聚醚醚酮仿生人工骨3D打印热力学仿真及实验研究

发布时间：2017-05-14 14:10

  本文关键词：聚醚醚酮仿生人工骨3D打印热力学仿真及实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来，随着全世界范围内日益增多的骨骼创伤和修复，人工骨的需求逐年增加。特种工程塑料聚醚醚酮（PEEK）具有优异的耐磨性、生物相容性、化学稳定性以及杨氏模量最接近人骨等优点，是理想的人工骨替换材料，适合长期植入人体。在制造人工骨的诸多方法中，上世纪80年代发展起来的3D打印技术以快速、高精度、高强度、个性化的优势在医学领域，尤其是人工骨制造领域获得相当程度的重视和应用。基于熔融沉积成型（FDM）原理的3D打印技术安全方便、无需使用激光器、后处理简单，与PEEK材料结合制造人工骨必将成为该领域的一项极具潜力的方法。但是，尚未有相关报道，研究处于起步阶段。作者在对3D打印样件进行热力学仿真和实验研究的基础上，利用自行开发的3D打印装置在最优打印条件下成功制造出PEEK仿生人工骨，突破了其只能用注塑和激光烧结制造的局限，具有理论和实际应用价值。 本研究采用有限元分析软件ANSYS中的“单元生死”技术，在考虑材料性能随温度变化及相变条件下通过参数化编程语言（APDL）建立3D打印模型并进行热力学仿真。讨论了喷头温度T1、成形室温度T2和打印速度V这3个主要打印条件对样件温度场和热应力耦合场的影响规律。仿真结果表明：成形室温度T2和打印速度V是影响3D打印样件温度场的主要因素；温度场的快速变化导致热应力分布不均；在保证3D打印顺利进行的前提下，提高成形室温度、加快打印速度可以使样件的温度场分布均匀、粘结质量提高、温度梯度和冷却速率减小，有利于样件充分均匀结晶并降低不均匀收缩引起的翘曲变形，同时，样件底面高应力范围及应力波动减小，打印过程中与打印基板脱落的可能性降低；提高喷头温度对改善粘结质量和温度场分布有利，但不利于减小温度梯度和冷却速率，喷头温度对于样件的温度场和热应力耦合场影响微弱，可根据实际需要进行选择；样件底面受较大拉应力且角点处高应力集中，是最易产生翘曲变形的区域；在高温成形室和高速打印条件下进行PEEK的FDM3D打印具有可行性。 基于有限元仿真结果，开发出基于FDM原理的PEEK3D打印装置，分析了样件翘曲变形机理，针对喷头温度T1、成形室温度T2、打印速度V和分层厚度H对样件翘曲变形的影响进行实验研究，采用非接触三维扫描仪对样件进行测量，获取点云数据，，将其与三维数字模型进行对比分析。实验结果表明：样件总体翘曲变形量随成形室温度的提高、分层厚度的减小而降低，随喷头温度、打印速度的提高先减小后增大，存在最佳值；在现有实验条件下，当T1=350℃，T2=130℃，V=30mm/s，H=200μm时，样件的翘曲量最小；通过分析发现，3D打印成形室温度和打印速度是影响样件翘曲变形的主要因素。 基于理论与实验研究，提出减小PEEK3D打印样件翘曲变形的方法。在此基础之上利用获得的最优打印条件进行PEEK仿生人工骨3D打印制造，借助扫描电子显微镜（SEM）对样件打印前后的微观组织形貌变化进行分析。研究结果表明，通过选取适宜的打印条件，利用FDM3D打印可以获得成形质量良好，满足技术要求的PEEK仿生人工骨。
【关键词】：聚醚醚酮 仿生人工骨 3D打印 熔融沉积成型 热力学 热应力耦合
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.1;TP334.8
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 引言12
• 1.2 人工骨材料分类12-14
• 1.3 聚醚醚酮在人工骨方面的应用14-16
• 1.4 3D 打印在人工骨制造领域的应用16-22
• 1.4.1 3D 打印技术及其发展16-19
• 1.4.2 国内外研究现状19-22
• 1.5 课题来源、创新点及研究内容22-26
• 1.5.1 课题来源22
• 1.5.2 创新点22-23
• 1.5.3 研究内容23-26
• 第2章 聚醚醚酮仿生人工骨 3D 打印温度场仿真及分析26-48
• 2.1 3D 打印温度场有限元分析理论26-30
• 2.1.1 温度场的有限单元法26-28
• 2.1.2 非线性瞬态热传导有限元求解方法28-30
• 2.2 3D 打印温度场有限元分析模型30-34
• 2.2.1 3D 打印样件材料属性30
• 2.2.2 分析模型描述及网格划分30-32
• 2.2.3 传热及散热边界条件分析32
• 2.2.4 计算流程32-34
• 2.3 3D 打印温度场仿真结果及分析34-45
• 2.3.1 打印过程的温度场分布34-38
• 2.3.2 节点温度-时间变化历程分析38-39
• 2.3.3 温度梯度特征分析39-41
• 2.3.4 节点冷却时间及冷却速率分析41-45
• 2.4 本章小结45-48
• 第3章 聚醚醚酮仿生人工骨 3D 打印热应力耦合场仿真及分析48-62
• 3.1 3D 打印热应力耦合场仿真理论48-51
• 3.1.1 塑性理论介绍48-49
• 3.1.2 应力-应变关系式49-50
• 3.1.3 平衡方程推导50-51
• 3.1.4 3D 打印热应力耦合场问题求解过程51
• 3.2 3D 打印热应力耦合场仿真分析模型51-54
• 3.2.1 热应力场耦合方法52
• 3.2.2 分析单元转换及材料参数定义52-53
• 3.2.3 热应力耦合场仿真边界条件53
• 3.2.4 计算流程53-54
• 3.3 3D 打印热应力耦合场仿真结果及分析54-59
• 3.3.1 打印结束时刻应力分布情况54-55
• 3.3.2 特征点应力与时间对应关系55-56
• 3.3.3 打印条件对应力分布影响分析56-59
• 3.3.4 打印条件与翘曲变形对应关系59
• 3.4 本章小结59-62
• 第4章 聚醚醚酮仿生人工骨 3D 打印实验研究62-82
• 4.1 实验装置开发62-66
• 4.1.1 3D 打印系统喷头设计63-64
• 4.1.2 3D 打印系统成形室及基板设计64-65
• 4.1.3 温控系统的建立65
• 4.1.4 3D 打印系统分层及控制软件65-66
• 4.2 打印条件对样件翘曲变形影响实验研究66-77
• 4.2.1 翘曲变形成因66-67
• 4.2.2 翘曲变形实验过程及结果分析67-76
• 4.2.3 减小 PEEK 3D 打印样件翘曲变形的措施76-77
• 4.3 PEEK 仿生人工骨 3D 打印实验77-79
• 4.4 本章小结79-82
• 第5章 结论与展望82-84
• 5.1 结论82-83
• 5.2 展望83-84
• 参考文献84-91
• 致谢91

【参考文献】

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1 颜永年,崔福斋,张人佶,胡蕴玉;人工骨的快速成形制造[J];材料导报;2000年02期

2 施李杨;杨明英;NAMITA Mandal浙江大学动物科学学院;朱良均;;丝素蛋白生物材料在骨修复中的应用研究进展[J];蚕业科学;2013年04期

3 王克敏;李世荣;郭嘉;;热致相分离技术制备组织工程支架[J];化学与生物工程;2006年01期

4 叶建东;罗方聪;;造孔粒子形貌对磷酸钙骨水泥支架材料结构与性能的影响[J];华南理工大学学报(自然科学版);2010年04期

5 高新勇;李涤尘;;基于CAD和SL的人工骨微管支架的制备研究[J];机电产品开发与创新;2006年02期

6 杨春蓉;;生物玻璃/胶原复合支架的制备及理化性能研究[J];福建工程学院学报;2010年03期

7 陈德敏;刘义荣;刘俊;;应用快速成型技术重建人工颅骨[J];生物医学工程研究;2009年03期

8 朱明兵;党新安;;选择性激光烧结不锈钢粉末模拟人骨实验研究[J];热加工工艺;2011年17期

9 覃丹丹;党惊知;白培康;刘斌;;快速成型技术在人工骨制造过程中的应用研究[J];生物骨科材料与临床研究;2006年01期

10 李风兰,赵铱民,白培康,吴国锋;应用选择性激光烧结法烧结新型复合蜡粉制作鼻赝复体[J];实用口腔医学杂志;2005年01期

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本文编号：365405