本文關(guān)鍵詞：仿生人工骨材料PLA-nHA熔融沉積的數(shù)值模擬及實驗研究

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【摘要】：骨骼是人體的重要組成部分,擔(dān)負(fù)著支撐、保護(hù)、造血、貯鈣、運(yùn)動及代謝等多種功能。隨著我國老齡化階段的到來,骨骼疾病的發(fā)生率日益增加,人類對于骨骼的移植以及修復(fù)的需求也日益增加,因此研制適用于人體移植的仿生人工骨并代替破損骨骼成為骨骼疾病治療的一個重要手段。目前,利用熔融沉積成型技術(shù)(FDM)制備的聚乳酸-納米羥基磷灰石復(fù)合材料(PLA-nHA)由于具有很好的力學(xué)特性、細(xì)胞相容性、骨誘導(dǎo)性及生物可降解性等優(yōu)點(diǎn),便于細(xì)胞的生長與繁殖而備受關(guān)注。但是,采用FDM打印該材料的難點(diǎn)在于聚乳酸(PLA)作為一種熱塑性高分子材料容易發(fā)生翹曲變形,同時,納米羥基磷灰石(nHA)作為一種陶瓷材料成型較為困難,從而使得仿生人工骨的打印精度不高。因此,研究PLA-nHA的熔融沉積過程,并優(yōu)化打印工藝參數(shù),獲得高精度的仿生人工骨材料,可以為采用FDM成型技術(shù)制備仿生人工骨提供有效的理論依據(jù)和實驗指導(dǎo)。為此,本文基于FDM成型技術(shù)研究了PLA-nHA的成型過程,旨在提高該材料制備仿生人工骨的成型精度。本文研究的主要工作有:FDM成型過程熱力學(xué)仿真模型的建立及分析。首先,根據(jù)FDM成型過程的溫度場及熱耦合應(yīng)力場有限元仿真理論,確定了非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程及熱耦合應(yīng)力場問題的求解方法。其次,基于FDM的實際成型過程確定了合理的材料屬性、仿真物理模型、單元類型、邊界條件及載荷,采用“生死單元”技術(shù)并基于ANSYS參數(shù)化編程語言(APDL)建立了FDM成型過程的溫度場及熱耦合應(yīng)力場仿真模型。最后,根據(jù)仿真結(jié)果分析了FDM成型過程中溫度場的分布、成型結(jié)束時刻等效應(yīng)力的分布及特征節(jié)點(diǎn)的溫度、溫度梯度、等效應(yīng)力隨時間變化的關(guān)系,仿真結(jié)果與實際成型過程保持一致,驗證了熱力學(xué)仿真模型的正確性。打印工藝參數(shù)對FDM成型過程影響的有限元仿真。首先,根據(jù)FDM實際成型過程,確定了影響FDM成型精度的打印工藝參數(shù)。其次,結(jié)合實際成型過程分別建立了成型室溫度、噴頭溫度、成型速度、分層厚度、成型角度對FDM成型過程的熱力學(xué)仿真模型。最后,通過分析成型結(jié)束時刻仿真模型的溫度場分布、特征節(jié)點(diǎn)的溫度梯度隨時間變化關(guān)系、成型結(jié)束時刻熱耦合應(yīng)力場的分布確定了各打印工藝參數(shù)對FDM成型過程的精度影響,為實驗分析提供了一定的理論指導(dǎo)。FDM成型過程的實驗研究。首先,利用熔融共混技術(shù)制備了可供熔融沉積設(shè)備打印的PLA-nHA,并設(shè)計了便于實驗考查及測量的打印模型。其次,基于實際打印情況,設(shè)計了各打印工藝參數(shù)下合理的實驗方案,并完成打印實驗,然后測量了長度、寬度、厚度方向的尺寸誤差,仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致,初步確定了各打印工藝參數(shù)對FDM成型過程的精度影響。接著,基于仿真和實驗結(jié)果,設(shè)計了一組能極大提高打印精度的實驗方案,并確定了最優(yōu)打印工藝參數(shù)。最后,基于逆向工程建立了仿生股骨的三維模型,采用最優(yōu)打印工藝參數(shù)完成了仿生股骨的打印,并利用三維掃描技術(shù)分析了仿生股骨的打印精度,結(jié)果表明,仿生股骨的平均偏差為0.051mm,驗證了PLA-nHA仿生人工骨移植的可行性。
【關(guān)鍵詞】：仿生人工骨 FDM 聚乳酸-納米羥基磷灰石 溫度場仿真 熱耦合應(yīng)力場仿真 逆向工程
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R318.08;R687
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-21
• 1.1 課題來源10
• 1.2 課題研究背景及意義10-11
• 1.3 基于快速成型技術(shù)仿生人工骨的研究現(xiàn)狀11-15
• 1.4 聚乳酸-納米羥基磷灰石復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀15-17
• 1.5 FDM成型技術(shù)的研究現(xiàn)狀17-19
• 1.6 主要研究內(nèi)容19-21
• 第2章 FDM熱力學(xué)仿真理論及工藝簡介21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 FDM成型過程溫度場的仿真理論21-24
• 2.2.1 瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過程的理論方程21-22
• 2.2.2 瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過程的求解方法22-24
• 2.3 FDM成型過程熱耦合應(yīng)力場的仿真理論24-27
• 2.3.1 塑性理論的選擇24-25
• 2.3.2 本構(gòu)方程的推導(dǎo)25-26
• 2.3.3 平衡過程的介紹26-27
• 2.3.4 熱耦合應(yīng)力場問題的求解27
• 2.4 FDM工藝過程的簡介27-29
• 2.5 FDM成型精度的影響因素29-30
• 2.6 本章小結(jié)30-31
• 第3章 FDM成型過程的熱力學(xué)仿真研究31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 FDM成型過程熱力學(xué)仿真模型的建立31-36
• 3.2.1 材料參數(shù)的定義31-32
• 3.2.2 物理模型的建立及網(wǎng)格劃分32-33
• 3.2.3 單元類型的選擇33-34
• 3.2.4 邊界條件及載荷的定義34-35
• 3.2.5 熱力學(xué)仿真建模流程35-36
• 3.3 成型過程的溫度場分析36-40
• 3.4 成型結(jié)束時刻的應(yīng)力場分析40-42
• 3.5 特征節(jié)點(diǎn)的溫度及等效應(yīng)力隨時間變化的關(guān)系42-43
• 3.6 本章小結(jié)43-45
• 第4章 打印工藝參數(shù)的有限元仿真研究45-59
• 4.1 引言45
• 4.2 成型室溫度對FDM成型過程的影響45-47
• 4.3 噴頭溫度對FDM成型過程的影響47-50
• 4.4 成型速度對FDM成型過程的影響50-52
• 4.5 分層厚度對FDM成型過程的影響52-55
• 4.6 成型角度對FDM成型過程的影響55-57
• 4.7 本章小結(jié)57-59
• 第5章 工藝特性的實驗研究59-79
• 5.1 引言59
• 5.2 聚乳酸-納米羥基磷灰石復(fù)合材料的制備59-60
• 5.3 打印工藝參數(shù)對FDM打印精度的試驗研究60-67
• 5.3.1 成型室溫度對打印精度的影響60-62
• 5.3.2 噴頭溫度對打印精度的影響62-63
• 5.3.3 成型速度對打印精度的影響63-65
• 5.3.4 分層厚度對打印精度的影響65-66
• 5.3.5 成型角度對打印精度的影響66-67
• 5.4 打印工藝參數(shù)的優(yōu)選67-69
• 5.5 基于逆向工程仿生股骨的三維建模69-76
• 5.5.1 基于Mimics股骨CT圖像的處理69-73
• 5.5.2 基于Geomagic Studio股骨曲面的建模73-75
• 5.5.3 股骨模型的實體化及檢測75-76
• 5.6 仿生股骨的成型實驗及評價76-78
• 5.7 本章小結(jié)78-79
• 結(jié)論79-81
• 參考文獻(xiàn)81-86
• 致謝86

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本文編號：525973