生物醫(yī)用材料聚醚醚酮熔融沉積成型系統的結構設計及工藝優(yōu)化.pdf

1、新興特種高分子材料聚醚醚酮（Poly Ether Ether Ketone，PEEK）以其優(yōu)異的機械性能、生物相容性、耐磨性、耐蝕性以及楊氏模量與人體骨骼相近等諸多優(yōu)點，被視為骨損傷修復和骨骼代替的理想材料，適合在人體內長期植入。然而，目前 PEEK材料自身只能采用注塑或激光燒結成型技術成型制造，限制了其在臨床醫(yī)學骨科手術中的應用。而熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）作為一種基于增材制造的先進加工

2、技術，擁有高度定制化、制件周期短、制件結構復雜等工藝特點，克服了 PEEK人工骨制作困難、無法定制的缺點，將是未來臨床醫(yī)學一個重要的研究方向。針對 PEEK熔點高、粘度大的材料特點以及一般FDM設備無法完成 PEEK打印的技術瓶頸，本文開發(fā)出了一套適用于 PEEK的FDM系統，并對成型工藝進行優(yōu)化。
　　為滿足 PEEK材料的熔融沉積成型工藝條件，從整機設計參數入手，對新型PEEK FDM打印裝備的機械系統進行結構設計，包括傳動系

3、統、機身結構、成型熱床、噴頭系統等，并完成各個機構的三維建模與裝配。本文改進了加熱系統及溫控系統，優(yōu)化了噴嘴流道內部結構。采用有限元分析軟件ANSYS對噴頭系統結構做模態(tài)分析，得到結構模態(tài)參數，為噴頭系統的結構優(yōu)化提供依據。
　　采用流體動力學軟件FLUENT研究了PEEK熔融沉積成型過程中在噴頭流道內的流動情況，模擬得到 PEEK熔體的溫度、速度、壓力分布云圖。結果顯示，成型溫度影響材料的粘度、溫度梯度以及加熱速率，成型速度與流

4、道壓力的大小成正比，噴嘴口速度分布呈中心向外逐步減小。
　　基于熱力學原理模擬了 FDM成型過程的溫度場及應力場。根據其工藝特點，運用參數化編程語言（APDL）以及“生死單元”技術實現不同成型路徑、成型速度、成型溫度等仿真條件參數控制，完成FDM成型過程的熱應力耦合分析。分析對比不同成型參數條件下的成型結果，其中提高成型環(huán)境溫度和沿短邊掃描成型能有效降低成型過程中產生的熱應力，為 PEEK熔融沉積成型工藝參數的優(yōu)化提供理論依據。<