توصيفگر ها :
قفس همجوشي كمري , چاپ سه‌بعدي , مدل‌سازي رسوب ذوبي (FDM) , چاپ سه‌بعدي پليمر مذاب (LDM) , قالب‌گيري تزريقي (IM) , پليمر آكريلونيتريل-بوتادين-استايرن (ABS) , هيدروكسي آپاتيت (HA)
چكيده فارسي :
امروزه به دليل تصادفات رانندگي، مشكلات جسمي مادرزادي و نيز آسيب‌هاي زندگي ماشيني نياز به جايگزيني ديسك بين مهره‌اي در جوامع صنعتي به طور روزافزون احساس مي‌شود. همچنين به دليل ضرورت تطابق ابعاد قطعه‌ي جايگزين با بدن هر فرد، نياز به فرايند ساخت با قابليت توليد قطعه به صورت شخصي‌سازي شده، ضروري به نظر مي‌رسد. به طور معمول براي ساخت قفس همجوشي كمري از آلياژهاي تيتانيومي و پليمر پيك استفاده مي‌شود. فاصله‌ي بسيار زياد مدول يانگ تيتانيوم با استخوان طبيعي انسان و نيز دماي ذوب بسيار بالا، دشواري فرآوري و قيمت بالاي پليمر پيك آن‌ها را گزينه‌ي مناسبي جهت ساخت قفس همجوشي كمري نشان نمي‌دهد. در اين پژوهش پليمر آكريلونيتريل-بوتادين-استايرن (ABS) و نانومواد سراميكي هيدروكسي آپاتيت (HA) به منظور امكان‌سنجي ساخت قفس همجوشي كمري با نانوكامپوزيت ABS-HA از نظر تركيب مواد، در درصدهاي وزني صفر، 5، 10 و 20 از HA توسط فرآيند چاپ سه‌بعدي مستقيم پليمر مذاب (LDM) با يكديگر ادغام شدند. نمونه‌هاي كشش، خمش، ضربه، فشار و سايش توسط دستگاه LDM توليد شدند. به منظور مقايسه خواص مكانيكي، نمونه‌هاي خالص و نانوكامپوزيتي به ترتيب توسط روش‌هاي FDM و قالب‌گيري تزريقي نيز ساخته شدند. نتايج نشان داد نمونه‌هاي قالب‌گيري شده خواص بهبود‌يافته‌اي را نسبت به نمونه‌هاي چاپ سه‌بعدي ارائه دادند. همچنين نمونه‌هاي LDM خواص مكانيكي بالاتري را نسبت به نمونه‌هاي FDM نشان دادند. نتايج تجربي بدست آمده از خواص مكانيكي نشان داد افزودن HA به ABS منجر به كاهش استحكام كششي، استحكام خمشي، مقاومت در برابر ضربه، كرنش در شكست و مقاومت در برابر سايش نمونه‌هاي نانوكامپوزيتي مي‌گردد. از سوي ديگر مدول كششي، مدول خمشي، زبري سطح، سطح ويژه و انرژي آزاد سطح نمونه‌هاي نانوكامپوزيتي افزايش يافته است. استحكام تسليم فشاري و مدول فشاري كه در اين پژوهش بسيار مورد تاكيد اند، در نمونه‌هاي LDM داراي 20% وزني HA به ترتيب 5/27% و 77% نسبت به نمونه‌هاي خالص افزايش داشتند. طبق نتايج آزمون حرارتي DSC، افزودن نانومواد HA به طور كلي موجب افزايش دماي انتقال شيشه‌اي (Tg) نمونه‌ها در هر سه روش ساخت نانوكامپوزيت شده است. آزمون‌هاي ساختاري SEM و XRD به طور كلي افزايش اندازه‌ي كلوخه‌ها را در ازاي افزايش درصد وزني HA نشان دادند. نتايج گوياي افزايش چگالي نمونه‌هاي نانوكامپوزيتي پودري، چاپ سه‌بعدي و قالب‌گيري شده در ازاي افزايش درصد وزني HA بود. از ديگر اهداف اين پژوهش ايجاد سازگاري زيستي براي نوع صنعتي (ارزان‌قيمت) پليمر ABS بود. نتايج تجربي نشان داد، افزودن 20% وزني HA به پليمر ABS موجب افزايش آب‌دوستي سطح ABS و نيز سازگاري زيستي نانوكامپوزيت ABS-HA در بدن شده است.
چكيده انگليسي :
Today, due to driving accidents, congenital physical problems and machine life injuries, the need for replacing the intervertebral disc is increasing in industrialized societies. Also, because of the necessity of adapting the dimensions of the replacement part to each person's body, the need for a manufacturing process with the ability to produce customized pieces seems necessary. Typically, titanium alloys and peak are used to fabricate the lumbar fusion cages. The very large distance between the Young's modulus of titanium and the natural human bone, as well as its very high melting temperature, the difficulty of processing and the high price of Peak do not make them a suitable candidate for development of lumbar fusion cages. In this research, Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (ABS) and Hydroxyapatite (HA) ceramic nanoparticles were mixed using 0, 5, 10 and 20 wt% of HA, to assess the feasibility of fabricating ABS/HA based lumbar fusion cages from material aspect using Liquid Deposition Modeling (LDM). LDM was used to fabricate 3D printed specimens for the tensile, flexural, impact, compressive and wear analyses. In order to compare the mechanical properties, the ABS and nanocomposite samples were also fabricated by FDM and IM methods, respectively. The results indicated that the IM processed specimens led to mechanical performance greater than those processed by the 3D printed samples. Also, LDM samples demonstrated higher mechanical properties than the FDM samples. The experimental results further showed that the addition of HA to ABS polymer resulted in a decrease in tensile strength, flexural strength, impact resistance, elongation at break and wear resistance of nanocomposite samples. On the other hand, the tensile modulus, flexural modulus, surface roughness, specific surface area and surface free energy of nanocomposite LDM and IM processed samples were increased. The compressive yield strength and compressive modulus of 20 wt% loaded LDM specimens, as two key parameters in this work, increased by 27.5% and 77% with respect to the pure parts, respectively. According to the results of DSC thermal test, the incorporation of HA, in general, increased the glass transition temperature regardless of the method used. The structural and morphological tests such as XRD and SEM generally showed an increase in the size of the lumps against the increase in HA content. It was shown that the HA increased the density of powdered, 3D printed and molded samples. Another goal of this research was to introduce biocompatibility to the industrial (inexpensive) ABS. The experimental results confirmed that the addition of 20 wt% of HA to the ABS increased the hydrophilicity of the ABS surface as well as the biocompatibility of the HA-ABS parts in the body.
