FDM 3D打印聚醚醚酮零件摩擦磨损特性研究

为研究3D打印各向异性对摩擦性能的影响,通过熔融沉积成型(FDM)制备了0°、45°、90°3种打印角度的聚醚醚酮(PEEK)试样,研究3种不同打印角度及载荷变化对PEEK试样摩擦学性能及磨损机制的影响。利用MFT-5000摩擦磨损试验机对PEEK材料进行室温水润滑下的往复滑动摩擦试验,用超景深显微镜观察磨损后表面形貌。试验结果表明:不同载荷下3种打印角度试样的摩擦因数由大到小依次为0°试样、90°试样、45°试样,磨损率由大到小依次为90°试样、45°试样、0°试样;随着载荷的增大,3种不同打印角度试样的摩擦因数均呈现下降趋势,磨损率则呈现上升趋势;PEEK磨损机制是黏着磨损以及疲劳磨损引起的表层脱落。

楔形织构对流体动压润滑性能的影响

采用基于N-S方程的CFD方法对流体动压润滑状态下的表面织构进行数值模拟,分析了不同几何参数下楔形结构对表面织构动压性能的影响。结果表明:几何参数对织构的动压性能有着显著影响,对称及楔形收敛织构的动压性能随深度比的增大呈先增大后减小趋势,随面积率的增大而增大;而相反的楔形结构使织构表现出相反的动压性能,因此当深度比增大到一定程度后,楔形发散织构表现出较楔形收敛织构更优的动压性能。此外通过正交模拟得出,相同工况下,对织构动压性能影响的主次因素依次为表面形状>面积率>截面形状>深度比,对负压幅值影响的主次因素依次为深度比>截面形状>表面形状>面积率,为织构的设计优化提供参考。

逆动力学步态仿真髌股关节生物力学有限元分析

为了分析髌骨脱位患者行走步态下的髌股关节内生物力学表现,建立了健康髌股关节、Ⅰ度髌骨脱位和Ⅱ度髌骨脱位的髌股关节有限元模型,利用逆动力学仿真输出了步态周期中所需的关节力与肌肉力作为有限元分析载荷边界条件,并计算分析步态支撑期内3组模型在4种屈膝角度(10°、20°、26°、30°)时刻的髌股关节应力分布和接触面积.研究结果表明髌股关节间过大的接触应力和接触面积的减小是导致膝前痛患者出现疼痛和代偿性步态的原因,Ⅱ度髌骨脱位患者症状更为严重.4种角度下Ⅰ度髌股脱位关节股骨侧的关节间应力峰值为8.67 MPa,髌骨侧为10.56 MPa,相比健康关节分别增加了354%和293%;Ⅱ度髌股脱位关节股骨侧的关节间应力峰值为14.27 MPa,髌骨侧为14.88 MPa,相比健康关节分别增加了647%和453%;在取得应力峰值的角度下Ⅰ度髌骨脱位和Ⅱ度髌骨脱位模型的关节间接触面积分别是健康关节的29.12%和25.41%;异常的关节间接触面和过高的关节间应力导致髌骨脱位模型的应力峰值屈膝角度由20°变为30°,并引起关节软骨退变.

基于3D打印的先进制造技术创新实验开发

开发了一个基于3D打印技术,将三维CAD设计、有限元分析、3D打印、逆向工程等先进技术相结合的综合性创新实验。以微型四旋翼飞行器机身的轻量化设计为目标,用三维CAD软件设计机身结构,通过ANSYS软件对机身结构进行有限元分析,利用3D打印制作出机身,使用手持三维扫描仪对打印的机身进行三维重构和精度分析。该创新实验培养了学生的工程设计思维、综合分析思维、数字化思维和创新意识,提高了学生的动手实践能力,取得了良好的教学效果。

基于3D打印的快速模具创新实验开发与应用

开发了基于3D打印模型的快速模具制造实验,说明了实验的开发思路、实验内容、实验过程的实施及效果。以3D打印模型为“母模”,制作硅橡胶模具、石膏模具、砂型模具等快速模具。加深了对计算机辅助设计与制造技术、先进制造技术、铸造工艺技术等理论课程的认识,给学生提供了综合性的实验平台,不仅提高了学生的实践动手能力、创新能力、解决工程问题的能力,而且进一步提高了学生在创新实验过程中的自主性、积极性。

3D打印聚醚醚酮复合材料人工骨的成型参数优化

为了提高3D打印聚醚醚酮(PEEK)人工骨与人骨力学性能匹配度,同时改善PEEK材料生物活性,使用羟基磷灰石(HA)增强生物活性的PEEK丝材,对熔融沉积成型(FDM)PEEK/HA复合材料的成型参数进行了优化。设计了正交试验,对填充方向、打印速度、分层厚度和打印温度等重要因素对试样力学性能的影响规律进行了研究。采用三维全场应变测量分析系统对试样在力学试验中的应变场进行测量,采用微米X射线三维成像系统对试样内部缺陷进行分析,得到了各因素对试样力学性能的影响规律,获得了优化打印参数,并通过细胞黏附与增殖试验验证了PEEK/HA材料的生物相容性。试验结果表明:各因素对拉伸强度的影响程度由大到小依次为打印速度、填充方向、分层厚度、打印温度,最大拉伸强度为69.63 MPa;对弯曲强度的影响程度由大到小依次为填充方向、打印速度、分层厚度、打印温度,最大弯曲强度为99.5 MPa。优化参数打印的PEEK/HA试样的力学性能与人皮质骨相当,且具备了良好的生物活性。

表面织构改善人工关节性能的研究进展

人工关节材料表面的摩擦学性能和生物学性能一直是制约其使用性能及服役时间的关键因素。表面织构是指采用合适的加工工艺,不改变材料本身的条件下,在其表面制备特定形状、排布和尺寸的微结构阵列,以获得特殊的表面性能,合理的表面织构化设计已被证明具有改善摩擦及生物学性能的能力,但尚未形成明确的设计准则。讨论了表面织构对摩擦学性能与生物学性能的影响,并对织构化人工关节下一步的研究工作进行了展望。

层间熨平法增强熔丝制造CF/PEEK复合材料的力学性能

为减小熔丝制造(FFF)3D打印碳纤维增强聚醚醚酮(CF-PEEK)复合材料的孔隙率,提高其力学性能,提出一种层间熨平方法,即打印完一层后,喷嘴不挤出材料,并再次在这一层表面压过“熨平”。采用FFF工艺制备了CF/PEEK复合材料试样,通过单因素试验研究了扫描间距和层间熨平角度对CF/PEEK复合材料力学性能的影响。使用微米X射线三维成像系统对试样的内部孔隙缺陷进行表征。结果表明,当扫描间距为0.3 mm,纤维质量分数为10%时,无熨平CF/PEEK试样的孔隙率为1.91%,拉伸强度为78.5 MPa,弯曲强度为111.2 MPa。采用层间熨平法可以显著降低CF/PEEK复合材料试样的孔隙率,提高其力学性能。0°和90°熨平后,扫描间距为0.5 mm的CF/PEEK试样的孔隙率分别降低了74.08%和72.48%,拉伸强度分别提高了49.89%和41.98%,弯曲强度分别提高了20.66%和15.99%。当纤维质量分数为10%时,扫描间距0.3 mm的CF/PEEK试样的力学性能最佳,0°熨平的拉伸强度为90.9 MPa,90°熨平的弯曲强度为126.1 MPa。研究表明,层间熨平是一种降低孔隙率和提高力学性能的简单而有效的方式。

三节段截骨骨搬运治疗创伤后胫骨骨髓炎一例报道并文献复习

目的探讨外固定架进行3节段截骨骨搬运手术减少创伤后骨髓炎患者治疗周期的可能性。方法2017年2月收治左侧胫骨骨髓炎合并软组织缺损患者1例。通过术前计算机设计、预手术操作后．利用Orthofix单臂外固定架进行3处截骨骨搬运的手术方案。在分析该病例资料的基础上。回顾相关文献。结果在左小腿皮肤软组织愈合良好的同时．该术式在45d时间里完成了左胫骨12．5cm骨缺损的矿化．约为传统单节段骨搬运时间的1／3．并明显缩短了新生骨的矿化时间。后因随访时发现患者无意中操作不当．骨搬运的断端出现约5mm间隙，骨搬运术后第140天随访．间隙消失，已开始正常行走。结论本研究可能为骨髓炎骨缺损的治疗提供了一种可行的方法。可以明显缩短创伤后骨髓炎的治疗时间。从而降低治疗并发症。

选区激光熔化制备316L不锈钢点阵结构的力学性能研究

利用选区激光熔化技术制备了3种类型的316L不锈钢点阵结构试样。进行了准静态单轴压缩试验,结果显示,与实体金属结构相比,点阵结构的弹性模量从180 GPa降低至2 GPa以下。进一步地研究发现,孔隙率是影响点阵结构刚度的主要因素之一,并得到了相应的数值关系。在保证整体尺寸和孔隙率不变的情况下,点阵的大小和数量的改变对点阵结构刚度和屈服强度的影响较小。然后建立了有限元模型分析全尺寸点阵结构的宏观变形和应力分布以及单点阵的微观应力、应变的变化规律。利用超景深显微系统检测了试样的打印精度,发现在垂直于打印方向上测量的杆径值均大于平行于打印方向上测量的杆径值。最后根据工业用计算机断层成像系统检测结果,得到了点阵结构的变形机制。