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  • 【论文】 激光3D打印Zr基大块非晶合金

    作者:张浩 关键词:增材制造 ; Zr基非晶合金 ; 有限元模拟 机构:大连交通大学 ; 大连交通大学 年份:2017
    摘要:非晶合金由于其优异的力学及物理化学性能而受到广泛的关注,但受到传统制备方法的制约,制备出的非晶合金尺寸较小、形状简单;且其本身在室温下的塑性较差,使非晶合金加工困难。这些都严重的限制着非晶合金的广泛应用。激光3D打印技术,又称增材制造技术,为大尺寸复杂形状非晶合金的制备提供了新方法,为非晶合金的应用带来了契机。本文利用二元共晶比例法设计开发了具有优异玻璃形成能力的Zr基非晶合金成分:Zr_(50)Ti_5Cu_(27)Ni_(10)Al_8(简称Zr50),并以此成分制备合金粉末作为激光3D打印非晶合金的原料。首先在与粉末相同名义成分的非晶合金板上进行单道实验,并对其进行有限元模拟分析其温度场,应用Matlab软件处理模拟数据,得到的晶化区域与实验结果吻合,得出了一种模拟预测激光3D打印过程非晶合金晶化区域的方法,并利用该方法预测激光3D打印Zr50非晶合金的最优工艺参数。引入了Kempen提出的晶化动力学模型,结合有限元模拟对激光3D打印过程中Zr50非晶合金的晶化动力学方程进行了计算,结果与实验相近,从动力学角度分析激光3D打印Zr50非晶合金热影响区晶化不可避免。随后,在45#钢基板上进行了多层激光3D打印实验,研究了激光3D打印工艺参数对Zr50非晶合金成形及其晶化行为的影响。扫描速度不变时激光功率增加,打印层厚度变化不大,热影响区中的晶化层厚度增加,晶化比例也随之增加;激光功率不变时随扫描速度增加,热影响区中的晶化层厚度和打印层厚度减小,层间缺陷增多。激光功率为200 W,扫描速度为800 mm/min时激光3D打印Zr50非晶合金晶化比例最小。最后,对晶化比例最小的3D打印非晶合金样品的结构进行了研究。激光3D打印非晶合金晶化相呈周期性梯度分布,在熔池与热影响区界面处晶体相比例与尺寸达到极大值,样品硬度也随之达到极大值,而每层的硬度最大值随打印层距基板距离增大而递减。
  • 【论文】 3D打印按需滴化微喷射关键技术

    作者:郑振粮 关键词:3D打印 ; 按需滴化微喷射 ; 压电驱动 ; 机械撞针 ; 放大机构 机构:哈尔滨工业大学 ; 哈尔滨工业大学 年份:2015
    摘要:3D打印技术已越来越广泛地运用于现实的生产、加工、制造中。在这一新兴领域的应用中,按需滴化微喷技术展现出强大的发展潜力,同时相应的技术瓶颈也开始出现:现市场上存有的微滴喷头的微喷分辨率及打印精度还不能满足工业应用的要求。本课题研究的目是设计和制作一款高精度的压电驱动按需式微滴喷射装置,它主要应用在3D打印行业,实现微滴在不同的粘度范围内按需滴化微喷射。考虑到按需式微滴喷射技术对3D打印的影响,本课题首先分析了按需式微滴喷射理论,分析了四种类型的按需式微滴喷射技术,确定了本文采用的微滴喷射技术——机械撞针式按需滴化压电微喷技术,推导了其按需式微滴喷射动力学模型,并进一步分析了要实现按需式微滴喷射的必要条件。为压电微喷装置的机械结构设计奠定了理论体系知识基础。基于对按需式微滴喷射机理的理论研究,结合压电驱动理论分析,本文完成了放大机构、撞针、喷嘴等一些压电微喷装置的关键零部件的结构设计及压电微喷装置的总体设计,为下一步利用流体仿真软件平台Fluent对微喷腔内的流体的流动及液滴微喷进入空气阶段进行建模分析奠定了理论依据。完成压电微喷装置的机械结构设计后,本文对按需式微滴喷射过程进行数学建模以及数值仿真分析,根据流体动力学建立了微喷流体流动的控制方程,明确了使用欧拉法中的流体体积法VOF模型仿真液滴生成中对自由面的建立,确定了用有限体积法来离散流体的控制方程。数值仿真为3D打印按需滴化微喷射喷头的结构设计提供了优化参考,并为后期的按需式微滴喷射实验提供了相关的指导。最后,本文对相关关键零部件进行了性能测试、设计完成整个压电微喷系统,并基于此进行了关于按需式微滴喷射的相关实验研究。
  • 【论文】 基于FDM技术的混色3D打印机喷头研究

    作者:陆亮亮 关键词:3D打印 ; FDM ; 混色喷头 ; 热力耦合 ; 优化设计 机构:杭州电子科技大学 ; 杭州电子科技大学 年份:2018
    摘要:为实现混色3D打印,解决打印过程中喷头结构和材料不合理、混色质量不高、打印精度差、喷头易堵塞等问题,分别对分支式和一体式三进一出混色喷头进行了对比分析研究。通过Solid Works三维建模软件,对混色喷头进行精细的三维建模,在Ansys有限元分析软件中,对混色喷头进行温度场和应力场仿真求解。对比求解结果,指出了该混色喷头的设计缺陷,然后对喷头进行优化设计,再次通过有限元分析验证了优化设计的合理性。最终进行打印试验,验证两款喷头的打印质量以及打印稳定性。本文以两种多挤出机单喷头作为研究对象,主要研究内容如下:1.分支式和一体式混色喷头模型的设计。使用三维建模软件设计了两种喷头模型,分支式喷头主要部件包括:散热器、喉管、加热管、热敏电阻、喷嘴,散热器为圆柱形片式,加热管放置于喷嘴中心位置,能够对喷嘴均匀加热。一体式喷头的主要部件相对分支式喷头增加了加热块,散热器则用了扇形散热器,提高散热效率;喉管采用钢制材料,以防止PLA膨胀或融化阻塞喷头;加热管对称放置,能够均匀加热。加热块中有材料混合腔有利于材料液体的混合。2.有限元热力耦合分析。对分支式和一体式喷头分别导入到有限元分析软件,再分别进行网格划分与优化。网格质量的好坏对有限元分析的结果影响很大,因此对比几种网格划分质量,分支式和一体式喷头都使用四面体主导划分网格。使用瞬态温度分析系统与结构静力学分析系统结合,把前者的求解结果作为后者的输入参数,对喷头进行热力耦合分析,根据求解结果找出两种喷头的优缺点,进行优化设计。分支式喷头结构设计较为合理,加热以及散热性能良好,但是熔融流道没有混合腔,不同色彩的耗材无法混合,导致混色打印效果不好。一体式喷头的结构设计较为复杂,熔融流道呈L型设计不太合理,喷头容易堵塞,但是它具有一定大小的混合腔,有利于耗材的混合,从而有利于提高混色打印效果。3.根据有限元求解结果,对两种混色喷头进行优化设计。针对分支式喷头设计一个混合腔室,使得耗材充分混合,提升混色打印效果。由于散热器设计不够合理,散热效果不够理想,因此改进散热器为一致直径。加热管露出喷嘴导致外部温度很高,一方面不利于热量的充分利用,另一方面也不利于散热,故缩小加热管尺寸。然后由于一体式加热块中流道呈现L型,不利于丝材进入,温度降低时易造成堵塞,故改进流道造型。热敏电阻温度比加热块的温度略低,不能反映整个加热块以及流道的温度分布,故将热敏电阻从加热块的圆柱侧面位置移至加热块上表面的中心位置。喉管与散热器接触的豁口位置温度依然较高,丝材经过此豁口易受热膨胀造成堵塞,故将喉管的豁口去除。对两款喷头的形变分析,由于温度的差异对喷头的形变的影响只有层厚的一半,对打印效果影响不大。4.通过对改进后的喷头进行有限元热力耦合分析,以及使用两种喷头进行打印试验验证优化的合理性。两种喷头的不足基本已经解决。使用改进后的混色喷头进行打印试验,均对混色打印的效果以及质量有所提升。本文主要对两种多挤出机单喷头打印进行了热力耦合场对比分析研究,对比求解结果,对其不足进行优化设计。基本解决打印过程中的喷头结构不合理、混色质量不高、打印精度差、喷头易堵塞等问题。本研究结果对基于FDM技术的混色3D打印机的喷头设计具有重要的参考价值。
  • 【论文】 基于FDM的TPU材料鞋底3D打印工艺研究

    作者:谢艰 关键词:3D打印 ; 打印参数 ; 外观质量 ; 力学性能 机构:苏州大学 ; 苏州大学 年份:2018
    摘要:随着新一代工业革命的到来,未来制造业将迎来新一轮浪潮,数字化与智能化将成为其发展趋势。其中,3D打印技术作为一种全新的增材制造方式出现在人们面前,并广受关注,伴随着3D打印技术的逐渐发展,其已经开始运用越来越多的行业中,而其在服装服饰行业中的应用与关注均较少。本文旨在将3D打印应用于鞋底打印,通过调研与咨询相关行业人员,打印方法和设备选择熔融沉积成型法(FDM)及FDM打印机,挑选市场上较为容易获得的柔性材料TPU作为打印材料,选择打印层高、打印速度、喷头温度这三个3D打印参数作为主要研究因素,研究其对打印制品外观性能和相关力学性能的影响,实现从材料可打印到性能优化的过程,成功打印出表面效果良好、具有一定的柔软度和手感的3D打印TPU鞋底。这样一方面在一定程度上缓解了3D打印行业在参数设置中多依赖经验的主观性和模糊性,另一方面为今后将3D打印技术在服装服饰行业中进行应用,以及展开后续研究提供一定的帮助与参考。首先,本文通过单因素实验和正交试验研究相关打印参数对打印试样的打印尺寸误差和表面打印质量这两个方面的影响,解决材料的可打印性,得到相关性能最优参数组合。研究表明,当打印层高为0.3 mm、打印速度45 mm/s、喷头温度190℃时,平均打印尺寸误差为最优。打印层高不同,打印参数对打印表面质量的影响也是不同的,具体为当层高为0.2 mm时,顶层层数8层、填充比例20%、打印速度35 mm/s、喷头温度190或200℃时,打印表面质量最优;当层高为0.3 mm时,顶层层数8层、填充比例20%、喷头温度200℃、打印速度35 mm/s,打印表面质量最优;当层高为0.4 mm时,顶层层数8层、打印速度45 mm/s、填充比例20%、喷头温度190或200℃,打印表面质量最优。然后,通过单因素实验和正交试验对打印参数与打印试样力学性能的关系展开研究,包括拉伸、压缩、表面特性和硬挺度,得到相关性能的最优打印参数组合。研究表明,当打印层高0.3 mm、打印速度35 mm/s、喷头温度190℃时拉伸性能综合最优;当打印层高0.1 mm、打印速度35 mm/s、喷头温度205℃时,压缩性能综合最优;当打印层高0.3 mm、打印速度45 mm/s、喷头温度190℃时,表面性能综合最优;硬挺度以柔性为需求,最优参数组合为厚度0.4 mm、层高0.2 mm、喷头温度220℃、打印速度45 mm/s;以刚性为需求,最优参数组合为厚度1.0 mm、层高0.1 mm、喷头温度190℃、打印速度35 mm/s。最后,根据上述研究,进行综合优化分析,全面考虑各方面性能,得到最优化打印工艺参数为打印层高0.3 mm、打印速度35 mm/s、喷头温度205℃,并对此工艺条件下的打印试样进行相关性能测试。实证结果表明,此工艺条件下打印的试样性能优良。
  • 【论文】 面向牙槽骨修复的3D打印技术研究

    作者:孙开瑜 关键词:生物三维打印 ; 牙槽骨修复 ; 个性化支架 ; 组织工程 机构:杭州电子科技大学 ; 杭州电子科技大学 年份:2018
    摘要:牙周病是人类口腔两大类主要疾病之一,在人群中的发病率高达80-90%,是引起成年人牙齿丧失的主要原因。牙槽骨作为牙周支持组织的主要结构,在牙体的发生、发育和萌出以及日常咀嚼中起重要作用。对于牙种植患者,植体区骨量充足是种植体植入的先决条件,也是保证种植成功的关键因素。因此,修复由严重牙周病引起的牙槽骨缺损已经成为牙种植手术治疗前的重要部分。近年来,随着组织工程在口腔医学领域的发展,利用组织工程技术构建三维多孔骨支架有望成为修复牙槽骨缺损的一种新技术。本文提出了基于生物3D打印技术制备个性化的多孔β-TCP/胶原支架修复患者牙槽骨缺损的方法。研究首先对组织工程研究进展和骨支架制备方法做了简要综述,总结现有牙槽骨修复方法,探讨组织工程在牙槽骨修复中的应用及前景。结合医学图像技术对患者牙齿进行了三维重建,并设计了与患者缺损牙槽骨外形匹配的个性化修复模块。利用团队研发的打印参数可控的生物3D打印机,结合牙槽骨结构和功能以及骨组织工程对支架材料的要求,选择β-TCP和I型胶原作为牙槽骨修复支架的生物材料。得出基础β-TCP支架成型良好的打印参数:浆料浓度为32 vol%、内径为0.35 mm的锥形打印针头、打印层厚为0.28 mm、填充间距为0.8 mm、气压0.12-0.18 MPa、打印速度为8 mm/s、平台温度37-40℃。在制备过程中,通过调控填充角度及胶原涂覆浓度,分析比较不同参数下牙槽骨修复支架的表观结构、孔隙率和力学特性,选定最优填充角度0/90°及最佳胶原涂覆浓度0.5 mg/m L。所得支架能准确再现设计的三维模型,可模拟天然骨中的胶原纤维网络,具有多级孔结构,大孔平均直径为315μm,微孔直径为3-5μm,孔隙率为84%。β-TCP/胶原支架的抗压能力为12.29±0.88 MPa,杨氏模量为116.74±27.75 MPa,与成人牙槽骨中松质骨相似。体外大鼠骨髓间充质干细胞(m BMSCs)支架培养实验结果显示,涂覆胶原的支架具有更好的生物相容性,能有效促进m BMSCs的粘附增殖,β-TCP/胶原支架上细胞具有更高的碱性磷酸酶(ALP)活性和Collagen-I、BSP相关成骨基因的表达。研究结果表明,生物3D打印制备的I型胶原涂覆的β-TCP支架具有匹配的外形,良好可控的孔隙结构,对m BMSCs有良好成骨活性,为骨组织支架在临床上缺损牙槽骨修复提供了新的解决思路和探索方向。
  • 【论文】 聚乳酸基生物质3D打印材料的研究

    作者:余旺旺 关键词:熔融沉积成型 ; 聚乳酸 ; 石墨烯 ; 碳纳米管 ; 杨木纤维 机构:南京林业大学 ; 南京林业大学 年份:2017
    摘要:在熔融沉积成型(FDM)中,影响和制约FDM产品性能的因素主要包括3D打印机、熔融沉积工艺和软件控制以及打印的材料。我国可供FDM打印材料的品种较少,力学强度、耐热温度、表面质量以及打印速度达不到要求。3D打印产品主要用于工艺品,还不能满足工程应用的要求,迫切需要开发出能够适应不同应用领域的打印材料,提高现有材料在耐热、高强度、抗静电等方面的性能,丰富打印材料的品种,降低材料成本,构建熔融沉积成型的机理。本文主要以聚乳酸、杨木纤维、咖啡渣、石墨烯和碳纳米管为原材料,制备聚乳酸基3D打印线材,研究熔融沉积工艺、有机纤维和碳纳米填料对产品力学性能、热性能和导电性能以及流变性能的影响,得出以下结果:(1)聚乳酸的最佳熔融沉积工艺为:沉积角度45°,层厚0.3㎜,填充密度100%,打印温度210℃;打印产品的结构对其力学性能具有一定影响,其拉伸强度低于聚乳酸原材料但是断裂伸长率却提升了186%。熔融沉积过程对聚乳酸的玻璃化转变温度、结晶温度和熔融温度几乎没影响,但是对聚乳酸的结晶度有较大影响,其结晶度从35.8%降低至3.6%。聚乳酸在90-120℃范围内容易结晶,聚乳酸产品在100℃下热处理120min,其结晶度高达40.7%。(2)聚乳酸/杨木纤维复合材料在线材制备和熔融沉积等热过程中不会发生显著的热降解,在210℃时发生的微量热降解,主要是杨木纤维中半纤维素的降解。当250目杨木纤维添加量为3%时,复合材料综合力学性能最好。线材制备过程对聚乳酸/杨木纤维复合材料的结晶度影响较小,但FDM过程对复合材料的结晶度影响较大,FDM产品的结晶度整体偏低,但在100℃下进行热处理能显著提高FDM产品的结晶度。(3)采用materials studio预测聚乳酸与杨木纤维的相容性,乙酸酐和KH550偶联剂对杨木纤维的改性有助于提高纤维与聚乳酸之间的相容性,但是效果不显著。因此,在工业化生产中,采用偶联剂或者乙酸酐对杨木纤维进行改性不是很合理。(4)通过materials studio预测复合材料的相容性,咖啡渣与聚乳酸的相容性较好。当咖啡渣的添加量为3%时,复合材料的弯曲强度高达109MPa,较纯聚乳酸提高了33.24%,热处理可以显著提高材料的力学性能。聚乳酸/咖啡渣复合材料的结晶度较小,低于10%,当聚乳酸/3%咖啡渣复合材料在100℃下热处理30min,产品的结晶度有显著的提升,高达50.18%。(5)聚乳酸/碳纳米复合材料的粘度对温度和剪切速率依赖性很大。聚乳酸及其复合材料在线材制备和FDM过程中不会发生严重的降解和破坏。可以通过降低温度来有效抵消石墨烯或者碳纳米管对复合材料流变性能的影响。碳纳米管和石墨烯具有诱发聚乳酸结晶的能力,有助于提高聚乳酸的结晶度,从而提高其力学性能,石墨烯添加量为2%时,复合材料的比弯曲模量最大,达到3199MPa,较纯聚乳酸的高21.63%;石墨烯或碳纳米管对聚乳酸的熔融温度几乎没有影响,但是玻璃化转变温度下降5℃左右,不利于FDM产品的应用与推广。石墨烯或者碳纳米管改性聚乳酸复合材料的电导率以指数方式增加,最高达到10~0 S/m,聚乳酸/碳纳米管复合材料的电导率可以用σ=e~(aw-b)来表示。(6)马来酸酐(MAH)、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-MAH)和马来酸酐接枝聚苯乙烯(PS-g-MAH)对聚乳酸/石墨烯复合材料具有一定的增强增韧效果,石墨烯添加量为3%时,复合材料的力学性能和导电性能均较好,能够满足市场应用要求。
  • 【论文】 3D打印中著作权保护法律法句题研究

    作者:伍俊林 关键词:3D打印 ; 合理使用 ; 复制 ; 独创性 机构:四川师范大学 ; 四川师范大学 年份:2016
    摘要:科学技术的不断进步,使人们的生活变得更加的美好,同时也会带来一些新的问题。3D打印技术从发明之初就受到许多人的关注,随着该技术的迅速发展,人们感受到了这种新兴技术对于知识产权制度的冲击,尤其是对与其密切相关的著作权制度的冲击。人们对这些问题议论纷纷,对该技术的发展前景感到担忧。互联网的普及,使得3D打印技术的打印作品变得更为的便利,同时也加重了著作权制度保护的难度。3D打印技术条件下,需要明确3D打印技术所涉及的特殊客体的作品定义,并明确其是否属于著作权保护的范畴。同时3D打印技术的进步,也促使人们重新认识著作权保护中的“复制”行为的定义,探讨其范围扩大的迫切性。3D打印技术还导致著作权中“合理使用”制度的瑕疵,限制其部分规定的必要性。新兴技术的发展,必然会对旧有制度产生一定的冲击,3D打印技术还使得公众对于原有的“技术中立”原则产生了新的思考,对其引致的侵权责任引发了更新的反思。为保障3D打印技术下著作权人的合法利益以及平衡3D打印背景下的个人利益和公众利益。故本文从以下几个方面来探讨3D打印对著作权保护问题:第一章为引言,主要为引出3D打印技术对著作权保护问题的冲击,以及阐述本文对知识产权理论体系,对著作权制度和对高新技术发展所具有的现实意义和研究意义。同时介绍了文章整体框架,以及本文的研究思路,阐明了本文的创新之处。第二章对3D打印著作权理论问题分析,主要阐述了与3D打印相关联的著作权理论,同时对著作权中作品的定义,作品的独创性理论,作品的著作权复制理论,以及演绎作品理论进行了介绍分析。还分别介绍了3D打印技术所涉及到的特殊客体,即3D打印文档和3D打印物,并对其著作权分类以及所涉及的著作权问题进行了分析和探讨。第三章主要介绍了3D打印技术下,可能存在的著作权侵权类型。对3D打印下侵权认定的复杂性进行了分析,并探讨了3D打印下侵权手段的简单化和难以认定性。同时分析了3D打印技术对著作权中的“合理使用”制度和“技术中立”规则的挑战。第四章在对3D打印技术所引发的著作权问题分析探讨的基础上,对中国3D打印著作权保护制度的完善,提出了以下几点意见:首先需要合理解释作品的范围,确定3D打印产品中属于著作权的保护的范围;其次是拓宽著作权“复制”的范围,扩大对著作权人的保护;再次是对合理使用制度的完善,提出了增设合理性判断的标准以及引入补偿金制度;最后提出将创新技术管理模式升华为法律规定,完善著作权制度。第五章点明3D打印技术作为一项新兴技术,对著作权保护问题的研究有着重要的作用。未来发展趋势也可能出现变化,本文对问题分析还不够透彻,希望能为我国著作权保护尽一份薄力。
  • 【论文】 3D打印看专利间接侵权制度的完善

    作者:蔡斯琪 关键词:3D打印 ; 专利侵权 ; 间接侵权 ; 帮助性侵权 机构:华东政法大学 ; 华东政法大学 年份:2016
    摘要:自从第一台3D打印机出世已过去近30年,伴随着全球各国政府的相应战略出台,3D打印技术发展被推上了一个新的高度。3D打印将原本局限于厂商的制造业,扩展成了“全民制造”。在该技术飞速发展的同时,知识产权领域因此引发的问题也开始渐渐浮出水面,在专利法部分的问题尤其突出。如何应对新兴技术给我国现行专利亲权制度带来的新挑战?本文将从3D打印涉及的各个环节,分析其中可能出现的专利间接侵权行为。并且借鉴美国、英国、日本等发达国家在相关知识产权领域中丰富的判例,以及实操经验,结合我国的专利法律发展现状,最终提出对我国专利间接侵权法律制度的完善建议。本文将分为以下三个部分对该题进行论述:第一章,笔者从分析3D打印目前的发展现状着手,证明3D打印技术将会离我们的生活越来越近,带来的问题也将从小变大,专利制度变迁迫在眉睫。并且通过借鉴分析美国专利权中关于合理使用的例外,分析个人使用3D打印设备,对于专利品进行打印行为中是否可能存在直接专利侵权行为。在此基础上,引出对于3D打印各环节中,可能涉及的新兴专利侵权行为的研究。第二章,笔者主要以3D打印中各环节可能涉及的侵权行为主体作为分类,从设备的生产销售方,CAD数据文件提供方,网络共享平台提供方这三者入手,对于可能产生的专利间接侵权行为进行可能性分析,并依据现有专利制度剖析这些行为。在此基础上,进一步总结提炼专利间接侵权核心问题,提出专利法律中专利权利人和社会公众利益之间如何平衡取舍的尖锐矛盾。第三章,在上两章的基础上,针对现行专利法律制度下,对与3D打印技术中涉及的无法解决的问题,提出构建并完善我国专利间接侵权的建议。第一,作为一个完整体系的构建,需要明确限制该体系规制的对象,以免侵害到普通民众的合法合理权益。第二,通过借鉴美国更成熟的专利法相关规则,从专利引诱侵权和专利帮助侵权两个方面分别对3D打印可能涉及的侵权行为进行界定。第三,为了更好地落实该项制度,让专利间接侵权制度不是一纸空文,促进专利法中利益平衡的实现,还需要完善专利间接侵权的抗辩制度。3D打印技术飞速发展的时代背景下,目前专利法律制度仍无法完全规制其可能引发的侵权行为。本文针对该现象,通过分析3D打印行为可能涉及的各专利侵权行为,借鉴其他发达国家对该问题的相关判例以及实践,给出构建我国专利间接侵权制度的建议。
  • 【论文】 3D打印PLGA组织工程支架及其性能研究

    作者:曾玉婷 关键词:3D打印 ; 组织工程 ; 支架 ; 力学性能 ; 聚乳酸羟基乙酸 机构:华侨大学 ; 华侨大学 年份:2017
    摘要:骨组织工程的三个基本生物学要素为种子细胞、支架材料以及成骨因子,而支架材料作为要素之一发挥着支撑和辅助组织修复等功能,因此,性能良好的骨支架对细胞的正常生长和组织修复具有明显的促进作用。目前,传统的支架制备方法如静电纺丝、粒子沥滤等方法存在制备工艺复杂、重现性差、孔洞形状难以控制以及存在溶剂残留等缺点,降低了支架在后续实验中的应用价值。因此,本课题旨在利用3D打印技术制备出性能良好的支架材料,以期能够克服传统技术存在的缺陷。利用熔融沉积法将热塑性材料聚乳酸羟基乙酸熔融挤出,并在计算机的控制下按所设计的路径移动和堆积,最终制备出具有规则形貌、合适孔洞以及足够的力学性能的骨替代材料,并对支架的力学性能、降解速率以及生物学性能进行评价。本论文主要包括以下几方面的内容:首先是聚乳酸羟基乙酸支架的制备及其性能表征。通过对工艺条件的优化确定支架的制备参数,随后考察支架的层厚、结构及孔隙率对力学性能的影响,并对支架的理化性能进行考察。实验结果表明:随着层厚的升高,三者的压缩强度无明显区别,而屈服应力逐渐下降,呈现极显著性差异(P<0.01);随着结构的改变,三者的屈服应力无明显区别,而压缩强度0/90°>0/60/120°>0/45/90/135°,呈现显著性差异(P<0.05);随着孔隙率的升高,压缩强度和屈服应力呈现逐渐下降的趋势,并且呈现负相关关系。FTIR、XRD和DSC结果表明,制备的支架与原材料相比,官能团、晶型和玻璃化转变温度无明显区别,说明制备过程仅为物理变化。最终,我们采用孔隙率为66%,层厚0.2 mm,结构0/90°作为后续工作所使用的支架,其压缩强度和屈服应力分别为12.69 Mpa和5.78 Mpa(n=5)。其次,对支架的降解速率进行为期十周的考察。将支架与降解液以1:10(V:M)的比例浸没于降解液分别置于PBS缓冲液及酶解液中进行降解,降解条件为37℃,60 rmp/min,每周换液一次。每周于换液前测量降解液的pH,并在第2、4、6、8、10周取出支架,用超纯水冲洗三次,冷冻干燥24 h后对其形貌进行观察和拍照,测量质量损失率、力学性能变化,并对支架进行DSC、GPC及DTA分析。实验结果显示:在前5周内,缓冲液的pH基本保持稳定,从第六周开始呈逐渐下降的趋势;随着降解的进行,支架的物理状态及体积均发生变化;力学性能逐渐下降,玻璃化转变温度降低,分子量逐渐下降,热分解温度降低。综合观察发现,支架在水解液中的降解速度大于在酶解液中的降解速度,总体降解速率呈现先慢后快的趋势,降解前期主要表现为分子量的降低,但支架的质量变化主要发生在降解后期,并伴随pH的改变,整个降解过程中始终伴随着力学性能的改变。最后,对制备的支架进行一系列的生物学性能研究。细胞毒性试验表明,不同浸提液浓度(10 mg/mL、50 mg/mL、100 mg/mL)下的细胞增殖率均大于91%,毒性反应等级为0或1级,这说明支架浸提液对细胞的生长无明显抑制作用,适合作为组织工程材料。急性全身毒性试验结果显示小鼠在注射支架浸提液后的观察期内代谢活动正常;溶血试验结果显示随着浸提液浓度的增大,溶血率均小于5%;蛋白质吸附动力学实验说明蛋白能够吸附于材料表面,因而细胞能够通过蛋白质介导完成黏附和生长,细胞蛋白分泌量为1.02±0.04 mg/scaffold。细胞黏附率和增殖情况的考察说明细胞能够在支架上黏附和增殖,细胞浓度随着时间的增加呈现上升趋势;同时,通过CLSM验证了细胞能够在支架上生长并保持活性,说明支架具有良好的相容性。
  • 【论文】 中学3D打印创客课程开发及实践研究

    作者:王健潼 关键词:创客教育 ; 3D打印课程 ; 人人通平台 ; 核心素养 ; 混合式教学 机构:沈阳大学 ; 沈阳大学 年份:2018
    摘要:随着创客及创客运动的兴起,国内外纷纷创建创客空间,创客教育在全球范围内如火如荼的开展起来。3D打印课程不仅在中学信息技术课程和综合实践活动课程拓展延伸模块有所体现,而且也是创客教育的主要课程之一。但由于创客教育在中国起步较晚,因此开展创客教育过程中还存在许多问题,其中最主要的问题是缺乏系统有效的创客课程资源,其中包含缺少3D打印创客课程。针对这一实际情况,本文基于人人通平台,自主编写校本教材,同时使用自主学习法、任务驱动法、讲授法、直观演示法、讨论法开展中学3D打印创客基础课程设计与实践研究工作。第一部分,在理论层面,体统梳理教育理论基础上,研究并分析国内外创客教育和3D打印课程教学实践现状,并对比分析国内外研究现状和我国3D打印课程的主要问题,为本论文3D打印创客基础课程的设计和实践提供参考和借鉴。第二部分,在课程设计层面,首先分析创客教育中3D打印课程所蕴涵的教育价值,在此基础上,提出课程的定位。接着进行教学环境与学情分析,以“中国学生发展核心素养”和先进教育理论和课程开发理论为指导,设计并开发3D打印创客基础课程资源,使用人人通平台进行课程资源建设。第三部分,在课程实施层面,主要根据教育基本理论与教学设计,围绕“中国学生发展核心素养”进行3D打印课程教学实践。实践内容包括基础培养阶段课程、应用练习阶段课程和拓展探索阶段课程。通过对实践数据情况进行课程量表、学生自评量表和课程量表,发现3D打印课程在培养学生动手操作能力、表达理解能力、创新实践能力、团队合作能力和人文底蕴能力方面都有了一定的提升,能够实现课程目标,实践效果较好。本文通过将3D打印创客课程与学科课程进行深度融合,采取线上线下混合式教学方式,设计及实践探究16学时的3D打印创客基础课程资源,为开展创客教育的基础教育学校提供教学参考课程资源。
  • 【论文】 复杂曲面薄壁结构3D打印大型件研究

    作者:武捷 关键词:3D打印 ; 连接结构 ; 有限元分析 ; 尺寸优化 ; 分割算法 机构:大连理工大学 ; 大连理工大学 年份:2018
    摘要:随着汽车行业竞争的愈演愈烈,个性化和多样化成为未来汽车的发展趋势,如何缩短汽车的研发和生产周期成为各大汽车商关注的焦点。3D打印,又称为增材制造、快速原型技术,由于能够实现任意复杂结构且能够快速的实现制造等特点,在汽车行业、复杂产品及创新设计等方面受到了广泛的应用和关注。3D打印凭借能够制造任意复杂结构的优势,在汽车等许多复杂曲面薄壁结构设计和制造中将发挥极为重要的作用。一方面,在3D打印应用端,保证力学性能的大型快速3D打印件是刚性需求;另一方面,3D打印的制造效率与模型体积成正比例关系,同时打印机的容积及大部件的制造过程冗长造成的不确定性会大大降低制造精度。针对无法一次性打印复杂曲面薄壁结构大型模型的问题,本文提出了一整套基于FDM打印机的模型分割连接装配的方法。具体内容如下:(1)针对FDM类型3D打印工艺,本文采用考虑打印容积的“分而治之”的策略,从3D打印技术的打印原理及有利于后续装配定位等因素发出,提出了一种局部加厚光滑过渡连接体连接加胶接的连接方式。首先通过分析模型的主要受力形式,对连接结构进行三点弯曲实验,通过实验验证了连接结构的有效性。利用内聚力单元模拟两个单元之间的粘性连接的方式对连接结构进行有限元分析,通过实验与有限元仿真的力-位移曲线的对比,对有限元模型进行验证。为使本文设计的连接结构在轻量化的前提下仍然具有足够的强度,对连接结构进行进一步的尺寸优化。根据优化得到的帕累托解集选取兼顾轻量化和强度的解,为“分而治之”的装配方案提供了技术基础。(2)针对复杂曲面薄壁结构大型模型,在Chopper分割算法的基础上提出了带有上述连接结构的分割算法框架。将大型三维模型分解为更小的部分,以适合打印机的打印容积。该算法考虑了可打印性、连接结构的稳定性、分割后连接缝隙的美观性以及打印后输出的打印顺序等因素,以车身曲面模型及鼠首模型为例,应用上述算法并完成模型的打印测试。通过实例的分析,分割后打印模型不仅能够完成大尺寸的模型打印,而且采用多台打印机共同打印的方式极大缩短了打印周期,经过了适当的分割,打印时生成的支撑质量明显减少,从而减少了材料的使用,降低了打印成本。
  • 【论文】 基于3D打印氧化锆陶瓷力学性能的研究

    作者:孙晨 关键词:3D打印 ; 氧化锆 ; 电气石 ; 陶瓷浆料 ; 力学性能 机构:河北工业大学 ; 河北工业大学 年份:2017
    摘要:随着科技进步和社会发展,人们对于牙科修复的要求越来越高,氧化锆全瓷修复体由于其天然的色泽、良好的力学性能等优点被广泛应用于齿科修复领域。但由于传统的制作工艺制造周期长、工序复杂、成本高等问题,使陶瓷材料在齿科修复领域的应用受到限制。基于微流挤出的3D打印技术,可通过选择性浆料挤出系统个性化定制具有复杂形体的微型陶瓷构件。本文以氧化锆陶瓷浆料为成型对象,并通过电气石改善氧化锆陶瓷浆料的理化性能,应用微流挤出3D打印技术快速制造氧化锆全瓷冠,并进一步测试和分析此工艺对氧化锆陶瓷力学性能的影响情况。首先,通过实验研究了pH值、分散剂添加量以及电气石含量等因素对氧化锆陶瓷浆料稳定性的影响。当浆料pH值为9,分散剂含量为2%,电气石含量1.5%时,所得浆料稳定性好;确定球磨时间20h、固含量在45%-48%范围时,选择性浆料挤出系统的成形效果好。其次,通过对挤出过程的数学描述和大量实验,确定选择性浆料挤出系统成形氧化锆陶瓷浆料的最佳成型工艺参数。当挤出头挤出口直径为0.44mm,料筒直径为13mm,层厚(35)h为0.35mm,挤压速度为0.5mm/s时,成形效果最好。最后,选用无压烧结氧化锆陶瓷坯体,分析了不同固含量、不同电气石含量以及不同烧结温度对成形后试样力学性能的影响。当固含量为48%、电气石含量为1.5%、烧结温度为1480℃时,试样的抗弯强度达到854MPa,断裂韧性达到9.62MPa/m~(1/2)。
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