针对挤出式FDM 3D打印喷头结构进行优化设计。采用数值模拟方法,建立了喷头有限元分析模型,分析了不同的加热套材料、不同加热棒数量、不同材料腔直径对喷头温度分布的影响规律,确定了优化的结构,并制作挤出式FDM3D打印喷头。用红外热像仪对喷头温度分布进行了测量,喷嘴处实测温度和模拟温度偏差为0.59℃,推杆与材料腔的配合间隙在预测范围之内。在150℃加热条件下采用PCL(聚己内酯)颗粒材料进行挤出测试,出丝过程连续、均匀、推杆上下运动灵活、材料腔内没有材料溢出,推杆及材料腔的配合间隙满足设计要求。

这里研究了FDM式3D打印PLA/HA复合材料的力学性能。以羟基磷灰石(HA)在聚乳酸(PLA)基体中的含量分别为0,5%,10%,20%和30%的PLA/HA复合材料丝材作为实验原料,使用FDM式3D打印机以往复扫描和交叉扫描两种3D打印扫描方式分别打印具有不同HA含量的拉伸和三点弯曲试件,然后对试件进行力学性能测试。结果表明,采用交叉扫描方式打印,且HA含量为10%时,试件的抗拉强度最大,为54.90MPa。采用往复扫描方式,HA含量为10%时,试件的抗弯强度最大,为96.32MPa。在HA含量相同条件下,采用往复扫描方式制备试件的抗弯强度总是高于交叉扫描方式制备试件的抗弯强度。

将逆向工程与3D打印技术相结合,研究了用于治疗肱骨头缺损的定制化骨水泥替代物模具的设计与制备方法。对一位肱骨头缺损的患者通过CT扫描获得患侧与健侧的肱骨数据,在医学图像处理软件中重构出两侧肱骨的三维模型,并根据人体的对称性、相似性的特点,将患者健侧肱骨头的三维数据以矢状面为对称平面进行镜像处理,替代患侧缺损肱骨头的三维模型。在逆向工程软件中利用镜像替代后的三维模型,通过布尔运算求差的方式设计出内部型腔为肱骨头形状的定制化模具,并选择合适的剖分面将模具分为三个部分。在手术中利用3D打印的模具成功制备了混有抗生素的骨水泥替代物,术后6个月的随访结果表明骨水泥植入物位置良好、患者的肩功能已有明显改善。