钙磷生物陶瓷粉末的激光选区烧结成形工艺研究开题报告
2020-04-19 21:07:46
1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1研究目的进行聚乳酸、聚三亚甲基碳酸酯/钙磷生物陶瓷复合材料粉体特性及激光选区烧结工艺研究，得出成形工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描策略、预热温度等)对激光烧结成形件性能（密度、精度、翘曲等）的影响规律。
1.2研究意义
研究粉体特性及成形工艺对钙磷生物陶瓷复合材料的增材制造成形件微观组织和性能的影响规律，为建立高性能成形件的增材制造技术调控方法及增材制造专用新材料的开发提供一定的理论依据，对推动激光增材制造技术的发展及应用有着重要的意义。
1.3理论与技术简介
1）激光选区融化成形技术
激光选区熔化成形技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。但是，该方法在陶瓷零件制造方面的研究和应用远远不如高分子和金属零件，主要表现在陶瓷零件复杂形状成形困难，相对密度低，机械性能差等问题。
2）钙磷生物陶瓷材料
生物陶瓷材料作为无机生物医学材料，因无毒副作用、与生物组织有良好的生物相容性及耐腐蚀性等优点，越来越受到重视。其中羟基磷灰石/聚乳酸（HA/PLA）是一种极具发展前景的人工骨修复材料，HA/PLA 人工骨修复材料具有良好成骨性，无免疫原性、无交叉传染风险，可较快、较好地与周围组织整合生长等优点。探究激光增材制造成形参数对制件性能的影响规律，对于HA/PLA复合材料产品的制造及应用有着重要的研究价值和现实意义。
1.4国内外研究现状
与传统的加工方法相比, 激光成形制备生物材料在生物医用材料制备领域具有重大应用价值，研究钙磷生物陶瓷粉末的激光成形技术对粉末类激光快速烧结工艺的发展、生物陶瓷材料的医学应用等均具有一定的推进作用。
表1 研究现状
| 序号 | 名称 | 相关研究内容 |
| 1 | 麻省理工学院 | 增材制造人骨材料及技术 |
| 2 | 德国EOS公司 | 基于粉末床的激光增材制造装备的研发 |
| 3 | 武汉理工大学 | 钙磷陶瓷材料、聚乳酸/磷酸钙复合材料 |
| 4 | 西京医院 | 增材制造钛合金假体的临床应用与效果评估 |
| 5 | 同济医院 | 增材制造技术在术前模拟及个性化手术导板的临床应用 |
| 6 | 第三军医大学附属大坪医院 | 对 PDLLA/HA/DBM 复合材料重建兔桡骨大段骨缺损及犬椎板骨骨缺损的效果进行评估 |
| 7 | 北京航空制造工程研究所 | 开发了激光选区熔化成形技术平台，开展了TC4、TC11、TB6 等钛合金激光选区熔化成形工艺基础研究 |
| 8 | 美国华盛顿州立大学,俄亥俄州州立大学, 路易斯维尔大学和德国亚琛大学等 | 开展了激光立体成形制备钛合金、不锈钢脊椎, 关节, 类骨及生物多孔材料的研究 |
| 9 | 西北工业大学凝固技术国家重点实验室和第四军医大学 | 将激光立体成形应用于口腔植入体的制备, 并已通过临床初步验证, 所涉及的材料包括了不锈钢、钴基合金、钛合金以及钛/HA生物梯度材料。 |
2. 研究的基本内容与方案
2.1基本内容及措施1）聚乳酸、聚三亚甲基碳酸酯、钙磷生物陶瓷原材料及其复合粉末材料特性研究：采用激光粒度仪检测粉末的粒度分布，在扫描电镜下观察粉末颗粒的形貌(球形度、卫星球多少、粒度均匀性)，使用tg/dta获取高分子材料的熔融特性参数；采用扫描电镜观察复合粉末中高分子材料与钙磷生物陶瓷材料的分布状态和结合形式。通过上述测试获取原材料粉末及其复合材料的物理化学特性参数。
2）聚乳酸、聚三亚甲基碳酸酯/钙磷生物陶瓷复合材料激光选区烧结工艺研究：与钛合金工艺研究相似，直接进行单层扫描试验，预热温度根据高分子材料的熔融特性参数设置，研究预热温度、激光能量、扫描速度、扫描间距对单层形貌(精度、翘曲)的影响；然后进行块体成形实验，研究预热温度、激光能量、扫描速度、扫描间距和层厚对成形件致密度、精度等参数的影响规律。
基于选择性激光烧结技术，研究成型工艺中相关参数对制件的影响，通过对制件力学性能的分析，得出优化制件质量的参数设置，揭示生物陶瓷材料的形态与性能演变机理。
3. 研究计划与安排
本课题的进度安排如表2所示：
表2 进度安排表
| 1～3周 | 完成开题报告并确定英文翻译文章； |
| 3～8周 | 完成英文翻译（不少于5000字）；查阅参考文献，了解快速陶瓷粉末成型工艺； |
| 5～8周 | 完成钙磷生物陶瓷粉末材料特性研究； |
| 9～13周 | 完成钙磷生物陶瓷粉末材料激光选区烧结工艺研究； |
| 13～15周 | 资料整理，撰写毕业论文，准备答辩材料; |
4. 参考文献（12篇以上）
[1]朱林泉,白培康,朱水森.快速成型与快速制造技术[m].北京:国防工业出版社,2003.
[2]卢寿慈.粉体加工技术[m].北京：中国轻工业出版社,1999.
[3]陆厚根.粉体工程学概论[m].上海:同济大学科学技术情报站,1987.
