本文關(guān)鍵詞：聚醚醚酮仿生人工骨3D打印熱力學(xué)仿真及實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來(lái)，隨著全世界范圍內(nèi)日益增多的骨骼創(chuàng)傷和修復(fù)，人工骨的需求逐年增加。特種工程塑料聚醚醚酮（PEEK）具有優(yōu)異的耐磨性、生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性以及楊氏模量最接近人骨等優(yōu)點(diǎn)，是理想的人工骨替換材料，適合長(zhǎng)期植入人體。在制造人工骨的諸多方法中，上世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的3D打印技術(shù)以快速、高精度、高強(qiáng)度、個(gè)性化的優(yōu)勢(shì)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是人工骨制造領(lǐng)域獲得相當(dāng)程度的重視和應(yīng)用。基于熔融沉積成型（FDM）原理的3D打印技術(shù)安全方便、無(wú)需使用激光器、后處理簡(jiǎn)單，與PEEK材料結(jié)合制造人工骨必將成為該領(lǐng)域的一項(xiàng)極具潛力的方法。但是，尚未有相關(guān)報(bào)道，研究處于起步階段。作者在對(duì)3D打印樣件進(jìn)行熱力學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用自行開(kāi)發(fā)的3D打印裝置在最優(yōu)打印條件下成功制造出PEEK仿生人工骨，突破了其只能用注塑和激光燒結(jié)制造的局限，具有理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 本研究采用有限元分析軟件ANSYS中的“單元生死”技術(shù)，在考慮材料性能隨溫度變化及相變條件下通過(guò)參數(shù)化編程語(yǔ)言（APDL）建立3D打印模型并進(jìn)行熱力學(xué)仿真。討論了噴頭溫度T1、成形室溫度T2和打印速度V這3個(gè)主要打印條件對(duì)樣件溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力耦合場(chǎng)的影響規(guī)律。仿真結(jié)果表明：成形室溫度T2和打印速度V是影響3D打印樣件溫度場(chǎng)的主要因素；溫度場(chǎng)的快速變化導(dǎo)致熱應(yīng)力分布不均；在保證3D打印順利進(jìn)行的前提下，提高成形室溫度、加快打印速度可以使樣件的溫度場(chǎng)分布均勻、粘結(jié)質(zhì)量提高、溫度梯度和冷卻速率減小，有利于樣件充分均勻結(jié)晶并降低不均勻收縮引起的翹曲變形，同時(shí)，樣件底面高應(yīng)力范圍及應(yīng)力波動(dòng)減小，打印過(guò)程中與打印基板脫落的可能性降低；提高噴頭溫度對(duì)改善粘結(jié)質(zhì)量和溫度場(chǎng)分布有利，但不利于減小溫度梯度和冷卻速率，噴頭溫度對(duì)于樣件的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力耦合場(chǎng)影響微弱，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇；樣件底面受較大拉應(yīng)力且角點(diǎn)處高應(yīng)力集中，是最易產(chǎn)生翹曲變形的區(qū)域；在高溫成形室和高速打印條件下進(jìn)行PEEK的FDM3D打印具有可行性。 基于有限元仿真結(jié)果，開(kāi)發(fā)出基于FDM原理的PEEK3D打印裝置，分析了樣件翹曲變形機(jī)理，針對(duì)噴頭溫度T1、成形室溫度T2、打印速度V和分層厚度H對(duì)樣件翹曲變形的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，采用非接觸三維掃描儀對(duì)樣件進(jìn)行測(cè)量，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，，將其與三維數(shù)字模型進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：樣件總體翹曲變形量隨成形室溫度的提高、分層厚度的減小而降低，隨噴頭溫度、打印速度的提高先減小后增大，存在最佳值；在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)T1=350℃，T2=130℃，V=30mm/s，H=200μm時(shí)，樣件的翹曲量最�。煌ㄟ^(guò)分析發(fā)現(xiàn)，3D打印成形室溫度和打印速度是影響樣件翹曲變形的主要因素。 基于理論與實(shí)驗(yàn)研究，提出減小PEEK3D打印樣件翹曲變形的方法。在此基礎(chǔ)之上利用獲得的最優(yōu)打印條件進(jìn)行PEEK仿生人工骨3D打印制造，借助掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)樣件打印前后的微觀組織形貌變化進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，通過(guò)選取適宜的打印條件，利用FDM3D打印可以獲得成形質(zhì)量良好，滿足技術(shù)要求的PEEK仿生人工骨。
【關(guān)鍵詞】：聚醚醚酮 仿生人工骨 3D打印 熔融沉積成型 熱力學(xué) 熱應(yīng)力耦合
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：R318.1;TP334.8
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 引言12
• 1.2 人工骨材料分類(lèi)12-14
• 1.3 聚醚醚酮在人工骨方面的應(yīng)用14-16
• 1.4 3D 打印在人工骨制造領(lǐng)域的應(yīng)用16-22
• 1.4.1 3D 打印技術(shù)及其發(fā)展16-19
• 1.4.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-22
• 1.5 課題來(lái)源、創(chuàng)新點(diǎn)及研究?jī)?nèi)容22-26
• 1.5.1 課題來(lái)源22
• 1.5.2 創(chuàng)新點(diǎn)22-23
• 1.5.3 研究?jī)?nèi)容23-26
• 第2章 聚醚醚酮仿生人工骨 3D 打印溫度場(chǎng)仿真及分析26-48
• 2.1 3D 打印溫度場(chǎng)有限元分析理論26-30
• 2.1.1 溫度場(chǎng)的有限單元法26-28
• 2.1.2 非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)有限元求解方法28-30
• 2.2 3D 打印溫度場(chǎng)有限元分析模型30-34
• 2.2.1 3D 打印樣件材料屬性30
• 2.2.2 分析模型描述及網(wǎng)格劃分30-32
• 2.2.3 傳熱及散熱邊界條件分析32
• 2.2.4 計(jì)算流程32-34
• 2.3 3D 打印溫度場(chǎng)仿真結(jié)果及分析34-45
• 2.3.1 打印過(guò)程的溫度場(chǎng)分布34-38
• 2.3.2 節(jié)點(diǎn)溫度-時(shí)間變化歷程分析38-39
• 2.3.3 溫度梯度特征分析39-41
• 2.3.4 節(jié)點(diǎn)冷卻時(shí)間及冷卻速率分析41-45
• 2.4 本章小結(jié)45-48
• 第3章 聚醚醚酮仿生人工骨 3D 打印熱應(yīng)力耦合場(chǎng)仿真及分析48-62
• 3.1 3D 打印熱應(yīng)力耦合場(chǎng)仿真理論48-51
• 3.1.1 塑性理論介紹48-49
• 3.1.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式49-50
• 3.1.3 平衡方程推導(dǎo)50-51
• 3.1.4 3D 打印熱應(yīng)力耦合場(chǎng)問(wèn)題求解過(guò)程51
• 3.2 3D 打印熱應(yīng)力耦合場(chǎng)仿真分析模型51-54
• 3.2.1 熱應(yīng)力場(chǎng)耦合方法52
• 3.2.2 分析單元轉(zhuǎn)換及材料參數(shù)定義52-53
• 3.2.3 熱應(yīng)力耦合場(chǎng)仿真邊界條件53
• 3.2.4 計(jì)算流程53-54
• 3.3 3D 打印熱應(yīng)力耦合場(chǎng)仿真結(jié)果及分析54-59
• 3.3.1 打印結(jié)束時(shí)刻應(yīng)力分布情況54-55
• 3.3.2 特征點(diǎn)應(yīng)力與時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系55-56
• 3.3.3 打印條件對(duì)應(yīng)力分布影響分析56-59
• 3.3.4 打印條件與翹曲變形對(duì)應(yīng)關(guān)系59
• 3.4 本章小結(jié)59-62
• 第4章 聚醚醚酮仿生人工骨 3D 打印實(shí)驗(yàn)研究62-82
• 4.1 實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)發(fā)62-66
• 4.1.1 3D 打印系統(tǒng)噴頭設(shè)計(jì)63-64
• 4.1.2 3D 打印系統(tǒng)成形室及基板設(shè)計(jì)64-65
• 4.1.3 溫控系統(tǒng)的建立65
• 4.1.4 3D 打印系統(tǒng)分層及控制軟件65-66
• 4.2 打印條件對(duì)樣件翹曲變形影響實(shí)驗(yàn)研究66-77
• 4.2.1 翹曲變形成因66-67
• 4.2.2 翹曲變形實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析67-76
• 4.2.3 減小 PEEK 3D 打印樣件翹曲變形的措施76-77
• 4.3 PEEK 仿生人工骨 3D 打印實(shí)驗(yàn)77-79
• 4.4 本章小結(jié)79-82
• 第5章 結(jié)論與展望82-84
• 5.1 結(jié)論82-83
• 5.2 展望83-84
• 參考文獻(xiàn)84-91
• 致謝91

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：聚醚醚酮仿生人工骨3D打印熱力學(xué)仿真及實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：365405