低温沉积成形与电纺丝成形多尺度组织工程支架的多物理场耦合分析和试验研究

为了弥补快速成形技术(Rapid prototyping,RP)只能成形带有直通孔的组织工程支架,提出采用低温沉积成形(Low-temperature deposition manufacturing,LDM)和电纺丝合成形具有多尺度孔隙结构的支架。为模拟成形的过程,将水平集合法(Level set method,LSM)应用于液固相变过程中追踪自由边界的研究,结合传热理论和不可压缩Navier-Stokes(N-S)方程的基础,引入凝固干扰项描述凝固对流动变形的影响,建立LDM材料凝固和变形的数学模型,模拟液体材料的凝固和同时产生变形这一多物理场耦合问题,并使用空间静电场本构方程分析'针对板'式电场结构的电场分布,通过高速CCD记录LDM的变形和凝固过程及电纺丝的鞭动过程,数值模拟结果与试验结果较为吻合,为确定成形环境温度、成形速度、电纺丝接收面积和接收距离等工艺参数提供了理论指导,试验结果证明所采用的理论方法有效、可靠。

海藻酸钠/明胶溶液3D低温沉积成形线材的尺寸精度

以海藻酸钠/明胶溶液为打印材料,采用3D低温沉积成形(LDM)技术在6℃成形环境下打印成线材,对比研究了挤出压力、溶液黏度和喷头速度对试验得到的和理论计算得到的挤出胀大率和挤出拉伸率的影响,确定了最佳打印参数,并探讨了在最佳打印参数下打印件的尺寸精度。结果表明:线材的挤出胀大率随溶液黏度的增加而减小,随挤出压力的增加而增大,挤出拉伸率随喷头速度的增加而增大;最佳打印参数为溶液黏度1.26Pa·s、挤出压力80kPa、喷头速度8mm·s-1,此时线材的成形效果较好,试验值和理论计算值的相对误差最小;在最佳打印参数下,基于挤出胀大率和挤出拉伸率的理论计算结果对打印件尺寸进行调整,调整后打印出的矩形件和空心圆环实际尺寸与设计尺寸的相对误差小于5%,打印精度较高。