机械行为和故障模式的身体中心立方体,陀螺,钻石和沃罗诺伊功能分级增材制造的生物医学晶格结构
João Pedro M Cheloni1, Bruno Zluhan2, Marcio E Silveira3
1Industrial Products Development, SENAI CIMATEC University Center, Salvador, BA, Brazil; School of Mechanical Engineering, University of Campinas - UNICAMP, Campinas, SP, Brazil.
Journal of the mechanical behavior of biomedical materials
|December 5, 2024
概括
粉床融合 (PBF-LB) 从Ti6Al4V合金中创建了生物医学晶格结构. 钻石结构提供了最佳的机械阻力,而分级设计改善了BCC结构的能量吸收.
科学领域:
- 生物材料工程 生物材料工程
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 机械工程 机械工程
背景情况:
- 增材制造,特别是使用激光束 (PBF-LB) 的粉床融合,越来越多地用于生物医学应用中的复杂几何形状.
- 格子结构中的功能梯度为生物医学植入物提供了机械性质的定制.
- 由于其生物相容性和机械强度,Ti6Al4V合金是生物医学设备的常见材料.
研究的目的:
- 分析和比较使用Ti6Al4V合金中的PBF-LB制造的四种生物医学晶格结构 (常规和分级) 的机械性能和故障模式.
- 评估PBF-LB在生物医学晶格结构中产生薄壁的准确性.
- 调查功能梯度对不同格子架构机械性能的影响.
主要方法:
- 使用PBF-LB制造四个Ti6Al4V格子结构 (钻石,BCC,TPMS,Voronoi) 在正规和分级配置.
- 高分辨率的X射线计算微断层扫描用于评估薄壁的尺寸精度.
- 机械测试 (压缩) 以确定电阻,能量吸收和故障模式.
- 数字模拟用于应力分布分析.
主要成果:
- 在所有分析的结构中,PBF-LB在薄壁 (0.6毫米) 上表现出高精度.
- 钻石格子结构表现出优越的机械阻力 (~130 MPa) 和能量吸收 (~200 J).
- 分级结构显著改善了体中心立方体 (BCC) 格子 (~30 J) 的能量吸收,但对钻石结构的影响较小.
- 45°的剪切断裂和压碎是主要的故障模式;分级结构显示在较低密度区域的渐进式崩和故障.
结论:
- 钻石格子结构具有很高的耐用性,并且不太受到分级的影响,因此它们适用于高负载的生物医学应用.
- 分级的BCC结构显示了增强能量吸收的潜力,对特定的植入物设计有利.
- 了解正规与分级格子中的故障模式对于优化通过PBF-LB制造的定制生物医学植入物的设计至关重要.
