面向3D打印复合工艺的生物CAD/CAM系统及试验研究

3D打印复合成形工艺将3D打印技术与静电纺丝技术相结合,在构建具有多尺度多梯度结构特征的,生物硬组织修复用再生支架方面表现出独特优势。提出一种针对3D打印复合成形工艺的生物CAD/CAM系统构建方法,不仅能实现成形过程的自动监控,保证多工艺的柔性复合,而且能实现从STL模型,到生成加工路径信息,并最终驱动系统硬件进行加工的自动化处理流程。该系统及方法将生物建模软件与生物3D打印复合成形系统有效集成,将CAD过程中无法建模的尺度信息与来自CAD的加工信息有机结合并处理,有效解决了3D打印成形再生支架时,精度受限而无法在支架内部成形微观尺度结构的问题。最后,通过骨组织工程支架的制备试验验证了系统的有效性。     

聚氨酯耳廓软骨支架的快速成形工艺

在体外构建外形逼真、机械强度可调节的个性化耳廓软骨支架,是组织工程方法修复外耳耳廓缺损的重要方向之一。针对这一研究目的,采用基于快速成形原理的熔融挤出成形方法,使用颗粒状聚氨酯生物材料,通过搭建试验平台,设计一系列工艺因素对成形过程及支架力学性能的影响试验,研究制造耳廓软骨支架的最优工艺参数范围。试验发现:喷头温度影响材料挤出稳定性和弹性;成形室温度影响结构整齐度和层间结合度;送料速度和扫描速度,与挤出速度的匹配关系,影响出丝的均匀度和成形过程的稳定性;不同扫描速度的喷头所形成的温度场分布,影响已成形结构的弹性;成形过程存在最小局部反复造型面积;温度以及CLI数字模型离散处理参数,影响支架力学性能。结果表明,熔融挤出成形方法制备的聚氨酯材料耳廓软骨支架,不仅可以实现逼真的耳廓外形,还可通过控制各种工艺参数,得到接近天然耳廓的力学强度,以满足临床中不同病患的个性化需求。     

微流挤出成形工艺中新型挤出结构的研究

微流挤出成形工艺是基于陶瓷3D打印技术的兴起而出现的一种新兴制造工艺,其具有微米级高精度的特点,适用于高精度陶瓷制造领域.而在微流挤出成形工艺中,挤出结构设计是提高陶瓷零件成形性能的关键因素,将直接影响到成形能否顺利进行.在比较了几种目前国内外使用较为广泛的陶瓷3D打印挤出结构后,提出了一种以微型螺杆泵为核心部件的新型...     

基于CAD和SL的人工骨微管支架的制备研究

研究一种基于光固化快速成形技术的人工骨支架制备方法。设计空间结构的人工骨支架负型,利用立体光固化快速成形系统制造人工骨支架负型树脂原型,在人工骨支架负型树脂原型中填充β-磷酸三钙,通过热分解的方法去除SL原型,获得生物活性人工骨支架。研究了烧结与去除原型的方法,测得人工骨支架表面粗糙度分别是Ra=3.69,有利于细胞的黏附。进行体外细胞培养研究,发现成骨细胞能够在这人工骨支架上黏附生长,并向微管内生长,具有良好的生物学特性。     

生物凝胶微孔挤出胀大的有限元模拟与三维打印成形

由于挤出胀大现象的存在,在室温条件下通过三维打印技术(Three-dimensional printing,3DP)成形的凝胶组织工程支架与输入的目标支架原始模型相比,内部微观孔隙结构精度与孔隙率明显降低。针对这一问题,采用流体计算软件Polyflow对明胶-海藻酸钠共混体系交联形成的生物凝胶材料在挤出成形过程中通过喷头直径过渡段时流线的收缩与离开喷头后的挤出胀大现象进行有限元模拟,着重分析凝胶黏度与供料压力对挤出胀大的影响规律,并通过试验验证模拟的合理性。提出将挤出胀大引起的尺寸变形误差引入支架模型的设计过程。通过数值模拟与试验结果的对比,合理调整模型中纤维间距,利用得到的最佳工艺参数进行凝胶组织工程支架的三维打印成形。结果表明,支架内部的微观孔隙结构精度和孔隙率与理想支架要求近似吻合。通过对生物凝胶挤出胀大的模拟分析,可为凝胶组织工程支架的精确打印成形提供理论依据和技术指导。     

仿生制造的生物成形方法

生物制造与仿生制造是机械领域与生物领域交叉产生的新领域。生物方式制造是利用生物手段的制造方法,已提出生物去除加工、生物约束成形、生物生长成形、生物连接成形、生物复制成形、生物自组织成形等加工成形方法。仿生制造是模拟生物形体与功能的结构制造,包括仿生材料结构、仿生表面结构、仿生运动结构等结构制造。仿生制造的结构往往比较复杂,利用增材快速原型和传统机械制造方法效率通常较低,利用生物方式制造方法往往更加简便和快捷。阐明生物成形方法在仿生微纳复杂形体、结构、功能界面制造上的优势,表明生物成形技术在节能、环保、微纳等领域具有广阔的应用前景。     

挤出成形3D打印机扫描速度与挤出速度实时匹配的研究

自由挤出成形(Extrusion free-forming, EFF)是对封装在料筒内的浆料施加外部载荷,迫使其通过微小流道挤出,并在X、Y平面上进行逐层堆积的3D打印增材制造技术。利用挤出成形技术可实现陶瓷制件的直接打印制造,打印过程中,成形平台在路径拐点处的光滑过渡、材料挤出速度与成形平台扫描速度的实时匹配是提高制件成形精度的重要方法之一。本文通过对依据扫描路径信息进行实时速度匹配算法的研究,建立了以STM32为核心,可以实现扫描速度预规划、挤出速度与扫描速度实时匹配的控制系统,从而为提高陶瓷制件成形精度提供一定借鉴价值。     

高孔隙率聚(乳酸—羟基乙酸)共聚物组织工程支架快速成形新工艺

提出一种新的快速成形(Rapid prototyping,RP)工艺方法,用于成形具有可设计的多级孔隙结构、贯通的大孔结构和高孔隙率的骨、软骨组织工程支架。它将基于离散/堆积原理的快速成形工艺与相分离、致孔剂浸出法两种传统工艺相结合,将致孔剂与高分子溶液混合制成悬液,由压力注射式喷头按照计算机设计的路径挤出至低温环境,冷冻固化、粘结成形并发生相分离,溶剂结晶被冷冻干燥去除后留下一级孔隙结构(10μm),致孔剂被去除后留下二级孔隙结构(10～100μm),按照RP所设计的路径可构建任意复杂外形和三级孔隙结构(100μm),且可以保证支架具有超过90%的孔隙率。此外,由于分散颗粒可以提高高分子溶液的粘度,解决连续挤出原理喷头无法成形具有高孔隙率的低分子量支架材料,降低材料对喷射/挤出手段的要求。此处将其用于成形要求降解速度快、孔隙率高的聚(乳酸-羟基乙酸)共聚物(Poly(Lactide-co-glycolide),PLGA)的软骨组织工程支架。     

骨组织工程支架的不同孔隙率对成形性能的影响分析

生物三维打印成形的支架孔隙率对引导骨组织的再生极其重要。首先对不同孔径大小的骨组织工程支架模型进行有限元分析。再利用易降解、生物相容性良好的聚乙烯醇(PVA)与羟基磷灰石(HA)混合材料制备出不同孔隙率的骨组织工程支架,对其宏观特征、微观结构和力学性能等重要参数进行对比,得出孔隙率约为60%的骨组织工程支架实际平均抗压强度为14.90 MPa,力学性能与生物相容性最佳,为提高成骨效率奠定实验研究基础。     

组织工程骨支架微宏观模拟分析

应用沉积挤出快速成型技术制备组织工程骨支架过程中,复合生物材料之间相互作用的稳定性、喷头装置中复合凝胶的流动状态及制备工艺参数影响组织工程骨支架成型及成型后骨支架力学性能和孔隙结构。针对以上问题,应用分子动力学模拟软件Materials studio中经典力学工具Forcite对羟基磷灰石(HA)/聚乙烯醇(PVA)/丝素蛋白(SF)共混体系进行模拟,分析羟基磷灰石与生物复合凝胶聚乙烯醇/丝素蛋白相互作用后稳定性。结合三者混合材料特性,通过有限元模拟软件FLUENT分析复合生物材料的流动状态,依据流体分析结果,调整制备骨支架工艺参数。模拟结果表明,HA/PVA/SF三者混合材料具有良好粘结性及力学性能;有限元模拟计算出高粘度材料制备过程中流体状态分布。通过实验,结合流体分布状态,调整最佳制备参数,制备的骨支架具有良好的力学性能,混合生物材料成分基本未发生变化,表面微观孔隙能够达到生物因子驻留和营养物质交换的要求。     

3D additive manufacture of oral and maxillofacial surgical models for preoperative planning

This paper investigates the errors generated during the fabrication stage for producing complex anatomical replicas derived from computed tomography coupled with the 3D additive manufacturing methods. Based on this research work, it is shown that patient-specific model based on computed tomography data can be converted into computer numerically controlled G-code. It is shown that 3D extrusion-based additive manufacturing technology is accurate to ±3 % equating to ±200 μm surface deviations due to plastic shrinkage and distortion formed during the process. Polylactic acid plastic extrusion through a 200-μm bore nozzle has resulted in a model being produced with an R_a roughness of 35.5 μm. An evaluation on the errors generated during the fabrication process has been used to accurately produce an adult female mandible. Internal nerve channels and complex external bone geometry has been produced within the model. It is shown that using this process results in bone complexity and accuracy required for producing low-cost surgical grades models which is in comparison with traditional selective laser sintering manufacturing techniques. The surface accuracies suggest that the reproduction of anatomically complex representative structures by 3D plastic extrusion additive manufacturing which can be used for pre-surgical planning.     

生物活性骨的新型制备方法研究

提出了一种制备人工生物活性骨的新方法并建立了相应的工程化制造系统。利用该系统所制作出的人工骨外形与被替代骨一致,内部具有模拟真实骨组织微管系统结构,并通过复合骨生长因子使其具有生物活性,弥补了传统生物填充材料由于缺乏活性而无法实现骨诱导的缺陷。动物试验的结果表明,所制作出的人工骨内部哈佛管与浮克曼管的仿真结构为新生骨细胞的三维并行生长提供了理想的空间条件,有效地促进了人工骨的快速活化。     

Experimental research on KDP crystal slicing with resin bonded diamond abrasive wire saw

This paper shows the development of software that calculates and generates the 3-D printing path for tissue engineering (TE) scaffolds. It is compatible with Fab@Home platform, which works with additive manufacturing (AM) extrusion processes. The software was named BioScaffolds PG; it allows obtaining 0/90^° architectures of square and circular scaffolds. In the software interface, the user can easily define the scaffold geometry, then, it generates a file with a continuous path, which can be exported to the 3-D printer software; the continuous path is an advantage since the 3-D printer does not need to stop the process between layers, minimizing morphological defects related to the AM process. Several tests were carried out to evaluate the compatibility between BioScaffolds PG and Fab@Home softwares. Furthermore, polycaprolactone (PCL) scaffolds were fabricated and morphologically characterized, where suitable scaffold morphologies were obtained. It was found that the software works properly and can be used in TE researching to reduce the computer-aided design (CAD) time usually required in this kind of applications.     

A new technique to escape local minimum in artificial potential field based path planning

The artificial potential field (APF) methods provide simple and efficient motion planners for practical purposes. However, these methods have a local minimum problem, which can trap an object before reaching its goal. The local minimum problem is sometimes inevitable when an object moves in unknown environments, because the object cannot predict local minima before it detects obstacles forming the local minima. The avoidance of local minima has been an active research topic in the potential field based path planing. In this study, we propose a new concept using a virtual obstacle to escape local minima that occur in local path planning. A virtual obstacle is located around local minima to repel an object from local minima. We also propose the discrete modeling method for the modeling of arbitrary shaped objects used in this approach. This modeling method is adaptable for real-time path planning because it is reliable and provides lower complexity.     

增/减材柔性制造及加工系统构成形式

将柔性制造的思想引入到增/减材制造中,形成增/减材柔性制造工艺。阐述了该工艺的内涵及加工范围,确立了增/减材柔性制造工艺流程,描述了各组成工序的特点,详细阐述了增/减材柔性制造中材料沉积、材料去除两工序内部及其之间的多种柔性加工方式。在此基础上,确立了增/减材柔性制造系统的设备构成及其相互关系,给出了加工设备的总体布局。为进一步研究该工艺的加工序列规划及各种构成设备具体结构形式等方面打下基础。     

快速成形中PAN基碳纤维/HA力学性能模拟研究

在人工骨支架增材制造过程中,为了制造出具有不同力学性能的人造骨支架适合不同病患,提出利用分子动力学(Molecular dynamics,MD)模拟方法,研究所用基体复合材料(聚丙烯腈(Poly acrylonitrile,PAN)基碳纤维和羟基磷灰石(Hydroxyapatite, HA))表面之间的相互作用及力学性能。分别在原子模拟凝聚相优化分子势能力场(Condensed-phase optimized molecular potentials for atomistic simulation studies,COMPASS)和通用力场(Universal force field,UFF)下,对比计算HA和PAN基碳纤维/HA的力学性能,并比较其弹性模量和泊松比,证明羟基磷灰石是一种各向异性材料,并给出羟基磷灰石中添加PAN基碳纤维可以有效改善其力学性能。针对沿不同剪切方向上的PAN基碳纤维/羟基磷灰石进行动力学计算,表明在不同的力场下,羟基磷灰石均是在沿(110)剪切面上与聚丙烯腈纤维产生的结合能值较大。结合径向分布函数分析,揭示了PAN/HA复合材料主要是通过PAN中的N原子与HA表面发生强作用,从而提高PAN/HA基体力学性能。     

电弧增材制造2319铝合金交叉桁条结构微观组织与拉伸性能研究

电弧增材制造具有材料利用率高、制造效率高、制造成本低等优势,适合制造大型复杂航空薄壁构件。目前,交叉桁条结构电弧增材制造的路径规划、成形形貌控制、组织性能差异性等方面缺乏系统研究。针对交叉桁条结构提出了一种新的分层切片及路径规划方法,解决了桁条交叉区域余高过大导致的制造精度不足问题。开展了电弧增材制造2319铝合金交叉桁条不同区域的晶粒形态、元素分布、拉伸性能、断口形貌等检测与分析,结果表明,电弧增材制造2319铝合金交叉桁条结构不同区域的晶粒形态及尺寸呈现明显差异,致使桁条顶部的平均抗拉强度值与中部、底部相比高出20%左右。在拉伸断口的韧窝中存在大量θ(Al₂Cu)颗粒相,该非共格析出相增大了晶格畸变能并且提升位错阻力,使晶体滑移难以进行,最终材料的强度显著提高。     

多模式超声振动等径角挤压超细晶纯铝成形机理研究

超细晶金属材料由于具有优异的力学性能,特别适合微小金属零件的塑性成形。大塑性变形法是制备超细晶金属材料的常用方法,等径角挤压法被认为是最具有发展前景的大塑性变形方法之一。传统等径角挤压需要通过多道次的应变量累积来获得超细晶材料,制备效率较低。将超声振动与等径角挤压过程相结合可以有效减小挤压成形载荷,提高等径角挤压制备超细晶的性能和效率。现有研究主要采用工具辅助超声振动模式,提出并研发基于工件辅助超声振动模式的等径角挤压成形工艺,并对不同超声振动模式1070纯铝等径角挤压成形机理进行对比研究,研究工具超声振动和工件超声振动两种不同振动方式对晶粒道次细化能力的影响规律。结果表明,随着超声功率的增大,工具超声振动和工件超声振动的超声软化效应逐渐增强,能更大幅度降低等径角挤压成形力,并提高晶粒道次细化能力。工件超声振动比工具超声振动更有利于吸收超声能量,从而能更有效提升超细晶金属的制备效率。