3D打印钛合金骨小梁多孔结构的拉伸性能

• Published in: 中国组织工程研究 Vol. 24; no. 22; pp. 3498 - 3503
• Main Authors: 张兰, 王翔, 刘军, 张春秋, 叶金铎, 刘璐
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,机电工程国家级实验教学示范中心,天津理工大学机械工程学院,天津市300384%天津市骨植入物界面功能化与个性研究企业重点实验室,嘉思特华剑医疗器材(天津)有限公司,天津市300190 2020
• Subjects: 拉伸实验; 失效机制; 有限元; 3D打印; 拉伸破坏载荷; 数值模拟; 钛合金骨小梁; 丝径
• ISSN: 2095-4344
• DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2274

R311%R459.9%R318.01; 背景:3D打印钛合金多孔结构以其良好的机械性能和生物相容性已经在骨科植入假体设计与临床应用方面得到了快速发展,与涂层假体相比,钛合金骨小梁结构具有骨长入快和骨长入好的优点.为了保证骨科植入物的安全,目前多采用实验方式确定骨小梁结构的拉伸、剪切疲劳和弯曲疲劳强度.目的:通过力学实验和有限元数值模拟方法研究骨小梁多孔结构的力学性能.方法:①3D打印钛合金骨小梁拉伸试件实验:设计并制备3D打印钛合金骨小梁拉伸试件,骨小梁结构的丝径为0.28-0.35 mm、孔径为0.71 mm、孔隙率为73％.检测钛合金骨小梁结构的拉伸强度,分析其失效机制,同时分析不同打印位置对骨小梁拉伸强度的影响.②数值模拟实验:利用有限元方法建立包括骨小梁理论结构的拉伸试件实体模型,模拟骨小梁试件的拉伸破坏过程.结果 与结论:①3D打印钛合金骨小梁拉伸试件的极限载荷分布在39.55-47.11 kN之间,等效极限拉伸应力分布在62.79-74.53 MPa之间,拉伸破坏的结果为网状结构断裂,说明钛合金骨小梁具有较高的拉伸强度;②3D打印钛合金骨小梁拉伸试件实验与数值模拟实验均显示,骨小梁试件受到拉伸破坏时的破坏形式为丝径断裂,不会在骨小梁与钛合金实体的结合面发生断裂;③数值模拟实验中骨小梁试件的拉伸破坏载荷低于3D打印钛合金骨小梁拉伸试件,造成该差异的原因主要为:3D打印骨小梁试件的丝径(280-350 μm之间)大于骨小梁的理论丝径(142 μm),而孔径(孔隙率75％)小于骨小梁的理论孔径(孔隙率96％).