仿生人工骨材料PLA-nHA熔融沉积的数值模拟及实验研究

发布时间：2017-07-06 11:15

  本文关键词：仿生人工骨材料PLA-nHA熔融沉积的数值模拟及实验研究

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【摘要】：骨骼是人体的重要组成部分,担负着支撑、保护、造血、贮钙、运动及代谢等多种功能。随着我国老龄化阶段的到来,骨骼疾病的发生率日益增加,人类对于骨骼的移植以及修复的需求也日益增加,因此研制适用于人体移植的仿生人工骨并代替破损骨骼成为骨骼疾病治疗的一个重要手段。目前,利用熔融沉积成型技术(FDM)制备的聚乳酸-纳米羟基磷灰石复合材料(PLA-nHA)由于具有很好的力学特性、细胞相容性、骨诱导性及生物可降解性等优点,便于细胞的生长与繁殖而备受关注。但是,采用FDM打印该材料的难点在于聚乳酸(PLA)作为一种热塑性高分子材料容易发生翘曲变形,同时,纳米羟基磷灰石(nHA)作为一种陶瓷材料成型较为困难,从而使得仿生人工骨的打印精度不高。因此,研究PLA-nHA的熔融沉积过程,并优化打印工艺参数,获得高精度的仿生人工骨材料,可以为采用FDM成型技术制备仿生人工骨提供有效的理论依据和实验指导。为此,本文基于FDM成型技术研究了PLA-nHA的成型过程,旨在提高该材料制备仿生人工骨的成型精度。本文研究的主要工作有:FDM成型过程热力学仿真模型的建立及分析。首先,根据FDM成型过程的温度场及热耦合应力场有限元仿真理论,确定了非线性瞬态热传导方程及热耦合应力场问题的求解方法。其次,基于FDM的实际成型过程确定了合理的材料属性、仿真物理模型、单元类型、边界条件及载荷,采用“生死单元”技术并基于ANSYS参数化编程语言(APDL)建立了FDM成型过程的温度场及热耦合应力场仿真模型。最后,根据仿真结果分析了FDM成型过程中温度场的分布、成型结束时刻等效应力的分布及特征节点的温度、温度梯度、等效应力随时间变化的关系,仿真结果与实际成型过程保持一致,验证了热力学仿真模型的正确性。打印工艺参数对FDM成型过程影响的有限元仿真。首先,根据FDM实际成型过程,确定了影响FDM成型精度的打印工艺参数。其次,结合实际成型过程分别建立了成型室温度、喷头温度、成型速度、分层厚度、成型角度对FDM成型过程的热力学仿真模型。最后,通过分析成型结束时刻仿真模型的温度场分布、特征节点的温度梯度随时间变化关系、成型结束时刻热耦合应力场的分布确定了各打印工艺参数对FDM成型过程的精度影响,为实验分析提供了一定的理论指导。FDM成型过程的实验研究。首先,利用熔融共混技术制备了可供熔融沉积设备打印的PLA-nHA,并设计了便于实验考查及测量的打印模型。其次,基于实际打印情况,设计了各打印工艺参数下合理的实验方案,并完成打印实验,然后测量了长度、宽度、厚度方向的尺寸误差,仿真结果与实验结果基本一致,初步确定了各打印工艺参数对FDM成型过程的精度影响。接着,基于仿真和实验结果,设计了一组能极大提高打印精度的实验方案,并确定了最优打印工艺参数。最后,基于逆向工程建立了仿生股骨的三维模型,采用最优打印工艺参数完成了仿生股骨的打印,并利用三维扫描技术分析了仿生股骨的打印精度,结果表明,仿生股骨的平均偏差为0.051mm,验证了PLA-nHA仿生人工骨移植的可行性。
【关键词】：仿生人工骨 FDM 聚乳酸-纳米羟基磷灰石 温度场仿真 热耦合应力场仿真 逆向工程
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.08;R687
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题来源10
• 1.2 课题研究背景及意义10-11
• 1.3 基于快速成型技术仿生人工骨的研究现状11-15
• 1.4 聚乳酸-纳米羟基磷灰石复合材料的研究现状15-17
• 1.5 FDM成型技术的研究现状17-19
• 1.6 主要研究内容19-21
• 第2章 FDM热力学仿真理论及工艺简介21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 FDM成型过程温度场的仿真理论21-24
• 2.2.1 瞬态热传导过程的理论方程21-22
• 2.2.2 瞬态热传导过程的求解方法22-24
• 2.3 FDM成型过程热耦合应力场的仿真理论24-27
• 2.3.1 塑性理论的选择24-25
• 2.3.2 本构方程的推导25-26
• 2.3.3 平衡过程的介绍26-27
• 2.3.4 热耦合应力场问题的求解27
• 2.4 FDM工艺过程的简介27-29
• 2.5 FDM成型精度的影响因素29-30
• 2.6 本章小结30-31
• 第3章 FDM成型过程的热力学仿真研究31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 FDM成型过程热力学仿真模型的建立31-36
• 3.2.1 材料参数的定义31-32
• 3.2.2 物理模型的建立及网格划分32-33
• 3.2.3 单元类型的选择33-34
• 3.2.4 边界条件及载荷的定义34-35
• 3.2.5 热力学仿真建模流程35-36
• 3.3 成型过程的温度场分析36-40
• 3.4 成型结束时刻的应力场分析40-42
• 3.5 特征节点的温度及等效应力随时间变化的关系42-43
• 3.6 本章小结43-45
• 第4章 打印工艺参数的有限元仿真研究45-59
• 4.1 引言45
• 4.2 成型室温度对FDM成型过程的影响45-47
• 4.3 喷头温度对FDM成型过程的影响47-50
• 4.4 成型速度对FDM成型过程的影响50-52
• 4.5 分层厚度对FDM成型过程的影响52-55
• 4.6 成型角度对FDM成型过程的影响55-57
• 4.7 本章小结57-59
• 第5章 工艺特性的实验研究59-79
• 5.1 引言59
• 5.2 聚乳酸-纳米羟基磷灰石复合材料的制备59-60
• 5.3 打印工艺参数对FDM打印精度的试验研究60-67
• 5.3.1 成型室温度对打印精度的影响60-62
• 5.3.2 喷头温度对打印精度的影响62-63
• 5.3.3 成型速度对打印精度的影响63-65
• 5.3.4 分层厚度对打印精度的影响65-66
• 5.3.5 成型角度对打印精度的影响66-67
• 5.4 打印工艺参数的优选67-69
• 5.5 基于逆向工程仿生股骨的三维建模69-76
• 5.5.1 基于Mimics股骨CT图像的处理69-73
• 5.5.2 基于Geomagic Studio股骨曲面的建模73-75
• 5.5.3 股骨模型的实体化及检测75-76
• 5.6 仿生股骨的成型实验及评价76-78
• 5.7 本章小结78-79
• 结论79-81
• 参考文献81-86
• 致谢86

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本文编号：525973