基于选择性激光熔化制备多孔结构的研究

摘要

多孔结构是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。相对连续介质材料而言，多孔结构材料一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点。多孔结构材料的优良特性使多孔结构材料在冶金、石油、化工、纺织、医药、酿造等国民经济部门以及国防军事等部门得到了广泛的应用。
　　本课题旨在设计一种多孔结构与骨的弹性模量相匹配，并采用选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术，制备出模型。
　　首先，对多孔结构材料的优良特性进行相关的研究，并对目前采用SLM制备的多孔结构模型进行总结，得出只有截角八面体多孔结构模型能填充空间并使空间剩余体积最小，由此得到截角八面体多孔结构模型就是需要的模型。
　　其次，从模型的建模、最大应力、总变形、孔隙率、成型和精度问题，最终确定臂径的形状为圆形。对建造的模型进行有限元应力、应变分析确定臂径为400μm，孔径750～1000μm。
　　最后，通过对SLM工艺的研究，采用ASTM标准二级纯钛粉，激光功率为100W，扫描速度为225mm/s，扫描间距为70μm，铺粉层厚度为70μm，预热温度为200℃C，由内到外的扫描方式，制备臂径为400μm，孔径分别为750μm、800μm、1000μm的截角八面体多孔结构模型，并对孔径为1000μm的截角八面体多孔结构模型进行压缩实验，得到模型的实际弹性模量为8.34Gpa，计算的实际弹性模量为7.7Gpa，压缩实验屈服强度378.86Mpa，模拟所受的最大应力为372.24Mpa，模型的弹性模量在松质骨弹性模量(1～10)Gpa范围内，实际孔隙率为72.4％，在适合骨细胞生长的孔隙率30％～95％之间，所以臂径为400μm，孔径为1000μm的截角八面体多孔结构模型完全符合骨细胞生长条件，是一个比较理想的模型。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究对象与问题

1．3 制备多孔结构材料的研究现状

1．3．1 多孔钛及合金的制备方法

1．3．2 SLM制备多孔结构的研究进展

1．4 研究内容与章节安排

第二章 多孔结构的相关概念

2．1 多孔结构

2．2 多孔结构参数的定义

2．2．1 臂径和孔径的定义

2．2．2 孔隙率的定义

2．2．3 弹性模量的定义

2．3 本章小结

第三章 多孔结构的优化设计

3．1 研究基础及臂径形状的确定

3．2 臂径的确定

3．3 孔径的确定

3．4 本章小结

第四章 多孔结构的有限元分析

4．1 有限元分析简介

4．2 ANSYS软件介绍

4．3 截角八面体多孔结构模型的静力学分析

4．3．1 几何模型的确定

4．3．2 材料特性参数

4．3．3 划分网格

4．3．4 施加载荷与约束

4．3．5 有限元静力分析结果

4．4 本章小结

第五章 截角八面体多孔结构模型的制备及实验

5．1 实验设备

5．2 实验材料

5．3 SLM工艺参数的研究

5．3．1 激光能量

5．3．2 激光功率

5．3．3 扫描速度

5．3．4 激光的热影响区域

5．3．5 扫描间距

5．3．6 铺粉厚度

5．3．7 扫描方式

5．3．8 预热温度

5．4 压缩实验

5．5 本章小结

全文总结与展望

1 主要结论

2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

声明

致谢