仿生人工骨3D打印流场仿真分析及试件力学性能研究

发布时间：2017-03-23 17:19

  本文关键词：仿生人工骨3D打印流场仿真分析及试件力学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：生物制造是目前医学领域的前沿，随着骨骼损伤的不断涌现以及人口老龄化日益严重的趋势，研制具有良好结构性、生物相容性的仿生人工骨修复材料显得尤为重要。特种塑料聚醚醚酮（PEEK）具有优异的的机械性能、耐磨性及化学稳定性，是理想的人工骨替代材料。在制备人工骨的诸多方法中，3D打印技术以其高精度、加工时间短、个性化的特点展现出巨大优势。熔融沉积造型技术为3D打印技术中较为成熟的一种，该工艺方法设备维护简单、运行成本低、后处理简单，适合于个体化人工骨的加工。本文作者在对PEEK3D打印过程进行流体力学分析的基础上，研发出适合PEEK3D打印的实验装置，并对所打印零件进行了力学实验研究，获得了较好的打印质量，，突破了3D打印技术的材料限制，同时丰富了人工骨的制备方法，具有很大的实用价值。 本研究采用Euler法给出了流体运动的基本方程。针对加工过程中聚合物自身的特点，对流体实际流动过程进行合理的假设简化，给出了聚醚醚酮（PEEK）的连续性方程、运动方程和能量方程。针对高分子聚合物聚醚醚酮（PEEK）的特点，建立Power-Law型的本构方程。同时采用伽辽金加权剩余法，对聚醚醚酮（PEEK）熔体的连续性方程、运动方程和能量方程进行离散化，并代入边界条件进行数值求解。采用有限元方法，在考虑实际流动过程的基础上，通过CATIA对流道中的熔体进行建模并通过FLUENT对模型进行流体力学仿真，得到熔体的速度、压力、温度分布。讨论了喷嘴温度T、打印速度V这两个打印条件对分布情况的影响。仿真结果表明：熔体温度、速度、压力以熔体几何中心为半径呈带状扩散。靠近喷头出口处压力、速度变化较大；喷嘴温度的改变对流道内的温度和压力的分布影响不大，但会影响速度峰值；在不同打印速度情况下，速度越快，出口处的压力越高，同时随着速度升高，出口附近的等压线范围逐步扩大。速度的加快会减少熔体在流道中的加热时间，使熔体内部的温度变低。 针对本文采用的材料聚醚醚酮（PEEK），自主开发了基于FDM原理的PEEK3D打印系统。选取分层厚度、打印角度，通过拉伸、弯曲实验，研究打印参数对PEEK打印样件拉伸、弯曲力学性能的影响；同时将PEEK样件与StratasysUprint SE所打印的ABS-P430样件的力学性能进行对比，并得到了相应的应力—应变曲线；对PEEK拉伸样件与ABS-P430拉伸样件的断面进行SEM实验分析，观察其拉伸破坏后的微观形态变化。实验结果表明：分层厚度和打印角度是PEEK3D打印过程中重要的参数，且对样件的拉伸及弯曲性能有很大影响；PEEK样件在打印角度为0°，分层厚度为300μm时三种力学性能最佳；无论是PEEK还是ABS，经过3D打印后的样件力学性能较原材料均有所下降。现有3D打印PEEK样件的力学性能（拉伸、压缩和弯曲性能）已高于商业化的3D打印机所打印的ABS样件。
【关键词】：3D打印 聚醚醚酮 仿生人工骨 流体力学 力学性能
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.17;TP391.73
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 引言11
• 1.2 人工骨的材料、结构及制备方法11-12
• 1.3 聚醚醚酮的应用12-13
• 1.4 3D 打印技术在人工骨制造领域的发展现状13-22
• 1.4.1 熔融沉积造型技术简介13-14
• 1.4.2 国内外人工骨成型情况进展14-22
• 1.5 课题的研究内容及创新点22-25
• 1.5.1 课题来源22
• 1.5.2 研究内容22-23
• 1.5.3 研究创新点23-25
• 第2章 PEEK 打印人工骨成型流场理论分析25-37
• 2.1 流场的控制方程建立25-29
• 2.1.1 连续性方程26
• 2.1.2 运动方程26-28
• 2.1.3 能量方程28-29
• 2.2 流场本构方程29-31
• 2.3 流体力学分析的有限元法31-33
• 2.4 控制方程的离散化33-36
• 2.4.1 连续方程和运动方程的离散33-35
• 2.4.2 能量方程的离散35-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 PEEK 打印人工骨成型流场模拟仿真37-51
• 3.1 模拟用软件介绍37-38
• 3.2 3D 打印流场模型建立及有限元分析38-42
• 3.2.1 模型建立38-39
• 3.2.2 网格划分39
• 3.2.3 边界条件的设置39-40
• 3.2.4 材料属性设定及本构方程的选择40-41
• 3.2.5 求解计算及收敛性验证41-42
• 3.3 3D 打印流场仿真结果及分析42-49
• 3.3.1 打印过程温度场分布42-44
• 3.3.2 打印过程速度场分布44-46
• 3.3.3 打印过程压力场分布46-47
• 3.3.4 打印条件改变对打印过程的影响47-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第4章 PEEK 力学性能实验分析51-69
• 4.1 实验装置开发51-55
• 4.1.1 硬件结构的改进52-53
• 4.1.2 温控系统的改进53-54
• 4.1.3 打印系统控制软件及打印流程介绍54-55
• 4.2 打印参数对 PEEK 力学性能的影响55-61
• 4.2.1 实验方案设计55-56
• 4.2.2 实验材料、设备及相关力学实验标准56-58
• 4.2.3 实验结果分析58-61
• 4.3 ABS 与 PEEK 的力学性能对比61-66
• 4.3.1 ABS 与 PEEK 的拉伸性能对比61-63
• 4.3.2 ABS 与 PEEK 的压缩性能对比63-64
• 4.3.3 ABS 与 PEEK 的弯曲性能对比64-66
• 4.4 本章小结66-69
• 第5章 结论与展望69-71
• 5.1 结论69-70
• 5.2 展望70-71
• 参考文献71-79
• 致谢79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 颜永年 　 ,熊卓 ,张人佶 ,王小红 ,杨洪义 ,陈立峰;生物制造工程的原理与方法[J];清华大学学报(自然科学版);2005年02期

2 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

3 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

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本文编号：264229