人工骨3D打印與銑削復(fù)合加工研究*

劉 徽 楊先海 程 祥 呂福順 王 飛 孫秋蓮

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

現(xiàn)階段我國人口老齡化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，另外，疾病與交通事故等客觀原因?qū)е铝松眢w骨骼的病變或缺失，人工骨的需求越來越多。部分學(xué)者將仿生人工骨作為替代人骨的材料，并在很大程度上解決了骨來源緊缺及疾病傳播問題[1]。制造人工骨的材料多種多樣，其中特種工程塑料PEEK以其優(yōu)異的耐磨性、生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點成為目前最具應(yīng)用前景的人工骨基體復(fù)合材料，可獨立作為人工骨替換材料使用[2]。此外，不同人的骨骼在結(jié)構(gòu)、形態(tài)等方面千變?nèi)f化，需要人工骨的個性化定制。3D打印技術(shù)在個性化復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速制造方面的優(yōu)勢正好滿足了這些需求[3]。因此，有必要對3D打印在人工骨制造方面的應(yīng)用作進(jìn)一步的研究。

夏琰等人以無機(jī)的羥基磷灰石與有機(jī)的聚己內(nèi)酯作為原材料，使用3D打印技術(shù)中的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)制備出組織工程化納米-羥基磷灰石/聚己內(nèi)酯人工骨支架[4]，為其今后在骨缺損治療中的應(yīng)用奠定了一定的試驗基礎(chǔ)。張永強(qiáng)等人針對人工骨的需求問題,結(jié)合CAD、熔融沉積3D打印技術(shù), 以PHA/β-TCP復(fù)合材料制備出具有三維多孔結(jié)構(gòu)的人工骨支架[5]。張鈺等人在對3D打印樣件進(jìn)行熱力學(xué)仿真和試驗研究的基礎(chǔ)上，利用自行開發(fā)的3D打印裝置在最優(yōu)打印條件下成功制造出PEEK仿生人工骨，突破了其只能用注塑和激光燒結(jié)制造的局限，具有理論和實際應(yīng)用價值[2，6]。利用熔融沉積成型(FDM)原理進(jìn)行聚醚醚酮(PEEK)仿生人工骨的3D打印制造是一項新的技術(shù)，目前尚處于起步階段。

然而，F(xiàn)DM打印出的制件表面質(zhì)量較差，與醫(yī)用要求有一定的差距。銑削加工是公認(rèn)的高質(zhì)量、復(fù)雜幾何特征加工的工藝[7]。鑒于此，本文應(yīng)用自主研發(fā)的熔融增材與銑削減材復(fù)合加工機(jī)床，針對PEEK材料人工骨，展開3D打印與銑削復(fù)合的加工研究。其中FDM技術(shù)中打印時間、打印材料消耗量是已經(jīng)被普遍關(guān)注的研究對象，但對打印試件的力學(xué)性能研究較少。故本研究針對3D打印，選取打印時間、打印材料消耗量、試件的儲能模量為響應(yīng)值，針對銑削，選取加工銑削后試件表面的粗糙度為響應(yīng)值，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化3D打印與銑削工藝參數(shù)。并進(jìn)行試驗驗證。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗方法

響應(yīng)面法是一種綜合試驗設(shè)計和數(shù)學(xué)建模的優(yōu)化方法，通過對具有代表性的局部各點進(jìn)行試驗，回歸擬合全局范圍內(nèi)因素與結(jié)果間的函數(shù)關(guān)系，并且取得各因素最優(yōu)水平值。其中，Box-Benhnken Design(BBD)法是一種采用試驗設(shè)計理論對指定的設(shè)計點集合進(jìn)行試驗得到目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的響應(yīng)面模型，來預(yù)測非試驗點的響應(yīng)值的方法[8-10]。應(yīng)用此方法時使用的軟件為Design-Expert。本文將響應(yīng)面法用于3D打印與銑削的工藝參數(shù)優(yōu)化中，為了提高研究效率，本文采用簡單形狀試件的打印與銑削加工，將試件的形狀設(shè)定為長方體。

1.2 3D打印與銑削試驗因素水平

參考前期研究[11-12]，選取對打印時間、打印材料消耗量、儲能模量影響較大的層厚、內(nèi)部填充密度、外周輪廓為因素。各因素水平見表1。

表1 打印試驗因素水平列表

因素水平 層厚/mm內(nèi)部填充密度/(%)外周輪廓/圈10.230220.350430.4706

基于前期研究，確定背吃刀量、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量的三因素試驗，各因素水平見表2 。

表2 銑削試驗因素水平列表

因素水平 背吃刀量/mm主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)進(jìn)給量/mm10.23 0000.0620.43 5000.0930.64 0000.12

1.3 試驗設(shè)備

本試驗進(jìn)行3D打印與銑削所用設(shè)備為自主研發(fā)的熔融增材與銑削減材復(fù)合加工機(jī)床[7]，如圖1所示。試驗采用孔徑為0.5 mm的噴嘴，打印溫度為365 ℃，底板溫度180 ℃，打印速度15 mm/s，打印內(nèi)部填充形式選為直線型。選用的端銑刀參數(shù)：刀具直徑3 mm，齒數(shù)3齒，螺旋角30°，材料為硬質(zhì)合金。

測量儲能模量的動態(tài)熱機(jī)械測試儀型號為DMA-Q800。測試條件為：單懸臂測試方式，快速平衡至0 ℃，平衡時間5 min，以5 ℃/min的升溫速率由0 ℃升至220 ℃。

銑削后試件表面的粗糙度由CS3200表面粗糙度測量儀測量。測量儀主要技術(shù)參數(shù)：抽樣長度L=0.8 mm；評定長度5L；量程：±40 μm；精確度±10%；驅(qū)動速度0.5 mm/s，測力為4 m·N，工作環(huán)境為室溫。測量粗糙度時，在幾個均勻分布的位置上分別測量，每組試驗至少測3次取平均值。

2 3D打印與銑削試驗

2.1 試驗步驟

打印長34 mm寬12 mm高3 mm的長方體，如圖2所示。打印時間與打印材料長度由控制系統(tǒng)記錄，根據(jù)材料長度計算出打印材料消耗量。對打印試件進(jìn)行銑削試驗，為節(jié)省試驗所用材料，同一試件上進(jìn)行3次銑削試驗，單個試件銑削結(jié)束后效果如圖3。

2.2 試驗結(jié)果

打印試驗與銑削試驗響應(yīng)面方案測量結(jié)果見表3和表4。表3中因素A為層厚，因素B為內(nèi)部填充密度，因素C為外周輪廓；響應(yīng)值R1為打印時間，響應(yīng)值R2為打印材料消耗量，響應(yīng)值R3為儲能模量。表4中因素D為背吃刀量，因素E為主軸轉(zhuǎn)速，因素F為進(jìn)給量；響應(yīng)值R4為粗糙度。

表3 打印試驗測試結(jié)果

序號影響因素響應(yīng)值A(chǔ)/mmB/(%)C/圈R1/sR2/cm3R3/MPa10.45065161 123.041 847.620.33024811 097.531 510.6930.35045661 189.21 325.5840.25068221 227.781 743.8450.37066331 233.961 473.3160.35045691 197.351 315.5870.25026301 265.81 545.0980.43044671 034.081 602.4690.37025301 237.511 341.7100.45024321 010.711 621.93110.23047051 208.451 663.64120.33066121 193.331 800.51130.27047371 296.171 276.57140.35045701 190.71 319.58150.35045671 197.31 333.58160.35045701 1901 322.58170.47044911 112.721 473.35

3 試驗結(jié)果分析

打印時間的顯著性分析結(jié)果見表5。顯著性分析表中若某因素的P值小于0.01，表明此因素對響應(yīng)值有極顯著影響；若P值大于0.01小于0.05，表明此因素對響應(yīng)值有顯著影響；若P值大于0.05，表明此因素對響應(yīng)值無顯著影響。由表5可知：因素A層厚、因素B內(nèi)部填充密度、因素C外周輪廓對打印時間的影響是極顯著的；因素A的二次方A2對打印時間有極顯著影響，而因素B的二次方B2和因素C的二次方C2對打印時間沒有顯著影響；交互項AC對打印時間有極顯著影響，而交互項AB、BC對打印時間沒有顯著影響。相同的，打印材料消耗量、儲能模量、銑削面粗糙度的顯著性分析結(jié)果見表6～8。

表4 銑削試驗測試結(jié)果

序號影響因素D /mmE /(r/min)F /mmR4 /μm10.24 0000.091.4220.43 5000.091.7730.23 5000.061.3340.63 5000.061.7250.64 0000.091.8160.44 0000.061.3570.43 0000.061.7480.44 0000.121.8790.43 5000.091.75100.63 0000.092.31110.43 5000.091.76120.23 5000.121.79130.23 0000.091.76140.43 5000.091.79150.43 5000.091.77160.43 0000.122.32170.63 5000.122.27

經(jīng)回歸擬合后，層厚、內(nèi)部填充密度、外周輪廓三試驗因子對響應(yīng)值打印時間、打印材料消耗量、儲能模量的影響可用回歸方程表示為式(1)～(3)：

R1=841.7-2 673.0A+2.3B+85.5C-1.0AB-135.0AC-0.2BC-3 380.0A2-5.5×10-3B2-0.5C2

(1)

R2=1 103.9+322.1A+4.3B-6.6C-1.1AB+187.9AC-0.6BC+3 190.3A2+0.1B2+49.2C2

(2)

R3=4 018.2-11 512.2A-14.9B-301.6C+32.2AB+33.6AC-1.0BC+16 934.4A2+0.1B2+49.2C2

(3)

表5 打印時間模型的顯著性分析表

方差來源自由度均方F值P值顯著性Model918 272.76415.02< 0.000 1極顯著A11.22×10-52771.34< 0.000 1極顯著B11 984.545.070.000 3極顯著C132 512.5738.44< 0.000 1極顯著AB1160.360.565 6不顯著AC12 91666.23< 0.000 1極顯著BC11964.450.072 8不顯著A214 810.27109.25< 0.000 1極顯著B2120.380.460.518 2不顯著C2120.380.460.518 2不顯著失擬項398.33殘差744.03總值161.6×10-6方差R297.12%

表6 打印材料消耗量模型的顯著性分析表

方差來源自由度均方F值P值顯著性Model910 607.07561.56< 0.000 1極顯著A164 377.693 408.28< 0.000 1極顯著B115 048.52796.70< 0.000 1極顯著C13 467.78183.59< 0.000 1極顯著AB120.611.090.330 9不顯著AC15 651.28299.19< 0.000 1極顯著BC12 467.61130.64< 0.000 1極顯著A214 285.35226.87< 0.000 1極顯著B2114.370.760.412 0不顯著C2173.393.890.089 3不顯著失擬項322.04殘差718.89總值165 974.74方差R298.97%

經(jīng)回歸擬合后，背吃刀量、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量三試驗因子對響應(yīng)值粗糙度的影響可用回歸方程表示為式(4)：

R4=3.7+2.0D-1.6×10-3E+10.3F-0.4×10-4DE+3.8DF-1.0×10-3EF+0.2D2+2.0×10-7E2+2.5F2

(4)

根據(jù)式(1)的回歸模型作出AB、AC、BC交互作用等高曲線和響應(yīng)曲面圖，如圖4所示。

表7 儲能模量模型的顯著性分析表

方差來源自由度均方F值P值顯著性Model961 881.50885.84< 0.000 1極顯著A112 497.81885.84< 0.000 1極顯著B11.281×1051 833.94< 0.000 1極顯著C189 432.781 280.24< 0.000 1極顯著AB116 635.84238.14< 0.000 1極顯著AC1181.172.590.151 3不顯著BC16 257.6089.58< 0.000 1極顯著A211.207×1051 728.50< 0.000 1極顯著B21535.867.670.027 7顯著C211.632×1052 336.60< 0.000 1極顯著失擬項322.04殘差718.89總值165 974.74方差R298.08%

表8 粗糙度模型的顯著性分析表

方差來源自由度均方F值P值顯著性Model90.15415.78< 0.000 1極顯著D10.411 144.35< 0.000 1極顯著E10.35985.87< 0.000 1極顯著F10.561 555.12< 0.000 1極顯著DE16.400×10-317.880.003 9極顯著DF12.025×10-35.660.049 0顯著EF19.000×10-42.510.156 8不顯著D212.213×10-40.620.457 4不顯著E210.01029.120.001 0極顯著F212.132×10-50.0600.814 2不顯著失擬項35.417×10-4殘差73.579×10-4總值160.084方差R297.96%

由三因素交互作用對打印時間模型顯著性分析可以得出，隨著層厚的增大，打印時間呈減小的趨勢；隨著內(nèi)部填充密度的增大，打印時間呈增大的趨勢；隨著外周輪廓數(shù)的增大，打印時間呈增大趨勢。原因為層厚的增大導(dǎo)致層數(shù)的減少，這使得噴嘴走過的路徑減少，因此打印時間減少。內(nèi)部填充密度與外周輪廓的增大都會導(dǎo)致噴嘴走過路徑的增加，所以打印時間會增加。

同樣地，根據(jù)式(2)、(3)的回歸模型作出AB、AC、BC交互作用等高曲線和響應(yīng)曲面圖，如圖5、6所示。

由三因素交互作用對打印材料消耗量模型顯著性分析可以得出，隨著層厚的增大，打印材料消耗量呈減小的趨勢；隨著內(nèi)部填充密度的增大，打印材料消耗量呈增大的趨勢；隨著外周輪廓數(shù)的增大，打印材料消耗量呈增大趨勢。原因為層厚增大，層間間隙增大，因此打印材料消耗量減小。內(nèi)部填充密度越大，需要越多的打印材料，打印材料消耗量增加。同層外周輪廓間隙為零，因此可將同一層的外周輪廓區(qū)域理解為填充密度為百分之百的區(qū)域，外周輪廓數(shù)的增加相當(dāng)于整個試件的填充密度的增加，因此打印材料消耗量增加。

由三因素交互作用對儲能模量模型顯著性分析可以得出，隨著層厚的增大，儲能模量呈先減小后增大的趨勢。這是因為層厚在剛開始增大時層數(shù)減少，而層間粘結(jié)力較小導(dǎo)致試件儲能模量的減小。但層厚繼續(xù)增大時層數(shù)減小較多，層間粘結(jié)力的影響變小，單層厚度增加，儲能模量再次增加。隨著內(nèi)部填充密度的增大，儲能模量呈減小的趨勢。這是由FDM型3D打印的局限性所致，機(jī)床在打印內(nèi)部填充密度較小的一層后會接著打印一層填充密度為百分之百的中間層。當(dāng)內(nèi)部填充密度較小時，后面打印的中間層會沉積到本層的空隙處使本層更為密實，所以會出現(xiàn)內(nèi)部填充密度較小的試件儲能模量反而大的情況。隨著外周輪廓數(shù)的增大，儲能模量先減小后增大，這是由于外周輪廓所占面積與內(nèi)部填充面積沖突，受交互作用的影響，在外周輪廓數(shù)量剛開始變大時內(nèi)部填充區(qū)域所發(fā)揮的作用減小，試件的儲能模量減小，但隨著外周輪廓數(shù)的增大，外周輪廓區(qū)域所發(fā)揮的作用變大，儲能模量再次增大，所以儲能模量在整個過程呈先減小后增大的趨勢。

根據(jù)式(4)的回歸模型作出DE、DF、EF交互作用等高曲線和響應(yīng)面圖如圖7所示。

由三因素交互作用對粗糙度模型顯著性分析可以得出，隨著背吃刀量的增大，粗糙度值呈增大的趨勢，粗糙度主要受銑削力的影響，銑削力隨著背吃刀量的增大單調(diào)增大，因此粗糙度值也呈現(xiàn)單調(diào)增大的趨勢。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，粗糙度值呈減小的趨勢；隨著進(jìn)給量增大，粗糙度值呈增大的趨勢。

4 工藝參數(shù)優(yōu)化及復(fù)合加工驗證

4.1 工藝參數(shù)的優(yōu)化

以3D打印時間最小、打印材料消耗量最小、儲能模量最大為目標(biāo)，對式(1)、(2)、(3)三個回歸模型對所選取因素進(jìn)行優(yōu)化，得出3D打印工藝參數(shù)的最優(yōu)組合為層厚0.43 mm，內(nèi)部填充密度55.05%，外周輪廓1.39圈。

以粗糙度值最小為目標(biāo)，應(yīng)用式(4)的回歸模型對所選取因素進(jìn)行優(yōu)化，得出銑削工藝參數(shù)的最優(yōu)組合為背吃刀量0.2 mm，主軸轉(zhuǎn)速3 500 r/min，進(jìn)給量0.06 mm。

4.2 復(fù)合加工驗證

采用最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行驗證試驗,試件為人體下頜骨部分結(jié)構(gòu)。如圖8所示為3D打印及銑削復(fù)合加工后的結(jié)果，試件質(zhì)量明顯提高。

試件的3D打印時間、打印材料消耗量、儲能模量分別為453 s、1 003.33 cm3、1 766.65 MPa，預(yù)測值分別為429.309 s、938.305 cm3、1 859.84 MPa，預(yù)測值與實際測量值相差分別為5.59%、6.93%、5.01%。銑削后試件的粗糙度為1.323 μm，與預(yù)測值1.247 μm相差6.1%。3D打印與銑削分別成功地驗證了本研究所建立的模型。

5 結(jié)語

本文以3D打印與銑削的復(fù)合加工方式對PEEK材料人工骨進(jìn)行加工研究，采用響應(yīng)面法對3D打印工藝參數(shù)及銑削工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)過對各響應(yīng)值的顯著性分析可知，文中所選取因素對應(yīng)的各響應(yīng)值影響均為極顯著。經(jīng)過回歸擬合，得到各響應(yīng)值對相應(yīng)因素的回歸方程。針對各回歸模型對所選取因素進(jìn)行優(yōu)化，得出3D打印最優(yōu)參數(shù)組合為層厚0.43 mm，內(nèi)部填充密度55.05%，外周輪廓1.39圈；銑削工藝參數(shù)的最優(yōu)組合為背吃刀量0.2 mm，主軸轉(zhuǎn)速3 500 r/min，進(jìn)給量0.06 mm。并進(jìn)行了驗證試驗，成功驗證了所構(gòu)建模型及優(yōu)化結(jié)果。

[1] 高麗花.溫度波動下骨骼創(chuàng)傷修復(fù)中的聚醚醚酮(PEEK)仿生人工骨3D打印技術(shù)[J].科技通報,2017,33(2):125-128.

[2] 張鈺.聚醚醚酮仿生人工骨3D打印熱力學(xué)仿真及試驗研究[D].長春：吉林大學(xué),2014.

[3] 王鎵垠,柴磊,劉利彪,等.人體器官3D打印的最新進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報,2014,50(23):119-127.

[4] 夏琰.組織工程化納米-羥基磷灰石/聚己內(nèi)酯人工骨支架的制備及其相關(guān)性能的研究[D].上海：第二軍醫(yī)大學(xué),2013.

[5] 張永強(qiáng).熔融沉積制備PHA/β-TCP三維多孔人工骨支架及其生物安全性評價[D].廣州：南方醫(yī)科大學(xué),2017.

[6] 趙帝.仿生人工骨3D打印流場仿真分析及試件力學(xué)性能研究[D].長春：吉林大學(xué),2015.

[7] 劉肖肖,呂福順,劉原勇,等.一種增材與減材復(fù)合制造機(jī)研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2017(6):49-52.

[8] 魏德強(qiáng),李新凱,王優(yōu).基于響應(yīng)面法碳素鋼電子束表面微熔拋光研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2017(3):89-93.

[9] 郭超,侯偉峰,范云鵬,等.響應(yīng)面法優(yōu)化丁香提取物的制備工藝[J].黑龍江畜牧獸醫(yī),2017(4):146-148.

[10] 胡建軍,陳進(jìn),權(quán)凌霄,等.基于響應(yīng)面法的液壓集成塊直角轉(zhuǎn)彎流道優(yōu)化[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2017(9):78-83.

[11] Mohamed O A, Masood S H, Bhowmik J L.Mathematical modeling and FDM process parameters optimization using response surface methodology based on Q-optimal design [J].Applied Mathematical Modelling,2016,40(23-24):10052-10073.

[12] 呂福順,劉肖肖,程祥,等.基于FDM的3D打印參數(shù)優(yōu)化實驗研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2017(9):114-117.