激光选区烧结设备改进及人工胫骨垫片设计与制造研究

发布时间：2017-06-15 16:01

  本文关键词：激光选区烧结设备改进及人工胫骨垫片设计与制造研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文首先阐述国内外激光选区烧结(SLS)设备的研究状况以及SLS在医学领域的应用情况，接着对SLS成型进行基础研究；对激光选区烧结设备的预热系统进行改进，提高预热装置的均匀性及效率；研究UHMWPE工艺及性能；最后用正向设计及逆向设计建立胫骨垫片的三维模型，并用改进的SLS设备成型设计的人工胫骨垫片假体。 论文的主要研究内容如下。 （1）对SLS成型进行基础研究。研究了激光内部功率百分比与实际功率值的关系，以及手持红外测温仪与温控器值的对比，校正光路系统，对铺粉装置进行改进，研究薄壁零件的设计极限及成型极限，对PP基本工艺参数进行研究，为UHMWPE的工艺研究打下基础。 （2）对SLS加热系统的改进。对加热系统进行整体介绍，包括检测系统以及预热系统，从预热元件的选择、布置以及控制三方面进行改进，建立预热装置的数学模型，最后对改进的预热装置温度场均匀性及效率进行验证。 （3）UHMWPE工艺及性能研究。致密度的研究，主要从不同扫描间距下激光功率对致密度的影响以及不同扫描速度下扫描间距对致密度的影响；研究翘曲量，，主要从不同扫描速度下扫描间距对翘曲量的影响，不同加工次序下摆放位置对翘曲量的影响，不同形状对翘曲量的影响以及支撑优化改善翘曲变形；研究尺寸精度，理论分析前处理误差对SLS成型件精度的影响，研究不同P/V值下扫描间距对X、Y、Z轴方向上的尺寸偏差的影响；研究力学性能，主要从不同扫描间距下激光功率对拉伸强度、断裂伸长率及屈服强度的影响，通过烘焙热处理的方式提高力学性能。 （4）基于激光选区烧结的胫骨垫片设计与制造。首先对标准胫骨垫片假体进行数据分析，得到各数据直接之间互为线性关系；对胫骨垫片内外等大、内大外小共20例Proe设计，并运用曲面实体化的方法改善曲面的缝合处，对胫骨垫片进行逆向设计，介绍Geomagic逆向设计的过程。简单介绍模型的Magic处理，扫描路径的生成，采用优化的工艺参数在成型机SLS成型PP、UHMWPE胫骨垫片，与胫骨托匹配性良好，通过零件性能测试并与模塑成型UHMWPE性能作对比。
【关键词】：激光选区烧结 设备改进 人工胫骨垫片 实验验证
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 本课题的背景及意义12-13
• 1.2 激光选区烧结 SLS 技术介绍13-15
• 1.2.1 SLS 技术的原理13-14
• 1.2.2 SLS 技术与 SLM 技术的异同14-15
• 1.3 SLS 技术国内外研究进展15-18
• 1.3.1 SLS 设备的研究进展15-17
• 1.3.2 SLS 在生物医学领域的研究进展17
• 1.3.3 个性化人工膝关节的研究现状17-18
• 1.4 课题概述18-21
• 1.4.1 本文研究目标18
• 1.4.2 本文研究内容18-21
• 第二章 实验条件21-43
• 2.1 设备21-22
• 2.1.1 SLS 成型设备21-22
• 2.1.2 测试设备22
• 2.2 材料22-24
• 2.3 软件24-26
• 2.4 基本参数的研究探索26-28
• 2.4.1 激光设定功率百分比与实际功率值26-27
• 2.4.2 手持红外测温仪与温控器值的对比27-28
• 2.5 光路系统的校正28-29
• 2.6 激光选区烧结铺粉系统的改进29-34
• 2.6.1 主要铺粉装置的对比分析29-31
• 2.6.2 铺粉系统的改进31-32
• 2.6.3 铺粉效果的实验验证32-33
• 2.6.4 影响铺粉的其他因素33-34
• 2.7 薄壁零件的 SLS 成型极限研究及误差分析34-37
• 2.7.1 方形薄壁的最小设计尺寸34-36
• 2.7.2 方形薄壁成型最小壁厚及分析36-37
• 2.8 PP 基本工艺参数研究37-41
• 2.8.1 PP 板结点的确定38
• 2.8.2 P、V 范围的确定38
• 2.8.3 PP 光斑补偿值的确定38
• 2.8.4 SLS 成型 PP 典型结构零件实例38-41
• 2.9 本章总结41-43
• 第三章 激光选区烧结预热系统的改进43-56
• 3.1 引言43
• 3.2 加热系统的整体介绍43-45
• 3.3 预热系统的改进45-51
• 3.3.1 预热元件的选择45
• 3.3.2 预热装置的结构设计45-48
• 3.3.3 预热装置的控制48-51
• 3.4 预热装置预热效率的验证51
• 3.5 预热装置温度场均匀性的验证51-55
• 3.5.1 数学模型的建立51-53
• 3.5.2 实验验证53-55
• 3.6 本章总结55-56
• 第四章 UHMWPE 工艺及性能研究56-78
• 4.1 UHMWPE 工艺参数的初步确定56-57
• 4.2 工艺参数对致密度的影响57-59
• 4.2.1 不同扫描间距下激光功率对致密度的影响57-58
• 4.2.2 不同扫描速度下扫描间距对致密度的影响58-59
• 4.3 工艺参数对翘曲变形的影响59-65
• 4.3.1 不同扫描速度下扫描间距对翘曲量的影响60-61
• 4.3.2 不同加工次序下摆放位置对翘曲量的影响61-62
• 4.3.3 不同形状对翘曲量的影响62-63
• 4.3.4 支撑优化改善翘曲变形63-65
• 4.4 SLS 成型 UHMWPE 尺寸精度研究65-70
• 4.4.1 前处理误差对 SLS 成型件精度的影响65-66
• 4.4.2 加工工艺误差对精度的影响66-69
• 4.4.3 光斑补偿对 UHMWPE 精度的影响69-70
• 4.5 UHMWPE 力学性能研究70-75
• 4.5.1 不同扫描间距下激光功率对拉伸强度的影响71
• 4.5.2 不同扫描间距下激光功率对断裂伸长率的影响71-72
• 4.5.3 不同扫描间距下激光功率对屈服强度的影响72
• 4.5.4 热处理72-75
• 4.5.5 超高分子量聚乙烯 SLS 试件与模塑件性能对比75
• 4.6 SLS 成型典型零件探索研究75-76
• 4.7 本章小结76-78
• 第五章 人工胫骨垫片假体的优化设计与制造78-102
• 5.1 引言78
• 5.2 标准假体尺寸的确定与数据分析78-81
• 5.2.1 标准假体尺寸的确定78-80
• 5.2.2 标准假体尺寸的数据分析80-81
• 5.3 胫骨垫片三维模型的设计81-91
• 5.3.1 基于 PRO/E 的胫骨垫片三维模型的正向设计81-85
• 5.3.2 胫骨垫片的逆向设计85-91
• 5.4 模型的 MAGICS 处理91-94
• 5.5 扫描路径的生成94-95
• 5.6 SLS 成型与机加工胫骨垫片95-99
• 5.6.1 SLS 成型 PP 胫骨垫片95-97
• 5.6.2 SLS 成型 UHMWPE 胫骨垫片97-98
• 5.6.3 机加工胫骨垫片98-99
• 5.7 匹配性验证99-100
• 5.8 力学性能验证100-101
• 5.9 本章总结101-102
• 结论102-104
• 参考文献104-109
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果109-110
• 致谢110-111
• 附件111

【参考文献】

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