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基于激光选区熔化制造与拓扑优化设计的多孔结构的力学性能调控

2020-12-02阅读(916)

基于激光选区熔化制造与拓扑优化设计的多孔结构的力学性能调控

论文摘要

多孔植入体的设计和制造一直是骨科医学领域亟需解决的问题。一方面,要求多孔结构具有复杂曲面和孔隙率,能够为骨细胞长入和营养物质运输提供充足空间;另一方面,要求多孔结构的力学性能可调控,能够匹配人体骨骼的力学性能,以防止应力屏蔽现象。传统的方法无法全面解决这些问题。本文结合拓扑优化（Topology Optimization）设计和激光选区熔化制造（Selective Laser Melting,SLM）技术,从Ti6Al4V多孔植入体中结构设计、制造约束、力学性能匹配和使用寿命提高四个基本问题出发,实现了多孔植入体性能的数字化调控。首先,基于SIMP材料插值理论的拓扑优化模型,通过ANSYS软件实现对人体骨骼基元的拓扑优化设计,利用SolidWorks和Materialise Magics 21.0软件对拓扑优化多孔结构进行模型重建和修复,以减小数据量;经过比表面积的测量,当孔隙率达60%以上时,拓扑优化多孔结构的比表面积超越隐式曲面构建的多曲面多孔结构,预示着更好的生物兼容性。其次,从表面质量、制造精度和可制造性三个角度,重点讨论了SLM制造Ti6Al4V拓扑优化多孔结构的影响因素,并给出优化参数:X-Y轴精度差异可以通过设置为0.015 mm光斑补偿来缩小;Z轴精度差异通过设置补偿值0.06 mm来缩小;零件的翘曲变形通过优化摆放位置和设置支撑结构来解决;黑烟杂质和火花通过调控保护气的流速来完成,气体压强控制在120 Pa左右。另外,从拓扑优化单元多孔阵列结构模型中抽离出四种微结构,探讨它们的制造极限:“弹簧”结构的爬升角应大于45°;弧形结构的最大可成形的悬垂长度为1.04 mm;薄壁结构的壁厚和小孔结构的直径都应大于0.1 mm。接着,研究了拓扑优化多孔阵列结构的力学性能与结构参数的关系。通过压缩实验,探索了多孔阵列结构的压缩行为和断裂失效模式,抗压强度的范围在23498 MPa,与结构参数（孔隙率和单元结构尺寸）成反比,建立了Strength-Density-Unit Cell Size抗压强度理论预测模型。通过动态弹性模量测试,优化了多孔阵列结构的堆叠方式。弹性模量的范围在3.555.47 GPa,与结构参数（孔隙率和单元结构尺寸）成反比,其中孔隙率为60%和70%的多孔结构能满足骨骼力学性能要求,同时建立了Modulus-Density-Unit Cell Size弹性模量理论预测模型。最后,研究了SLM直接制造Ti6Al4V在平行方向上的延伸率提高机制。通过调控SLM制造条件,Ti6Al4V在特殊的温度场条件下使′相直接分解成极细针状的（α+β）组织,得到三组满足该温度场条件的制造参数:能量密度E=50.62J/mm3,扫描间距h=0.12 mm,制造层厚t=60μm,支撑面积比As/Ap=0.6;E=44.9J/mm3,h=0.12 mm,t=60μm,As/Ap=0.6;E=50.62 J/mm3,h=0.10 mm,t=60μm,As/Ap=0.6。经过拉伸性能测试,微观组织为完全（α+β）组织的Ti6Al4V试样具有良好的综合力学性能:抗拉强度达1200 MPa以上,屈服强度达1100 MPa以上,同时延伸率达8%以上,满足医用铸件标准的要求。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 金属多孔植入体的主要性能与应用
  •     1.2.1 医用植入体的性能要求
  •     1.2.2 金属多孔植入体的应用实例
  •   1.3 金属多孔结构的设计与力学性能研究进展
  •     1.3.1 CAD软件设计
  •     1.3.2 影像反求法
  •     1.3.3 隐式曲面方程构建法
  •     1.3.4 拓扑优化设计法
  •   1.4 金属多孔结构SLM制造极限的研究进展
  •     1.4.1 杆状结构的SLM制造极限
  •     1.4.2 悬垂结构的SLM制造极限
  •     1.4.3 小孔和薄壁结构的SLM制造极限
  •   1.5 SLM制造Ti6Al4V延伸率提高研究
  •     1.5.1 影响延伸率的因素
  •     1.5.2 微观组织调控方法
  •   1.6 本论文的工作
  • 第2章 实验材料与方法
  •   2.1 实验材料
  •   2.2 实验设备
  •     2.2.1 多孔阵列结构SLM制造实验设备
  •     2.2.2 Ti6Al4V微观组织调控实验设备
  •   2.3 实验方法
  •     2.3.1 Ti6Al4V样品处理方法
  •     2.3.2 性能表征方法
  •     2.3.3 数值仿真方法
  •   2.4 本章总结
  • 第3章 多孔单元结构的拓扑优化设计
  •   3.1 连续体拓扑优化的理论基础
  •     3.1.1 连续体结构拓扑优化的最大刚度问题
  •     3.1.2 SIMP材料插值理论
  •   3.2 拓扑优化多孔单元结构的构建
  •     3.2.1 骨骼基元结构的物理模型
  •     3.2.2 单元多孔结构的拓扑优化
  •     3.2.3 单元多孔阵列结构的重建
  •   3.3 单元多孔阵列结构的比表面积
  •   3.4 本章总结
  • 第4章 SLM成形Ti6Al4V多孔结构的影响因素与制造极限
  •   4.1 SLM成形Ti6Al4V的影响因素
  •     4.1.1 表面质量的影响因素
  •     4.1.2 制造精度的影响因素
  •     4.1.3 制造隐患
  •   4.2 微小结构的制造极限
  •     4.2.1 “弹簧”结构的制造极限
  •     4.2.2 弧形结构的制造极限
  •     4.2.3 薄壁和小孔结构的制造极限
  •   4.3 高质量金属零件的SLM制造
  •   4.4 本章总结
  • 第5章 多孔阵列结构的力学性能调控
  •   5.1 多孔金属的力学性能
  •   5.2 多孔结构的压缩形变
  •     5.2.1 多孔结构的应力-应变规律
  •     5.2.2 压缩形变的数值模拟
  •   5.3 多孔结构的力学性能预测模型
  •     5.3.1 Gibson-Ashby理论模型
  •     5.3.2 Roberts-Garboczi理论模型
  •   5.4 拓扑优化多孔阵列结构的力学性能
  •     5.4.1 力学性能测试实验设计
  •     5.4.2 多孔阵列结构的压缩实验
  •     5.4.3 多孔阵列结构的动态弹性模量测量
  •   5.5 本章总结
  • 第6章 SLM制造Ti6Al4V的微观组织调控
  •   6.1 Ti6Al4V力学性能的影响因素
  •     6.1.1 冷却速率
  •     6.1.2 温度场
  •   6.2 Ti6Al4V微观组织调控实验
  •     6.2.1 实验参数设置
  •     6.2.2 Ti6Al4V组织调控工艺参数的探索
  •     6.2.3 Ti6Al4V微观组织调控机制
  •   6.3 SLM制造Ti6Al4V拉伸性能测试
  •     6.3.1 屈服强度与微观组织的关系
  •     6.3.2 延伸率与微观组织的关系
  •   6.4 本章总结
  • 结论与展望
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间完成的学术论文、申请的专利和获奖
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 徐仰立

    导师: 蒋毅坚,张冬云

    关键词: 拓扑优化,激光选区熔化,多孔结构,力学性能

    来源: 北京工业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

    专业: 物理学,生物医学工程,无线电电子学

    单位: 北京工业大学

    基金: 国家自然科学基金(51675012)

    分类号: R318.08;TN249

    DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000415

    总页数: 155

    文件大小: 11624K

    下载量: 385

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