生物醫(yī)用材料聚醚醚酮熔融沉積成型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)和骨骼代替的理想材料，適合在人體內(nèi)長期植入。然而，目前 PEEK材料自身只能采用注塑或激光燒結(jié)成型技術(shù)成型制造，限制了其在臨床醫(yī)學(xué)骨科手術(shù)中的應(yīng)用。而熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）作為一種基于增材制造的先進加工

2、技術(shù)，擁有高度定制化、制件周期短、制件結(jié)構(gòu)復(fù)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(xué)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(shè)備無法完成 PEEK打印的技術(shù)瓶頸，本文開發(fā)出了一套適用于 PEEK的FDM系統(tǒng)，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(shè)計參數(shù)入手，對新型PEEK FDM打印裝備的機械系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括傳動系

3、統(tǒng)、機身結(jié)構(gòu)、成型熱床、噴頭系統(tǒng)等，并完成各個機構(gòu)的三維建模與裝配。本文改進了加熱系統(tǒng)及溫控系統(tǒng)，優(yōu)化了噴嘴流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)。采用有限元分析軟件ANSYS對噴頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，為噴頭系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。
　　采用流體動力學(xué)軟件FLUENT研究了PEEK熔融沉積成型過程中在噴頭流道內(nèi)的流動情況，模擬得到 PEEK熔體的溫度、速度、壓力分布云圖。結(jié)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(xué)原理模擬了 FDM成型過程的溫度場及應(yīng)力場。根據(jù)其工藝特點，運用參數(shù)化編程語言（APDL）以及“生死單元”技術(shù)實現(xiàn)不同成型路徑、成型速度、成型溫度等仿真條件參數(shù)控制，完成FDM成型過程的熱應(yīng)力耦合分析。分析對比不同成型參數(shù)條件下的成型結(jié)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(chǎn)生的熱應(yīng)力，為 PEEK熔融沉積成型工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。<