激光选区熔化成型植入体优化设计及应用基础研究

发布时间：2018-03-22 14:16

本文选题：激光选区熔化　切入点：参数化建模　出处：《华南理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：激光选区熔化(Selective Laser Melting,简称SLM)技术作为增材制造技术中的前沿技术,几乎可以实现任意复杂几何形状金属零件的直接制造,在个性化、定制化零件的制造方面具有很大优势,改变了传统植入体的设计方法。在个性化植入体设计方面,现行的建模方法依据仍然是传统的切骨重建,如膝关节植入体的个性化依据是传统的"5刀法"切骨,这样就导致未发生病患部位切除的可能性,另外,传统的建模方法存在建模过程复杂、建模效率较低的缺点。在植入体成型方面,SLM成型技术零件成形性能已经满足要求,但零件成性性能还有待进一步研究。因此,本文主要对个性化植入体的建模和SLM成型零件的性能进行研究,主要研究内容和成果如下:(1)个性化植入体和个性化多孔植入体建模问题。通过逆向和正向设计相结合的方法完成了个性化股骨、胫骨和颅骨植入体的三维重建,通过参数化编程的方法完成了股骨植入体的个性化切骨重建。介绍了个性化膝关节植入体的优化设计方法,有效的减少了其匹配过程中的应力集中现象。应用Rhinoceros中的Grasshopper插件编写电池图程序完成了桁架结构的参数化建模、有限元法参数化建模和仿生结构的参数化建模。可通过调节输入参数调节网格线的疏密程度,达到改变孔隙度、平均孔径和表面积体积比的目的,以适应不同部位不同植入体的要求。(2)多孔结构断裂机理、血液在孔隙中流场分布和SLM成型零件工艺问题。多孔结构压缩和模流仿真结果表明,正八面体方形结构与正八面体圆柱形结构位移量性能相当、正六面体方形结构与正六面体圆柱形结构位移量相当;六面体和八面体多孔结构应力主要集中在纵向杆,横向杆受力较小;血液流经多孔结构过程时,上下四支柱中间连接部位血液粘附较高,支柱周围血液粘附较低,与壁面接触部分血液粘附最高。SLM成型零件添加支撑优化分析发现,采用分块零度倾斜导热支撑,可有效的减小零件的翘曲变形,提高零件成型精度。(3)SLM成型CoCrMo合金零件力学性能问题。SLM成型CoCrMo合金零件热处理后拉伸性能研究结果表明,在1200℃保温1小时退火炉冷条件下,SLM成型件具有较高的延伸率,在1200℃保温2小时退火水冷条件下,SLM成型件抗拉强度和延伸率均大于铸造件。对线切割切下零件进行X射线探伤发现,零件的致密度变化主要发生在垂直于激光投射方向且为残余应力变化所引起,零件热处理后比热处理前致密度更加均匀,并经模型误差对比进行了验证;对冲击试样断口分形行为研究发现,冲击断口表面呈现显著分形行为,冲击功与分形维数呈现正相关关系。采用分形插值分析相关参数对多孔结构抗压性能的影响发现,弹性模量和抗压强度均随多孔结构孔隙率、平均孔径增大而降低,随表面积体积比增大而增大。对比人体骨弹性模量18Gpa,正八面体和正六面体多孔结构孔隙率在55%～84%、平均孔径在0.51～0.99和表面积体积比在2～4.2时,弹性模量均能满足要求。(4)SLM成型CoCrMo合金生物相容性与耐磨性问题。CoCrMo合金离子释放率研究结果表明:SLM成型件在不同腐蚀液中的Co、Cr离子浓度均低于铸造件。血液相容性研究结果表明:SLM成型件比铸造件溶血率低41.21%,白细胞、红细胞、血红蛋白、血小板消耗率SLM成型件比铸造件分别低13.1%、40%、60.6%、60.8%,说明SLM成型件具有更好的血液相容性。对比SLM成型件正面与铸造件摩擦系数发现,SLM成型件正面比铸造件摩擦系数略有降低。CoCrMo合金在NaCl润滑条件下,摩擦系数比干摩擦与人工唾液润滑条件下均高,摩擦系数波动量介于干摩擦与人工唾液润滑之间。SLM成型件正侧面摩擦系数对比分析表明,在不同润滑条件正面与侧面摩擦系数曲线变化趋势基本一致,差别主要为侧面摩擦系数波动范围较大。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG665;R318.08

【参考文献】