生物医用材料聚醚醚酮熔融沉积成型系统的结构设计及工艺优化

摘要

新兴特种高分子材料聚醚醚酮（Poly Ether Ether Ketone，PEEK）以其优异的机械性能、生物相容性、耐磨性、耐蚀性以及杨氏模量与人体骨骼相近等诸多优点，被视为骨损伤修复和骨骼代替的理想材料，适合在人体内长期植入。然而，目前 PEEK材料自身只能采用注塑或激光烧结成型技术成型制造，限制了其在临床医学骨科手术中的应用。而熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）作为一种基于增材制造的先进加工技术，拥有高度定制化、制件周期短、制件结构复杂等工艺特点，克服了 PEEK人工骨制作困难、无法定制的缺点，将是未来临床医学一个重要的研究方向。针对 PEEK熔点高、粘度大的材料特点以及一般FDM设备无法完成 PEEK打印的技术瓶颈，本文开发出了一套适用于 PEEK的FDM系统，并对成型工艺进行优化。
　　为满足 PEEK材料的熔融沉积成型工艺条件，从整机设计参数入手，对新型PEEK FDM打印装备的机械系统进行结构设计，包括传动系统、机身结构、成型热床、喷头系统等，并完成各个机构的三维建模与装配。本文改进了加热系统及温控系统，优化了喷嘴流道内部结构。采用有限元分析软件ANSYS对喷头系统结构做模态分析，得到结构模态参数，为喷头系统的结构优化提供依据。
　　采用流体动力学软件FLUENT研究了PEEK熔融沉积成型过程中在喷头流道内的流动情况，模拟得到 PEEK熔体的温度、速度、压力分布云图。结果显示，成型温度影响材料的粘度、温度梯度以及加热速率，成型速度与流道压力的大小成正比，喷嘴口速度分布呈中心向外逐步减小。
　　基于热力学原理模拟了 FDM成型过程的温度场及应力场。根据其工艺特点，运用参数化编程语言（APDL）以及“生死单元”技术实现不同成型路径、成型速度、成型温度等仿真条件参数控制，完成FDM成型过程的热应力耦合分析。分析对比不同成型参数条件下的成型结果，其中提高成型环境温度和沿短边扫描成型能有效降低成型过程中产生的热应力，为 PEEK熔融沉积成型工艺参数的优化提供理论依据。
　　运用本文设计的FDM系统完成PEEK标准拉伸件打印。为分析成型温度、分层厚度、成型速度、材料填充料对 PEEK成型件机械性能的影响，设计四因素三水平9组正交拉伸试验，分别将拉伸强度和断裂伸长率作为综合工艺指标做极差对比并得到最优工艺参数水平组合，为工艺优化提供实验依据。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 3D打印技术概述

1.3 聚醚醚酮在生物医疗方面的应用

1.4 FDM国内外研究现状

1.5 课题研究内容

第二章 熔融沉积成型设备机械系统方案和结构设计

2.1 FDM系统设计参数及原则

2.2 传动系统设计

2.3 底座和机身框架结构设计

2.4 成型热床设计

2.5 设备CAD总装配图

2.6 本章小结

第三章 熔融沉积成型设备喷头结构设计及流场模拟仿真

3.1 喷头设计

3.2 喷头系统结构的振动模态分析

3.3 喷嘴流体模拟仿真

3.4 本章小结

第四章 聚醚醚酮熔融沉积成型过程的有限元模拟仿真及分析

4.1 熔融沉积成型过程有限元仿真的特点

4.2 熔融沉积成型过程的有限元模拟

4.3 聚醚醚酮熔融沉积成型过程温度场及热应力耦合

4.4 熔融沉积成型不同工艺参数仿真结果对比分析

4.5本章小结

第五章 聚醚醚酮力学性能实验分析及工艺优化

5.1 PEEK熔融沉积成型系统

5.2 成型样件力学性能测试

5.3 PEEK生物医学领域应用

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献