个性化多孔下颌骨假体的轻量化设计与激光选区熔化成型研究

发布时间：2020-03-23 17:02

【摘要】：激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)成型技术是一种金属材料的3D打印技术,能高效快捷地一次成型形状复杂的金属零件。常用的下颌骨缺损修复方法往往无法同时修复下颌骨缺损部位的外形、力学性能和运动功能,而结合计算机辅助设计(CAD)与SLM技术,就能设计并制造出同时具有个性化外形、特定的力学性能与相应的运动学功能的个性化多孔下颌骨假体。镍钛合金具备较低的弹性模量、良好生物相容性与形状记忆效应等特性,是具有替代Ti6Al4V成为下一代医用植入物材料潜能的一种医用金属材料。本文选用镍钛合金作为成型材料,在对镍钛合金多孔结构的力学性能进行研究的基础上,根据人体下颌骨的应力分布规律,对下颌骨假体的内部多孔结构进行轻量化设计,并探索出一套系统的个性化多孔下颌骨假体的设计方法。本文主要的研究内容与成果如下:(1)SLM成型镍钛合金的工艺参数优化与SLM成型镍钛合金八面体多孔结构的力学性能研究。以激光功率、扫描速度为变量,以成型样件的表面形貌和线能量密度为指标,通过双因素全面试验和后续实验找出SLM成型镍钛合金的优化工艺参数,并通过分析成型样件的显微组织、物相成分和相变行为,验证了所获得的优化工艺参数的可靠性。此后,在该优化的工艺参数下成型镍钛合金多孔结构,并研究其抗压性能。(2)个性化下颌骨模型建立与有限元力学模拟。根据志愿者的CT扫描数据提取并建立个性化的下颌骨三维模型,并通过逆向建模进行模型的优化处理。对所获得的个性化下颌骨模型进行有限元力学模拟,并获得该下颌骨模型在正中咬合状态下的正应力分布规律。(3)个性化多孔下颌骨假体的轻量化设计与SLM成型。利用(1)中获得的SLM成型镍钛合金八面体多孔结构的抗压强度,对修正后的Gibson-Ashby抗压强度模型进行拟合,建立起SLM成型镍钛合金多孔结构的孔隙率参数与抗压强度之间的数学关系。此后,以(2)中所获得的下颌骨正中咬合状态下的正应力分布规律为指导,计算出与之对应的SLM成型镍钛合金八面体多孔结构的孔隙率参数的分布规律。最后,以特定的下颌骨区域为例,完整地呈现本研究拟提出的创新性个性化多孔下颌骨假体的多孔内胆与个性化外壳的设计过程,并进行SLM成型与树脂模型试戴。
【图文】：

个性化多孔下颌骨假体的轻量优化设计方法等内容进行详细介绍，同时对各种测试手段和仪器设备进行简单说明，为后续章节提供方法上的概述和依据。2.1 成型设备与软件本研究对下颌骨假体及相关多孔样件的成型采用 SLM 设备进行，同时，使用三维光固化树脂打印机对植入部位两端的健康骨骼进行模型制作，以测试所设计的下颌骨假体与植入部位的匹配情况。图 2-1(a)为 SLM 成型设备原理图，图 2-1(b)为 Di-metal 100 SLM 成型设备的外观图。本研究使用的 SLM 成型设备是由华南理工大学自主研发，广州雷佳增材科技有限公司协同生产的 Di-metal 100 SLM 成型设备。该设备在一般 SLM 成型设备的基础上更具有可兼容不同规格的金属粉末、制造环境含氧量超低，配备高效烟尘净化循环系统等优势。

华南理工大学硕士学位论文研究中，着重研究了镍钛合金粉末的 SLM 成型工艺，以及 SLM 成型的镍钛合金八面体多孔结构的抗压性能，为后续下颌骨假体的轻量优化设计打下基础。本研究所使用的SLM成型镍钛合金粉末材料是由中航迈特粉冶科技(北京)有限公司生产的 NiTi50 合金粉末，，该粉末的主要成分如表 2-2 所示。图 2-2(a)为该 NiTi50 粉末的扫描电子显微镜（SEM）照片，从图上可以看到，该镍钛合金粉末的球形度整体良好，颗粒尺寸分布较为均匀，有少量的颗粒粘附。图 2-2(b)是该粉末的粒度分布图，其粒度范围为 15-53μm，平均粒度为 35μm ，呈现窄区集中分布。表 2-2 NiTi50 粉末成分表（wt. %）Ti（%） Ni（%） Fe（%） C（%） O（%） N（%）bal 54.5 0.0074 0.006 0.0607 0.0018
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.08;TG665

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 朱洪波;李晨;吴梦雪;吴凯凡;;水泥-聚苯乙烯轻质材料的准静态压缩力学行为[J];同济大学学报(自然科学版);2015年10期

2 杨永强;宋长辉;王迪;;激光选区熔化技术及其在个性化医学中的应用[J];机械工程学报;2014年21期

3 王晓花;李金山;胡锐;寇宏超;周廉;;不同孔径分布多孔钛的力学性能(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2013年08期

4 刘辉;憨勇;;医用多孔金属的制备及其生物活化研究进展[J];中国材料进展;2012年05期

5 杨来侠;李涤尘;康利轲;;人体下颌骨的ANSYS受力分析[J];西安科技大学学报;2012年01期

6 周顺鄂;卢忠远;焦雷;李三霞;;泡沫混凝土压缩特性及抗压强度模型[J];武汉理工大学学报;2010年11期

7 赵弘;刘洪臣;顾晓明;;骨皮质厚度及植入角度对支抗种植钉影响的三维有限元分析[J];口腔颌面修复学杂志;2010年01期

8 刘培生;夏凤金;罗军;;多孔材料模型分析[J];材料工程;2009年07期

9 刘培生;泡沫金属的经典性模型——Gibson-Ashby模型浅析[J];有色金属;2005年02期

10 孙健,张富强,王冬梅,于嘉,王成焘;3种加载方式下正常人下颌骨三维有限元应力分布分析[J];上海口腔医学;2004年01期

相关博士学位论文 前4条

1 张国庆;激光选区熔化成型植入体优化设计及应用基础研究[D];华南理工大学;2016年

2 赵冰净;3D打印Ti-6Al-4V理化性能及生物相容性研究[D];中国人民解放军医学院;2016年

3 刘洋;激光选区熔化成型机理和结构特征直接制造研究[D];华南理工大学;2015年

4 肖冬明;面向植入体的多孔结构建模及激光选区熔化直接制造研究[D];华南理工大学;2013年

相关硕士学位论文 前1条

1 李洋;激光增材制造（3D打印）制备生物医用多孔金属工艺及组织性能研究[D];苏州大学;2015年

本文编号：2597014