張力裝置簡圖Fig. 2.6 BMP Surface tension testing schematic圖8 最大氣泡法測量熔體表面張力裝置1.氬氣瓶2.壓力表 3.大量程浮子流量計 4.穩(wěn)壓計 5.針型閥 6.微調(diào)針型閥 7.干燥瓶 8.小量程浮子流量計 9.U形壓力計 10.溫度控制儀 11.毛細石英管 12.熱電偶 13.石墨坩堝 14.鎂合金熔 15.坩堝電阻爐16.升降機構 17.大量程百分表氬氣經(jīng)過減壓計，穩(wěn)壓計，通入裝有氯化鈣的干燥瓶中進行干燥，再由三通器分成兩路，一路連接到U形壓力計（U形管所盛液體為水），另一路經(jīng)細的石英管通入鎂合金熔體。由小到大緩慢調(diào)節(jié)氬氣氣壓，并通過針型閥控制氣體流量大小（將氣體流量控制在18-20毫升/分以內(nèi)），觀察U形管內(nèi)兩邊液注高度差H。試驗采用的毛細石英管內(nèi)半徑r=2.86mm，符合精度要求。毛細管端口經(jīng)過拋光、清洗處理，以排除雜質(zhì)和端口缺陷對測量結果的影響。實驗中，通過升降機構可控制毛細管的上升和下降，當毛細管插入合金液后，隨著氬氣的緩緩通入，管內(nèi)液體被排出管外，會在管口處形成氣泡并不斷長大（圖9）。氣泡在成長過程中，其內(nèi)部壓力P與液體靜壓力及液體表面張力的合力保持動態(tài)平衡，直至這種平衡被破壞，氣泡會脫離管口而浮出液面。此過程，H值也將呈現(xiàn)出由小到大的變化趨勢，設氣泡內(nèi)的壓力為P，則：P+PM=PH （1）其中，PM為鎂合金熔體在深度為h處形成的壓強，PH為U形管內(nèi)兩邊液注差所形成的壓強。圖9 氣泡形成過程根據(jù)表面張力的物理意義，在液體中若有一半徑為r的球形氣泡，液體表面張力的作用造成了指向氣泡內(nèi)部的壓力P（圖10）。圖10球形氣泡氣泡的表面積為：S =4πr2球形氣泡的體積為：V =4πr3/3若將球的體積增大dV，則必須克服阻力P對它做功：ΔW =PdV，而這一所做的功將轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻娣e增大后的表面自由能增量：ΔE =σdS（σ為表面張力）。由于ΔW =ΔE，即PdV =σdS而dV =4πr2dr，dS =8πrdr，因而可推導出：P =2σ/r （2）PM為鎂合金熔體在深度為h處形成的壓強，即PM =ρMgh，ρM為鎂合金熔體的密度，為便于計算我們以Mg-Al合金的液態(tài)密度代替；PH為U形管內(nèi)兩邊液注差所形成的壓強，即PH =ρwgH,ρw為水的密度。所以，由式（1）、（2）可以得到，當H達到最大值Hmax時， 2σ/r +ρMgh =ρwgH （3）所以，表面張力σ為：σ=(ρwgHmax-ρMgh)?r/2 （4）用最大氣泡法測量鎂合金熔體表面張力的具體步驟為：1．采用電阻爐、坩堝在一定溫度下對合金進行熔煉，待完全熔煉后攪拌一段時間，除去表面雜質(zhì)，再保溫10分鐘；2．通過調(diào)整升降機構，使毛細管下降到恰好接觸合金熔體表面，此時調(diào)整百分表托架，使百分表的芯端部與升降機構水平臂平面接觸，將刻度盤對零，下降升降機構，使毛細管插入合金液表面之下，記錄毛細管下降的精確深度h；3．固定好這一高度打開爐蓋與氬氣瓶壓閥，并通過針型閥控制氣體流量大小（將氣體流量控制在18-20毫升/分以內(nèi)），此時U形管兩側(cè)開始出現(xiàn)壓差，當熔體內(nèi)部能夠穩(wěn)定、緩慢的產(chǎn)生氣泡時，觀察U形兩側(cè)壓差值將由小到大變化，到達一最大值后（即氣泡成為半球形，此時半徑最小等于石英管內(nèi)半徑r時），U形管兩端壓差突然減小（因為氣泡破裂），記錄下U形管左右兩端的最大液面差值H；4．帶入公式中進行計算便可得到熔體的表面張力。2.2.4 小結（1）本章建立了鎂合金熔體表面張力測量裝置，該裝置主要由氬氣瓶、壓力表、浮子流量計、穩(wěn)壓計、針型閥、干燥瓶、U形壓力計、毛細石英管、升降機構和百分表組成。（2）本課題對所建立的鎂合金熔體表面張力測量裝置進行了測試，測試結果表明，所建立的測量裝置各項功能正常，能夠很好的完成對鎂合金熔體表面張力的測量，并給出了熔體表面張力的測量方法。三、技術指標通過本次研究必須到達以下要求：①研制成一種或多種阻燃鎂合金可以在大氣下不加任何保護措施條件下，熔煉而不發(fā)生燃燒現(xiàn)象；②研制成的阻燃鎂合金成分通過壓鑄、熱處理工藝過后所制成的成品，其結構的力學性能必須達到相應的要求；③通過本次研究結果，發(fā)表1項發(fā)明專利和1項實用新型專利。四、市場前景鎂及鎂合金既可以鑄造成各種鑄件或壓鑄件，也可以采用各種塑形加工方法加工成不同品種、規(guī)格、性能和用途的管、棒、型、線、帶、箔材以及鍛件等，然后經(jīng)切削加工、冷沖壓、接合成形和表面處理等深加工成各種零件和結構件。與其他結構材料相比，鎂及其合金具有一系列的優(yōu)點，如密度低、比強度和比剛度高、阻尼減振降噪能力強、電磁屏蔽性能優(yōu)異、抗輻射、液態(tài)成型性能優(yōu)越、切削加工和熱成型性能好、易于回收等，符合“21世紀綠色結構材料”的要求，越來越受到人們的青瞇。今年來，鎂材在汽車、摩托車等交通工具、計算機、通信、家電、電子電器、冶金、航空航天、國防軍工等部門獲得了廣泛的應用。隨著鎂合金提煉及加工技術的發(fā)展，以及成本的下降，鎂材已成為工業(yè)應用的重要金屬材料，在全球范圍內(nèi)得到快速發(fā)展。1. 鎂合金材料在汽車工業(yè)上的開發(fā)與應用自1970年中東石油危機以來，為減輕汽車質(zhì)量，以降低油耗和污染，提高安全性能，鎂合金材料在汽車工業(yè)中的應用與日俱增。目前，汽車工業(yè)中鎂合金用量較多的地區(qū)和國家主要是北美、歐洲、日本和韓國。綜合部分廠家的使用情況，目前鎂合金材料主要用來制造以下汽車零部件：①車內(nèi)構件：儀表盤、座椅架、座位升降器、操縱臺架、氣囊外罩、轉(zhuǎn)向柱支架、收音機外殼、小工具箱門、車窗馬達罩、剎車與離合器踏板托架、氣動托架踏板等；②車體構件：門框、尾板、車頂框、車頂板、IP橫梁；③發(fā)動機及傳動系統(tǒng)：閥蓋、凸輪蓋、四輪驅(qū)動變速箱體、手動換擋變速器、離合器外殼活塞、進氣管、機油盤、交流電機支架、變速器殼體、齒輪箱殼體、油過濾器接頭、馬達罩、氣缸頭罩、分配盤支架、油泵殼、油箱、濾油器支架、左側(cè)半曲軸箱、空機罩、左抽氣管等。④底盤：輪轂、引擎托架、前后吊桿、尾盤支架。美國福特、通用、克萊斯勒三家公司在每輛汽車上使用的鎂合金鑄件分別達到30個、45個和20個；瑞典推出的沃爾沃CP20C0車型全重700kg，使用50kg鎂合金，包括輪轂、合器箱、轉(zhuǎn)向齒箱、后懸臂、發(fā)動機架、進氣歧管、氣缸體等部件；本田轎車一部分零件采用鎂合金材料后，重量大大減輕。最近，Magers分析了汽車市場的鎂合金需求趨勢，預測鎂合金材料在汽車工業(yè)的應用將會不斷增加。2. 鎂材在軌道交通工具上的應用前景在列車和其他軌道交通工具上使用鎂材，目的是減輕重量，減小噪音和震動，規(guī)整零部件和防止塑料老化，提高使用壽命等。主要應用實例：儀表盤支撐梁、發(fā)動機閥蓋、密封結構件、高速器、濾器器、發(fā)動機承受臺、消音器等。3. 鎂材在自行車上的開發(fā)與應用自行車是人力驅(qū)動工具，因而質(zhì)量的減輕帶來的效果非常顯著，具有更好的加速性能、爬坡性能、轉(zhuǎn)彎性能，并且容易操縱，因而在國外自行車行業(yè)流傳著“產(chǎn)品輕1g多賣1美元”的說法。與鋁質(zhì)自行車相比，用鎂材制造自行車可減重33%；用鎂材制造的折疊自行車車架重量僅1.4kg，總重量僅為4kg。目前自行車使用鎂合金部件包括輪轂、車把夾、腳踏板、制動器、手把、前叉、框架等近十幾個部件。4. 鎂材在航空航天上的開發(fā)與應用航空航天材料減重帶來的經(jīng)濟效益和性能改善十分顯著。在質(zhì)量減輕相同的情況下，商用飛機節(jié)省的燃油費是汽車的近100倍，而戰(zhàn)斗機的燃油費用節(jié)省又是商用飛機的近10倍，更重要的是其機動性能的改善可以極大地提高戰(zhàn)斗力和生存能力。正因為如此，早在20世紀20年代就開發(fā)出了許多鎂合金部件，如發(fā)動機曲柄箱、發(fā)動機零件、氣球吊籃、客機座椅、起落輪。隨著鎂合金生產(chǎn)技術的發(fā)展，材料的性能不斷提高，其應用范圍也不斷擴大。目前的應用領域包括各種民用和軍用飛機的發(fā)動機零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結構，以及火箭、導彈、衛(wèi)星的一些零部件。5. 現(xiàn)代兵器零部件的鎂合金化及發(fā)展趨勢槍械武器、裝甲車輛、導彈、火炮、彈藥、光電儀器、武器用計算機及軍用器材中有較大數(shù)量的鋁合金零件和工程塑料件，根據(jù)鎂合金材料的性能和使用特點，將這些零件改用鎂合金制造在技術上是可行的。采用鎂合金材料代替武器裝備的中、低強度鋁合金零件和部分黑色金屬零件，實現(xiàn)武器裝備輕量化：槍械武器：機匣、彈匣、槍托體、提把、前護手、彈托板、瞄具座等；裝甲車輛：坦克座椅骨架、機長鏡、變速箱殼體、發(fā)動機濾座、進出水管、空氣分配器座、機油泵殼體、水泵殼體、機油熱交換器、機油濾清器殼體、氣門室罩、呼吸器等；光電產(chǎn)品：鏡頭殼體、紅外成像儀殼體、底座。6. 鎂合金材料在電子工業(yè)（家用電器和3C產(chǎn)品）上的開發(fā)與應用近10年來，電子工業(yè)發(fā)達的國家，特別是日本和歐美一些國家，在鎂合金產(chǎn)品的開發(fā)方面開展了大量工作并取得了重要進展，一大批重要電子產(chǎn)品使用了鎂合金，取得了理想的效果。3C工業(yè)（計算機、通訊設備、消費類電子產(chǎn)品）是當今全球發(fā)展速度最快的產(chǎn)業(yè)，數(shù)字化技術導致各種數(shù)字化產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。鎂合金3C產(chǎn)品最早出現(xiàn)于日本，1998年日本廠商開始采用鎂合金制造各種可攜式商品（如PDA、手機等），如今最為普遍的鎂合金3C產(chǎn)品是筆記本電腦，是由日本SONY公司率先推出的。在3C產(chǎn)品朝著輕、薄、短、小方向發(fā)展趨勢的推動下，今年來鎂合金的應用得到了持續(xù)增長。我國雖然是世界產(chǎn)鎂大國，但與日、美、歐相比，在鎂合金材料研究、生產(chǎn)技術及應用領域等方面還有相當大的差距，仍處于起步階段。五、規(guī)模與投資需求投資規(guī)模萬元，廠房及設備設施需求等。六、生產(chǎn)設備根據(jù)研發(fā)和生產(chǎn)需求，鎂合金在加工和性能檢測方面需要用到以下裝置：真空式高頻感應熔煉爐；鑄件的金屬型模具；坩堝為石墨型坩堝；大型真空熱處理爐；一整套機加工設備：加工中心、數(shù)控車床、手動工具；試樣拉伸試驗在Zwick/Roell Z100拉伸試驗機上完成；硬度測試采用XC-ST50顯微硬度測試儀，金相組織觀察在VMS-2000金相圖像分析系統(tǒng)上完成；氧化膜形貌觀測等在日立S-4800掃描電鏡上進行；大氣條件下的氧化動力學實驗在SDT-Q600差熱分析儀上進行。七、效益分析按每年生產(chǎn)X噸計算，可獲利約XXXX萬，八、合作方式合作方式采用技術入股或者技術轉(zhuǎn)讓的形式，價格面談。九、項目具體聯(lián)系人及聯(lián)系方式項目負責人：丁儉，電話：15122335148，email：djian@126.com。十、附件：成果圖片圖11 鎂合金零件產(chǎn)品

河北工業(yè)大學 2021-04-11

增材制造（3D打印）晶格模型自動生成平臺｜晶格設設計軟件LuxStudio

增材制造（3D打印）晶格模型自動生成平臺晶格設設計軟件LuxStudio 精選16種不同晶格，可自由調(diào)整大小和桿徑粗細在線仿真和沖擊驗證，兼具力學性能和可打印性全場景通用，薄殼設計不受限傻瓜式操作，云端服務，不挑配置如果你對以上產(chǎn)品有合作需求，可以掃描下方二維碼填寫信息，清鋒科技稍后會和您取得聯(lián)系登錄地址：https://studio.luxcreo.cn 市場電話：18600573362 官方網(wǎng)站：www.LuxCreo.cn 清鋒推出了一個面向增材制造的晶格模型自動生成平臺——LuxStudio，不僅實現(xiàn)了多種結構晶格的自動生成，同時還是一款低門檻、不挑配置的“傻瓜式”通用型操作軟件。　　作為一款參數(shù)化設計軟件，LuxStudio能給產(chǎn)品帶來輕量化、晶格化、長壽命等性能方面的提升，簡單快捷的操作也能夠節(jié)省人力，縮短設計、制造時間，實現(xiàn)更快交付。　　企業(yè)或者設計師還可以通過LuxStudio探索新的升級思路，用參數(shù)化設計代替?zhèn)鹘y(tǒng)設計制造，為產(chǎn)品或創(chuàng)意進行測試、創(chuàng)新、迭代，甚至于商業(yè)化生產(chǎn)填補市場空白。　　目前，清鋒已有經(jīng)過驗證并可實現(xiàn)批量生產(chǎn)的消費、醫(yī)療、工業(yè)等領域應用。　　LuxStudio應用案例　　01透氣晶格結構自行車鞍座升級傳統(tǒng)制造方式　　當傳統(tǒng)發(fā)泡工藝頻繁遭遇瓶頸時，眾多廠商對于如何從其他維度提升自行車鞍座舒適度上開啟了新的技術探索。　　除了改變設計外觀將鞍座根據(jù)騎行用途進一步細分，將鞍座晶格化再進行3D打印成為了制造升級的新寵。　　鏤空晶格輕量化設計、透氣性高　　晶格結構不僅可以實現(xiàn)鞍座鏤空這種透氣、輕量化的設計，提升騎行體驗，還能根據(jù)產(chǎn)品不同需求賦予不一樣的外觀，滿足騎行者的視覺體驗。　　此外，在產(chǎn)品開發(fā)周期上，晶格結構搭配3D打印省去傳統(tǒng)開模制造的過程，進一步加快了產(chǎn)品的迭代速度。　　然而問題來了：設計師不會參數(shù)化設計怎么辦？　　清鋒LuxStudio的優(yōu)勢　　節(jié)省用人成本　　非參數(shù)化設計師也可以獨立設計晶格　　雖然參數(shù)化設計一直存在，但除了建筑行業(yè)以外，其他行業(yè)專業(yè)搞參數(shù)化的人員卻不常有甚至沒有。自行車坐墊行業(yè)就是一個接近“沒有”的案例。　　想要開發(fā)3D打印坐墊，專門從其他行業(yè)招聘一名參數(shù)化設計師，一是不好招，二是即使招進來也需要很長的時間了解坐墊行業(yè)，這期間不僅損失掉很多時間成本；重要的是，可能錯過了進入市場的時機。　　而LuxStudio這款軟件，很好地為行業(yè)設計師和晶格化產(chǎn)品搭了一個橋梁。利用LuxStudio，行業(yè)里原有的設計師不需要學習參數(shù)化設計就能在平臺上進行晶格化產(chǎn)品設計。　　節(jié)省設計時間　　自動參數(shù)化設計，2分鐘搞定一個鞍座　　在軟件的操作頁上，所有功能都一目了然地集成在一個云端界面上，只需要拖動鼠標選擇你想要的晶格結構，系統(tǒng)后臺就會自動進行參數(shù)化設計，整個過程不到2分鐘。　　LuxStudio在數(shù)以萬計的晶格庫中進行線性和非線性仿真，篩選出了16種能夠應用于不同場景、不同打印工藝的晶格結構，同時每一個晶格模型都做了晶格詳解，幫助設計者更快了解晶格特性。　　清鋒的3D打印自行車鞍座采用的是晶格庫中的規(guī)則桿徑（GH-1）排列組成。　　這種晶格結構適合為鞍座進行鏤空的輕量化設計，減重的同時也讓它擁有更好的回彈性和透氣效果，讓騎行更舒適；　　而且它的支撐力非常強、硬度高，能夠輕松承托起人體的重量，還不容易斷，相較于傳統(tǒng)的發(fā)泡技術壽命更長；　　縮短開發(fā)周期　　從設計驗證到開始量產(chǎn)快一周即可完成傳統(tǒng)熱成型工藝生產(chǎn)一款坐墊需要經(jīng)過設計-產(chǎn)品測試-迭代-開模-注塑生產(chǎn)等幾道流程。　　其中，測試過程一般需要1周左右，中間往往會有5-6次的迭代過程，而開模也需要一個月左右的時間，單是開發(fā)周期就要長達6個月左右。　　而通過晶格參數(shù)化設計的坐墊，只需要將自動生成的模型發(fā)送到打印機，左右就能打印完成，大幅提高了產(chǎn)品的開發(fā)周期。　　此外，在產(chǎn)品本身設計方面，LuxStudio也在不斷升級，進一步為產(chǎn)品設計賦能。　　到今年第3季度，通過調(diào)節(jié)桿徑的粗細、密度，還能為鞍座的不同區(qū)域進行分區(qū)軟硬設計（LuxStudio 第3季度上線功能），以此來適應人體不同的坐骨形態(tài)，達到合理分壓的作用，減少腿臀摩擦帶來的不舒適感。　　目前，清鋒已經(jīng)聯(lián)合多家自行車廠商利用LuxStudio設計晶格化坐墊并開始銷售。想要嘗試參數(shù)化的設計師，可以行動起來了！　　02 　　精準定制醫(yī)療頸椎枕填補市場空白　　全球約3.49億人患有頸椎病，國內(nèi)頸椎病發(fā)病率為3.8%-17.6%，并呈現(xiàn)逐年上升及低齡化趨勢，已成為嚴重影響國民健康的疾病之一。　　而定制化的頸椎枕則是醫(yī)生在治療患者過程中的有效輔助手段之一。　　然而，醫(yī)生在找尋的“精準定制頸椎枕”卻依然是一個市場空白。目前市面上的頸椎枕大部分是經(jīng)過醫(yī)生設計后，根據(jù)枕頭不同區(qū)域軟硬度的需求利用棉花、彈性顆粒等材料進行“手工填充”制作而成的。　　這種手工定制化的頸椎枕往往制作周期長、使用壽命短，無法根據(jù)患者個人的頸椎實行精準化適配。而且，傳統(tǒng)材料因為支撐力欠佳，用一段時間后很容易變形，與醫(yī)生初設計的軟硬度早已不匹配，滿足不了維護頸椎正常生理曲線的需求。　　因此，醫(yī)生還在尋找，尋找一款能夠“自動化精準定制”的頸椎枕解決方案。　　清鋒LuxStudio的優(yōu)勢自動參數(shù)化“精準定制” 　　支撐性強穩(wěn)定性高在一項由專業(yè)醫(yī)院骨科主任醫(yī)師、教授校審指導，針對“頸椎曲度異常”頸椎病患者的臨床研究中，3D打印頸椎枕有效糾正、恢復了患者的頸椎曲度，提高了頸椎功能，減輕疼痛，提高睡眠質(zhì)量。它可根據(jù)醫(yī)生要求，通過晶格模型自動生成平臺LuxStudio來調(diào)整晶格粗細、密度和形狀，滿足不同患者的定制需求。　　內(nèi)部使用規(guī)則桿徑（GH-2）晶格結構排列組成。因為桿徑結構相對分散，受力均勻，能夠很好地幫助肩頸放松，肌肉更為輕松自然沒有壓迫感；　　這種晶格結構的回彈性很好，柔軟的同時也有足夠的承托力，能夠有效維持頸椎正常的生理曲度；同時不易斷，使用壽命長。更重要的是，清鋒的3D打印頸椎枕已經(jīng)實現(xiàn)批量生產(chǎn)。　　醫(yī)生快速上手一鍵發(fā)送工廠，批量私人定制　　在使用操作上，LuxStudio的簡單程度即使是醫(yī)生也可以獨立完成，導入模型后選擇晶格結構即可完成生成，后續(xù)推進到下一環(huán)節(jié)進行一體化的批量定制生產(chǎn)，對癥下藥，讓治療更加精準；　　產(chǎn)品上還可以定制名字、不同紋理等，滿足患者的視覺需求。　　未來，清鋒將會研發(fā)Pad版APP，根據(jù)患者頸椎數(shù)據(jù)可自動生成模型和晶格，輔助醫(yī)生更快完成治療和定制。　　同時，清鋒也將規(guī)劃家居型枕頭的應用，提供給家居品牌或者頸椎亞健康、想要改善狀態(tài)、提高睡眠質(zhì)量的大眾消費者，小伙伴們可以期待一下。　　雖然參數(shù)化設計可能聽起來很遙遠，但在設計師和企業(yè)眼中，參數(shù)化設計已經(jīng)成為讓創(chuàng)意變成真正可生產(chǎn)的應用手段。例如，研究骨密度的醫(yī)療器材、　　航空航天的殼體、別出心裁的幾何結構設計等等，都可以用參數(shù)化進行產(chǎn)品創(chuàng)新。　　期待越來越多的企業(yè)和設計師們通過LuxStudio和3D打印為我們帶來“好”的產(chǎn)品！　　關于清鋒科技(LuxCreo) 清鋒科技(18600573362)是一家專注于3D打印設備、軟件、材料研發(fā)，致力于改變產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)方式的數(shù)字化3D智造商。團隊成員匯聚了清華大學、哈佛大學、佐治亞理工學院、賓夕法尼亞大學、劍橋大學等學府的高端技術人才和高管人才。團隊研發(fā)出適配于不同行業(yè)的高性能材料體系（彈性體材料、韌性材料、齒科材料、耐高溫材料等），依托自主研發(fā)的Lux系列DLP光固化3D打印機、iLux Pro系列LCD桌面級光固化3D打印機和配套軟件，為鞋類、齒科、醫(yī)療、消費、工業(yè)、科研等行業(yè)創(chuàng)新升級提供解決方案，打造兼具定制化和批量化的新型數(shù)字化制造模式及生態(tài)閉環(huán)，讓制造更簡單！www.luxcreo.cn 歡迎關注清鋒公眾號：qingfengshidai了解更多專業(yè)信息。公司電話：010-63941626 公司郵箱：business@luxcreo.com 市場電話：18600573362 官方網(wǎng)站：www.LuxCreo.cn 公司地址：北京市海淀區(qū)建材城中路27號金隅智造工場S5幢1017

清鋒（北京）科技有限公司 2022-11-10

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