Помощь студентам в учебе
ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ АДДИТИВНЫМИ МЕТОДАМИ 3D ПЕЧАТИ
|
РЕФЕРАТ 2
ОГЛАВЛЕНИЕ 3
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 5
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ПАТЕНТНО-ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ТЕМЕ РАБОТЫ 8
1.1. Металлические материалы в имплантологии 8
1.2. Свойства сплавов на основе титана и костей человека 9
1.3. Технологии послойного синтеза титановых сплавов 11
1.3.1. Селективный синтез («Bed Deposition») 14
1.3.2. Прямое осаждение материала («Direct Deposition») 15
1.3.3. Сравнение технологии электронно-лучевого сплавления (EBM) и технологии селективного лазерного плавления (SLM) 16
1.4. Пористые структуры в имплантологии 18
1.5. Методы испытаний пористых материалов 27
1.6. Анализ архитектуры имплантатов МКЭ 31
2. ВЫЯВЛЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ И СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ 37
3. ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ ЯЧЕЕК ИСПЫТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА НА СВОЙСТВА
КОНЕЧНОГО ИЗДЕЛИЯ 41
3.1. Выбор метода решения 41
3.2. Выбор архитектурного строения 42
3.2.1. Форма ячеек 42
3.3. Постановка задачи 43
3.4. Анализ и описание результатов 45
3.4.1. Описание результатов 45
3.4.2. Дисперсионный анализ 49
3.4.3. Регрессионный анализ 51
3.4.3.1. Проверка значимости уравнения регрессии 55
3.4.3.2. Проверка значимости коэффициента уравнения регрессии 56
З.4.З.З. Коэффициент парной корреляции 57
4. РОЛЬ ТРЕНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИИ ЯЧЕИСТОГО МАТЕРИАЛА НА СЖАТИЕ 58
4.1. Постановка задачи 58
4.2. Анализ и описание результатов 61
4.2.1. Описание результатов 61
4.2.2. Дисперсионный анализ 63
4.2.3. Регрессионный анализ 67
4.2.3.1. Проверка значимости уравнения регрессии 69
4.2.3.2. Проверка значимости коэффициента уравнения регрессии 70
4.2.3.3. Коэффициент парной корреляции 71
5. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 78
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Список публикаций автора по теме ВКР 86
ОГЛАВЛЕНИЕ 3
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 5
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ПАТЕНТНО-ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ТЕМЕ РАБОТЫ 8
1.1. Металлические материалы в имплантологии 8
1.2. Свойства сплавов на основе титана и костей человека 9
1.3. Технологии послойного синтеза титановых сплавов 11
1.3.1. Селективный синтез («Bed Deposition») 14
1.3.2. Прямое осаждение материала («Direct Deposition») 15
1.3.3. Сравнение технологии электронно-лучевого сплавления (EBM) и технологии селективного лазерного плавления (SLM) 16
1.4. Пористые структуры в имплантологии 18
1.5. Методы испытаний пористых материалов 27
1.6. Анализ архитектуры имплантатов МКЭ 31
2. ВЫЯВЛЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ И СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ 37
3. ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ ЯЧЕЕК ИСПЫТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА НА СВОЙСТВА
КОНЕЧНОГО ИЗДЕЛИЯ 41
3.1. Выбор метода решения 41
3.2. Выбор архитектурного строения 42
3.2.1. Форма ячеек 42
3.3. Постановка задачи 43
3.4. Анализ и описание результатов 45
3.4.1. Описание результатов 45
3.4.2. Дисперсионный анализ 49
3.4.3. Регрессионный анализ 51
3.4.3.1. Проверка значимости уравнения регрессии 55
3.4.3.2. Проверка значимости коэффициента уравнения регрессии 56
З.4.З.З. Коэффициент парной корреляции 57
4. РОЛЬ ТРЕНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИИ ЯЧЕИСТОГО МАТЕРИАЛА НА СЖАТИЕ 58
4.1. Постановка задачи 58
4.2. Анализ и описание результатов 61
4.2.1. Описание результатов 61
4.2.2. Дисперсионный анализ 63
4.2.3. Регрессионный анализ 67
4.2.3.1. Проверка значимости уравнения регрессии 69
4.2.3.2. Проверка значимости коэффициента уравнения регрессии 70
4.2.3.3. Коэффициент парной корреляции 71
5. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 78
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Список публикаций автора по теме ВКР 86
Актуальность работы определена согласно Постановлению Правительства РФ от 15 апреля 2014 года № 301 «Об утверждении государственной программы Российской Федерации «Развитие науки и технологии», на 2013-2020 года», федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2012-2020 годы». Направление «наука о жизни» включает в себя широкий спектр исследований, связанных с металлургической отраслью. Разработка титановых имплантатов является одним из таких. Исследования, направленные на разработку титановых имплантатов методом аддитивных технологий и их испытаний, можно считать актуальными.
Управляемая регенерация тканей приобрела большое значение в области ортопедической инженерии, поскольку потребности и технологии позволяют разрабатывать индивидуальные решения для протезирования. Успешные каркасы для управляемой регенерации тканей должны отвечать трем основным требованиям: обеспечивать необходимую архитектуру имплантата, способствовать росту новых тканей, а также обеспечивать правильное функционирование при специфической механической нагрузке. Первые две проблемы были успешно решены с помощью стандартных методов изготовления изделий [1].
Третья проблема обусловлена строением человеческого организма. Кость человека обладает анизотропией в продольном и поперечном направлениях, что необходимо учитывать при проектировании имплантата, чтобы избежать травмирования организма и реакции «Stress shielding». Данные о механических свойствах кортикальной кости представлены в работе [2].
Применение аддитивных технологий предоставляет возможность создавать ячеистые изделия из определенного перечня материалов с различной контролируемой архитектурой ячеек. Это дает возможность влиять на механические свойства материала и создавать изделия с анизотропией свойств, в частности это касается модуля упругости [3].
Предлагается рассмотреть различные форм-факторы ячеек и проанализировать их влияние на модуль упругости материала.
Порядок испытания для выявления модуля упругости ячеистого материала отражен в стандарте ISO 13314:2011 [4]. Однако, вопрос выбора коэффициента трения между заготовкой и испытательной машиной отражен не в полной мере.
Так как коэффициент трения напрямую влияет на протекание процесса осадки материала, предлагается подробнее изучить степень этого влияния.
Управляемая регенерация тканей приобрела большое значение в области ортопедической инженерии, поскольку потребности и технологии позволяют разрабатывать индивидуальные решения для протезирования. Успешные каркасы для управляемой регенерации тканей должны отвечать трем основным требованиям: обеспечивать необходимую архитектуру имплантата, способствовать росту новых тканей, а также обеспечивать правильное функционирование при специфической механической нагрузке. Первые две проблемы были успешно решены с помощью стандартных методов изготовления изделий [1].
Третья проблема обусловлена строением человеческого организма. Кость человека обладает анизотропией в продольном и поперечном направлениях, что необходимо учитывать при проектировании имплантата, чтобы избежать травмирования организма и реакции «Stress shielding». Данные о механических свойствах кортикальной кости представлены в работе [2].
Применение аддитивных технологий предоставляет возможность создавать ячеистые изделия из определенного перечня материалов с различной контролируемой архитектурой ячеек. Это дает возможность влиять на механические свойства материала и создавать изделия с анизотропией свойств, в частности это касается модуля упругости [3].
Предлагается рассмотреть различные форм-факторы ячеек и проанализировать их влияние на модуль упругости материала.
Порядок испытания для выявления модуля упругости ячеистого материала отражен в стандарте ISO 13314:2011 [4]. Однако, вопрос выбора коэффициента трения между заготовкой и испытательной машиной отражен не в полной мере.
Так как коэффициент трения напрямую влияет на протекание процесса осадки материала, предлагается подробнее изучить степень этого влияния.
В ходе работы проведен дисперсионный анализ зависимости модуля упругости от геометрии ячейки. Гипотезу о том, что геометрия ячейки, при равной пористости, влияет на показатель модуля упругости удалось подтвердить. Существует следующая градация снижения модуля упругости, среди рассмотренных форм ячеек, при одинаковой пористости: овал, ромб, вогнутосторонний ромб.
В ходе работы проведен дисперсионный анализ зависимости показателя модуля упругости от коэффициента трения между заготовкой и испытательной машиной. Гипотезу о том, что коэффициент трения, при прочих равных условиях, влияет на показатель модуля упругости удалось подтвердить.
Для корреляционной зависимости были получены коэффициенты парной корреляции, значение которых говорит о том, что уравнение являются качественными и дает возможность с достаточно высокой точностью предсказывать значение модуля упругости материала за счет изменения коэффициента трения между заготовкой и испытательной машиной.
Из изученных материалов и полученных данных также можно сделать следующие выводы.
Во-первых, за счет неравноосной геометрии ячеек материала существует возможность задавать необходимый модуль упругости конечного изделия, в различных плоскостях, на этапе проектирования. Модуль упругости анизотропного материала будет зависеть от направления приложения нагрузки, благодаря этому существует возможность варьировать модуль упругости одного изделия в зависимости от его позиционирования относительно нагрузки. К примеру структура, описанная в части 3.4.1 данной работы, обладает модулем упругости Е = 58,45 ГПа в одном направлении, что составляет 51,36% от модуля упругости материала в компактном состоянии, та же структура при изменении положения изделия, относительно нагрузки, может демонстрировать модуль упругости Е = 26,64 ГПа, что составляет 23,41% от модуля упругости материала в компактном состоянии. Анизотропия материала - важное свойство при проектировании имплантатов.
Во-вторых, важным моментом при проектировании и изготовлении материалов является контроль соответствия проектируемых свойств свойствам конечного изделия. В стандарте 180 13314:2011 недостаточно полно изложен вопрос о контроле уровня трения между испытываемым образцом и бойками испытательной машины и его влиянии на конечные данные о механических свойствах изделия. Расчеты показали, что увеличение коэффициента трения от 0,1 до 0,5 приводит к повышению показателя модуля упругости на 5,2 %, учитывая это, необходимо контролировать уровень терния при исследовании образцов согласно 180 13314:2011 и интерпретировать данные полученные в ходе исследования с учетом уровня трения.
В-третьих, существует большое количество разнообразных решений относительно форм-фактора ячеек ячеистых материалов. Однако, невозможно выбрать наиболее оптимальный вариант даже под конкретную задачу, потому что не существует единого реестра форм. Данный факт усложняет выбор наиболее оптимального варианта формы ячеек для каждого конкретного случая нагружения, учитывая, что их форма непосредственно влияет на механические свойства при прочих равных показателях. Создание единого реестра форм ячеек сможет дать ощутимые результаты в области исследования ячеистых материалов.
В-четвертых, при проектировании ячеистых структур для имплантации, следует избегать концентраторов напряжений в конечных изделиях, а также контролировать деформации в процессе эксплуатации. Это необходимо для того чтобы минимизировать негативное воздействие на организм. При разработке имплантатов необходимо обеспечить контролируемое разрушение материала с учетом наименьшего вреда его обладателю.
В заключении следует отметить, что тема ячеистых имплантатов требует дальнейшего изучения.
В ходе работы проведен дисперсионный анализ зависимости показателя модуля упругости от коэффициента трения между заготовкой и испытательной машиной. Гипотезу о том, что коэффициент трения, при прочих равных условиях, влияет на показатель модуля упругости удалось подтвердить.
Для корреляционной зависимости были получены коэффициенты парной корреляции, значение которых говорит о том, что уравнение являются качественными и дает возможность с достаточно высокой точностью предсказывать значение модуля упругости материала за счет изменения коэффициента трения между заготовкой и испытательной машиной.
Из изученных материалов и полученных данных также можно сделать следующие выводы.
Во-первых, за счет неравноосной геометрии ячеек материала существует возможность задавать необходимый модуль упругости конечного изделия, в различных плоскостях, на этапе проектирования. Модуль упругости анизотропного материала будет зависеть от направления приложения нагрузки, благодаря этому существует возможность варьировать модуль упругости одного изделия в зависимости от его позиционирования относительно нагрузки. К примеру структура, описанная в части 3.4.1 данной работы, обладает модулем упругости Е = 58,45 ГПа в одном направлении, что составляет 51,36% от модуля упругости материала в компактном состоянии, та же структура при изменении положения изделия, относительно нагрузки, может демонстрировать модуль упругости Е = 26,64 ГПа, что составляет 23,41% от модуля упругости материала в компактном состоянии. Анизотропия материала - важное свойство при проектировании имплантатов.
Во-вторых, важным моментом при проектировании и изготовлении материалов является контроль соответствия проектируемых свойств свойствам конечного изделия. В стандарте 180 13314:2011 недостаточно полно изложен вопрос о контроле уровня трения между испытываемым образцом и бойками испытательной машины и его влиянии на конечные данные о механических свойствах изделия. Расчеты показали, что увеличение коэффициента трения от 0,1 до 0,5 приводит к повышению показателя модуля упругости на 5,2 %, учитывая это, необходимо контролировать уровень терния при исследовании образцов согласно 180 13314:2011 и интерпретировать данные полученные в ходе исследования с учетом уровня трения.
В-третьих, существует большое количество разнообразных решений относительно форм-фактора ячеек ячеистых материалов. Однако, невозможно выбрать наиболее оптимальный вариант даже под конкретную задачу, потому что не существует единого реестра форм. Данный факт усложняет выбор наиболее оптимального варианта формы ячеек для каждого конкретного случая нагружения, учитывая, что их форма непосредственно влияет на механические свойства при прочих равных показателях. Создание единого реестра форм ячеек сможет дать ощутимые результаты в области исследования ячеистых материалов.
В-четвертых, при проектировании ячеистых структур для имплантации, следует избегать концентраторов напряжений в конечных изделиях, а также контролировать деформации в процессе эксплуатации. Это необходимо для того чтобы минимизировать негативное воздействие на организм. При разработке имплантатов необходимо обеспечить контролируемое разрушение материала с учетом наименьшего вреда его обладателю.
В заключении следует отметить, что тема ячеистых имплантатов требует дальнейшего изучения.