基于DLP工艺的柔弹性点阵吸能支架研究

面向微小多功能支架结构设计与原型制造需求,开展了基于数字光处理(Digital Light Processing,DLP)快速成形工艺的柔弹性点阵支架设计与制备研究。以胞元结构几何拓扑设计为主线,利用Timoshenko梁理论对胞元结构建立等效力学模型,得到预测能量吸收的数学模型,聚焦分析胞元几何尺寸和承载方向对其影响规律。配置新颖柔弹性光敏树脂为成形材料,选用DLP成形工艺,实现对应点阵结构的高精、高效制备。结合数值模拟和物理实验,着重探究了杆径、胞元边长、点阵层数对点阵结构吸能特性的影响。结果表明,该点阵结构面外压缩较面内压缩具有显著优越的吸能特性,且胞元边长越小,杆径越大,点阵层数越多,吸能特性越佳。理论分析、数值模拟和物理实验所得规律基本一致,可为后续皮肤组织工程支架的研制提供相关理论参考。

面向皮肤组织工程支架的三维多孔点阵结构制备及拉伸特性研究

数字光处理(Digital Light Process,DLP)成型方法具有成型速度快、成型精度高的特点,能够较好用于微小尺寸结构的制备。因此,设计了一种以人工拓扑优化的正方体网格为单胞,并将该单胞沿空间进行周期性扩展,获得新型三维多孔点阵结构。配制了一种具有柔弹性的光敏树脂,选择DLP成型法进行实验制备。探究了DLP打印对该点阵结构成型的影响因素和成型效果,制备出了结构完整、无淤塞的样品,并通过该结构样品的单轴拉伸实验,研究其拉伸力学性能。结果表明,DLP打印所制备的该新型多孔结构,其内部孔隙清晰、连通性好,且孔隙率均达到了80%以上,拉伸断裂伸长率也均在85.6%以上,其中点阵结构3的拉伸韧性最大,其综合拉伸特性最优。该结构可广泛应用于皮肤组织工程支架、柔性电极、易碎品装夹夹具等。

数字光处理制备的柔性点阵结构疲劳寿命预测

针对复杂点阵结构在使用中缓冲减振能力的可靠性问题,提出一种基于Brown-Miller模型的点阵结构疲劳寿命预测方法。以3种单胞周期性扩展的点阵结构为研究对象,通过数值模拟和疲劳试验预测了点阵结构疲劳寿命;深入分析了单胞构型和相对密度对幂律参数的影响,构建了相对密度与疲劳强度的预测模型。研究结果表明,点阵结构的S-N曲线高度符合幂律关系;幂律系数受单胞构型与相对密度共同作用,但指数不受相对密度的影响,而依赖于单胞构型。

目标参数驱动的点阵支架逆向设计方法研究

面向微小多功能支架结构定制设计与原型制造需求,开展了基于数字光处理(Digital light procession,DLP)快速成形工艺的柔弹性点阵支架逆向设计与制备研究。基于体心立方晶胞(Body center cubic,BCC)衍生设计一款簇新胞元,利用Timoshenko梁理论对该胞元结构建立力学模型,求解其等效弹性模量,聚焦分析胞元几何参数与力学模型之间的映射规律。以空间尺寸约束下的定弹性模量点阵支架设计为主线,采用逆向分析方法,寻找匹配精准的填充方案。配制新颖柔弹性光敏树脂为成形材料,选用DLP成形工艺,实现对应点阵支架结构的高精、高效制备。结合数值模拟和物理试验,着重探讨逆向设计的点阵支架弹性模量与拟定值的差异。结果表明,仿真和试验所得结果均与拟定值基本吻合,佐证了逆向设计方法的可靠性,可为后续组织工程皮肤支架的研制提供理论基础。