UPC Badacze opracowują nową metodę projektowania porowatych rusztowań do drukowania 3D FDM

Nie zawsze łatwo jest wytwarzać porowate struktury o określonych rozmiarach porów z wykorzystaniem technologii FDM. Trio badaczy z Politechniki Katalońskiej (UPC) w Barcelonie opublikowało artykuł zatytułowany "Drukowanie 3D porowatych rusztowań o kontrolowanej porowatości i wartości wielkości porów", wyjaśniający, w jaki sposób opracowali nową metodę projektowania porowatych rusztowań do drukowania 3D FDM .

Streszczenie brzmi: "W niniejszym artykule przedstawiono metodologię projektowania porowatych struktur do wydrukowania. Najpierw definiuje się model z pewnymi teoretycznymi płaszczyznami równoległymi, które są ograniczone do figury geometrycznej, na przykład dysku. Każda płaszczyzna ma losowo rozmieszczone punkty na niej. Następnie punkty są łączone liniami. Na koniec linie otrzymują pewną objętość i otrzymuje się strukturę. Porowatość struktury zależy od trzech zmiennych geometrycznych: odległości między równoległymi warstwami, liczby kolumn na każdej warstwie i promienia kolumn. W celu uzyskania modeli matematycznych do powiązania zmiennych z trzema odpowiedziami zastosowano porowatość, średnią średnicę porów i wariancję średnicy porów struktur, projekt eksperymentów z trójpoziomową analizą czynnikową. Na koniec przeprowadzono optymalizację wielokryterialną za pomocą metody funkcji celowości. W celu faworyzowania wiązania struktur przez oseointegrację, zakres porowatości między 0,5 a 0,75, wybrano średnią wielkość porów między 0,1 a 0,3 mm i wariancję wielkości porów od 0,000 do 0,010 mm2. Wyniki pokazały, że optymalne rozwiązanie składa się z konstrukcji o wysokości między warstwami 0,72 mm, 3,65 punktu na mm2 i promieniu 0,15 mm. Zaobserwowano, że przy ustalonych wartościach wysokości i promienia trzy odpowiedzi zmniejszają się wraz z liczbą punktów na jednostkę powierzchni. Zwiększenie promienia kolumn implikuje zmniejszenie porowatości i średniej wielkości porów. Zmniejszenie wysokości między warstwami prowadzi do ostrzejszego zmniejszenia zarówno porowatości, jak i średniej wielkości porów. W celu porównania wartości obliczonych i eksperymentalnych, rusztowania wydrukowano w kwasie polimlekowym (PLA) z technologią FDM. Porowatość i wielkość porów mierzono za pomocą tomografii rentgenowskiej. Średnia wartość zmierzonej porowatości wynosiła 0,594, a obliczona porowatość 0,537. Średnia wartość zmierzonej średniej wielkości porów wynosiła 0,372 mm, a obliczona wartość 0,434 mm. Średnia wartość wariancji wielkości porów wynosiła 0,048 mm2, była wyższa niż obliczonajeden z 0,008 mm2. Ponadto zaobserwowano zarówno okrągłe, jak i wydłużone pory w drukowanych strukturach. Obecna metodologia pozwala projektować konstrukcje o różnych wymaganiach dotyczących porowatości i wielkości porów. Ponadto można go zastosować do innych odpowiedzi. Będzie on bardzo przydatny w zastosowaniach medycznych, takich jak symulacja tkanek ciała lub produkcja protez. "

Aby zaprojektować porowate rusztowania z nadrukami 3D, które mogą symulować tkanki, potrzebują siły mechanicznej, która pomaga ochrona i wsparcie; przepuszczalność, która może kierować transportem składników odżywczych; oraz powierzchnia i wzajemne połączenia, które odnoszą się do dobrego wzrostu komórek. Inni badacze próbowali osiągnąć niezbędną porowatość w rusztowaniach, stosując hierarchiczną konstrukcję i optymalizację topologii. Ale zespół UPC poszedł inną drogą.

"W przeciwieństwie do innych metod opartych na strukturach kratownicowych, niniejszy model pozwala uzyskać nieregularne porowate struktury z przypadkowej lokalizacji kolumn w przestrzeni, które pozostawiają puste przestrzenie między nimi. W szczególności struktura została modelowana równoległymi płaszczyznami połączonymi kolumnami, z pewną liczbą kolumn na każdej płaszczyźnie ", napisali naukowcy.

Zastosowali swój model do kształtu dysku i zdefiniowali trzy różne zmienne: < / p>

Następnie zespół wykorzystał analizę wymiarową, aby zmniejszyć liczbę zmiennych procesowych do zaledwie dwóch, i tak zdefiniował ich wymagania "dla konkretnego przypadku zastosowania: zastosowanie porowatej struktury w zewnętrznych warstwach półkulistych protez stawu biodrowego. "

Aby porównać wyniki eksperymentu z obliczonymi obliczeniowo wynikami, naukowcy wykorzystali podwójną wytłaczarkę Sigma 3D z BCN3D do wytworzenia trzech próbek rusztowań z PLA, a następnie zmierzyli ich wielkość porów i całkowitą porowatość. Naukowcy odkryli, że zmierzone wyniki nie różnią się od wyliczonych wyników

"W przyszłych pracach zostaną poruszone inne wymagania dotyczące konstrukcji, związane z wytrzymałością mechaniczną lub transportem masy. Ponadto, aby uzyskać bardziej dokładne i gładkie części, konieczne jest ulepszenie procesu drukowania FDM ", stwierdzili naukowcy.