PEEK材料的人工顱骨多點成型工藝參數優化

胡章詠，劉 志，董守勛，劉 奇

（黃岡師范學院機電與汽車工程學院，湖北 黃岡 438000）

1 前言

人體骨骼創傷修復一直備受關注，醫療領域對人工骨需求量不斷增加。特種工程塑料聚醚醚酮（poly-ether-ether-ketone，簡稱PEEK）具有優異的耐磨性、生物相容性、化學穩定性以及楊氏模量接近人骨等優點，適合替換人骨長期植入人體[1-2]，并在動物的骨骼修復實驗[3]和人類骨科臨床上均有大量實踐[4]。

多點成型是一種先進的板材三維曲面數字化柔性成型技術，模具的離散化是板材柔性成型的關鍵，它將傳統的整體模具離散成一系列規則排列、高度可調的基本體，如圖1所示。通過控制其軸向位置構造出成形面，實現板材三維曲面的柔性成型方法[5-7]。多點成型技術發展迅速，其調形精度和重構模具的可靠性均取得了較大的進步[7-9]。

圖1 傳統模具與多點成型基本原理Fig.1 The Basic Principle of Traditional Mould and Multi-Point Forming

塑料熱壓成型一般做法是采用傳統模具成型，個性化生產成本非常高[10]。PEEK常見的成型方式主要是注射成型和擠出成型，而且也有報道將其應用于增材制造領域[11]，本研究將多點成型熱壓技術應用于PEEK材料的人工顱骨生產中，可以縮短產品生產周期，降低生產成本，實現產品的個性化定制。工藝參數是多點成型質量的重要影響因素，合理選擇工藝參數是多點成型的關鍵問題，采用實驗的方法來選擇合適的工藝參數費時、費力、費錢，所以采用有限元數值模擬仿真技術是獲取多點成型規律的經濟有效手段之一[7]，PEEK 材料的本構模型建立和有限元建模過程中的適當簡化處理是進行數值模擬的難點。本項研究工作將采用Abaqus對不同工藝參數下的PEEK材料多點熱成型進行數值模擬仿真，獲得最佳成型工藝參數。

2 PEEK材料本構模型的建立

采用Victrex公司提供的PEEK450G標準拉伸試樣（試樣標準為ISO 527－2 1A型）。首先在準靜態條件（0.01s-1）下進行各個溫度的拉伸實驗，然后在PEEK 玻璃化溫度以上進行了變溫變速率拉伸實驗。實驗結果，如圖2、圖3所示。

圖2 0.01s-1各溫度應力－應變曲線Fig.2 0.01s-1 Stress-Strain Curves at Various Temperatures

圖3 等溫（165℃）變拉伸速率應力－應變曲線Fig.3 Constant Temperature（165℃）Rate Change Tensile Stress-Strain Curve

以165℃作為參考溫度，334℃為熔點溫度，采用Johnson-Cook本構模型（簡稱J-C本構模型）進行數據處理得到熱成型條件下PEEK 材料的J-C 本構模型為[12]：

式中：σ—Von Mises 應力；

ε—等效塑性應變；

—塑性應變率（）；

—J-C模型的參考應變率，一般取準靜態時的應變率；

T*—無量綱化的溫度項，T*=(T-T0)/(Tm-T0)；

Tm—熔點溫度；

T0—參考溫度。

3 多點成型工藝參數優化數學模型

多點成型工藝對產品制件會產生輪廓的差異和壓痕、制件壓制失穩導致起皺等表面形貌缺陷[13]，如圖4所示。為了使多點成型PEEK材料人工顱骨在約束條件下的成型結果更接近理想顱骨模型表面形貌，將理想顱骨模型表面形貌與成型工藝條件下顱骨模型表面形貌的誤差設定為目標函數，其表達式設定如下：

圖4 多點成型表面缺陷示意圖[13]Fig.4 Schematic Diagram of Surface Defects of Multi-Point Forming

式中：Zerr—理想顱骨模型表面形貌與成型工藝條件下顱骨模型表面形貌的誤差平方平均值；

zobj(xi，yj)—在坐標(xi，yj)下理想顱骨模型表面高度值；

z(xi，yj)—在坐標(xi，yj)下多點成型工藝顱骨模型表面高度值。

研究表明：成形溫度和成形壓力是多點熱成形的重要工藝參數，也是需要優化的主要變量，所以將成型溫度、成型壓力和制件壓制失穩導致起皺表面形貌缺陷的因素設定為約束條件[14]，數學表達式如下：

式中：Tg＜T＜Tf—成型溫度范圍約束在玻璃態轉變溫度Tg和粘流態轉變溫度Tf的范圍之間；0 ＜N＜Nmax—成型壓力約束在多點成型熱壓機的最大許用壓力Nmax范圍之內；ε1，ε2?Ω—第一主應變ε1和第二主應變ε2必須在PEEK的熱成形極限圖許用成型極限范圍Ω區間之內[15]，如圖5所示。

圖5 PEEK熱成形極限圖Fig.5 PEEK Thermoforming Limit Diagram

4 有限元仿真模型的建立

4.1 多點成型工藝參數優化的有限元力學基礎

在優化模型的目標函數中，理想顱骨模型表面形貌尺寸由給定的顱骨數字模型可以直接測出。成型工藝條件下顱骨模型表面形貌尺寸，采用有限元的方法對多點成型PEEK材料人工顱骨在不同工藝條件下的成型情況進行數值模擬。考慮數值運算的效率和準確性，做如下假設：

（1）PEEK 板料成型滿足J-C 本構方程的彈塑性變形過程，模具及相關零部件看成是剛體；（2）將成型過程載荷為靜力載荷，模擬過程為靜態分析模型；（3）成型過程為等溫成型過程，即將模擬過程是在設定溫度下的應力-應變行為。

應用有限元原理將模具和PEEK板料進行離散，然后由單元剛度矩陣組裝總體剛度矩陣，單元節點力{P}e矩陣集合成總載荷矩陣{P}，從而得到多點成型PEEK 材料人工顱骨成型過程中的節點位移{u}和總載荷之間的方程組：式中：—總體剛度矩陣；{u}—節點位移；{P}—總載荷矩陣。

由于PEEK材料是的本構方程是一個非線性的方程，所以導致總體剛度矩陣為非線性，而且在多點熱壓成型過程中PEEK板料的變形{u}也是非線性的，所以以上方程組是一個非線性的方程組，Abaqus中采用的是Newton-Raphson迭代算法進行求解。

4.2 多點成型有限元的建模

利用Abaqus軟件建立人工顱骨多點成型三維模型，如圖6所示。

圖6 人工顱骨多點成型三維模型Fig.6 Artificial Skull Multi-point Forming 3d Model

其中基本體是直徑為14mm半球形狀的剛體，為了節省CPU時間，提高數值計算效率，僅保留了模型中與彈性墊接觸的基本體端部部分，而不將基本體桿部計入模型中，按照10×10的矩陣排列，如圖7所示。

圖7 基本體陣列示意圖Fig.7 Basic Body Array Diagram

模型定義三種材料屬性，分別是模具鋼、硅膠彈性墊和PEEK材料。模具鋼采用線彈性模型描述材料特性；硅膠彈性墊板用兩個Mooney-Rivlin常數來描述材料特性[16]；PEEK材料采用Johnson-Cook本構模型來描述材料特性。多點模具基本體的z軸坐標數據根據顱骨模型的原始文件，利用UG軟件測量獲得，模型文件，如圖8所示。

圖8 顱骨模型原件圖Fig.8 Original Skull Model

動模板、PEEK 板、硅膠彈性墊采用八節點六面體單元C3D8R劃分網格，上模固定套和下模固定套采用剛性的結構化、四節點四面體殼單元C3D4 劃分網格，整套模具完成網格劃分后，如圖9所示（除去下模固定套）。

圖9 多點模具網格劃分圖Fig.9 Finite Element Mesh Partition Diagram of Multi Point Die

4.3 多點無模成型工藝參數優化的結果

采用基本體群為10×10的多點模具，分別選擇3個壓力參數和加熱溫度參數進行有限元模擬，觀察模擬所得PEEK板材的變形情況。采用控制變量的方法，在溫度為200℃，250℃，300℃條件下，分別進行施加載荷為20t，30t和40t數值模擬實驗。實驗一共為9組，如表1所示。模擬結果，如圖10所示。優化目標函數的結果，如表2所示。

表1 工藝參數分組模擬情況Tab.1 Process Parameter Grouping Simulation

表2 不同工藝參數條件下目標函數的結果Tab.2 Results of Objective Function Under Different Process Parameters

圖10 PEEK板材數值模擬結果Fig.10 PEEK Plate Numerical Simulation Results

4.4 成型壓力參數對成型的影響

依據控制變量法，在相同的加熱溫度下，比較模具壓力對PEEK板材成型結果的影響，則將實驗一、二、三，實驗四、五、六，實驗七、八、九分別并合并為三組，如圖10所示。將其每行歸為一組），分析隨著模具壓力的增大，PEEK板材成型質量變化。

（1）在200℃條件下，隨著載荷從20t上升到40t，PEEK 板材在與基本體間接接觸的部位應力集中更加明顯，板材整體的應力分布不均勻程度加強，表面的平整度變差，壓痕由不明顯變為嚴重，甚至有明顯壓痕出現。由于200℃時PEEK板成型的抗力較大，所以壓痕表現的不明顯，這時主要缺陷為輪廓誤差，所以隨著壓力的增大，其目標函數值逐漸減小，在壓力增大時，板材與模具基體的接觸表現得越來越好，目標函數減小的較快，但是目標函數增加到40t時，由于有明顯壓痕出現，所以目標函數下降變得緩慢。在200℃條件下總體來說板材整體輪廓模型在30t條件下最好，20t條件下變形不夠完全，40t條件下板材有明顯壓痕出現。

（2）在250℃條件下，根據PEEK板料的本構方程可以看出成型抗力減小，成型性能表現較好，成型質量得到提高。隨著載荷從20t上升到40t，板材整體的應力分布始終較為均勻，板材也都沒有出現明顯的應力集中部位。在20t和30t條件下，板材表面的平整度良好，壓痕由不明顯變為明顯。在40t條件下，板材上下表面都有壓痕出現，下表面壓痕甚至呈現為凹坑形式。板材整體輪廓模型在30t條件下最好，20t條件下變形不夠完全，40t條件下板材已經被壓壞。

（3）在300℃條件下，PEEK板料出現軟化，隨著載荷從20t上升到40t，PEEK板材體的應力分布不均勻程度加強，在與基本體間接接觸的部位應力與周圍明顯不同，表面的平整度變差，壓痕嚴重，板材被破壞程度加劇。板材整體輪廓模型在20t條件下最好，30t條件下開始出現局部凹陷，40t條件下整塊板材已經完全被壓壞，底部凹坑遍布。

成型壓力較低時，模具成型不夠充分，壓力過大時又會產生明顯壓痕，因此最優成型壓力參數應該選擇中間值30t最為合適。

4.5 加熱溫度參數對成型的影響

依據控制變量法，在相同的模具壓力下，比較加熱溫度對PEEK板材成型結果的影響，則將實驗一、四、七，實驗二、五、八，實驗三、六、九分別并合并為三組（如圖10，將其每列歸為一組），分析隨著模具壓力的增大，PEEK板材成型質量變化。

（1）在20t 條件下，隨著加熱溫度從200℃上升到300℃，PEEK板材整體殘余應力分布逐漸變得更小更均勻，應力集中現象依次減輕，但是由于溫度不斷增加，板材逐漸變軟，壓痕依次加深。板材整體成型完成度隨溫度升高而變好，壓痕加深是因為壓力的增大所導致，在20t條件下，由于成型壓力較小，在不改變成型壓力的條件下，升高溫度能夠明顯改善成型性能。

（2）在30t 條件下，隨著加熱溫度從200℃上升到300℃，PEEK 板材整體殘余應力逐漸變小，成型完成度依次提高，但是200℃條件下由于板材較硬出現了明顯的應力集中，300℃條件下由于板材較軟，壓痕已經以凹坑的形式出現。同樣板材優化的目標函數值也是在250℃條件下最小。

（3）在40t條件下，隨著加熱溫度從200℃上升到300℃，成型完成度依次增加，但是由于成型壓力較大，隨著溫度的升高，PEEK板材出現了不同程度的損壞，壓痕也變得十分嚴重。整體殘余應力隨溫度升高而降低，壓痕的深度也隨板材變軟而加深。

加熱溫度較低時，模具成型不夠充分，溫度過高時又會產生明顯壓痕，因此最優加熱溫度參數應該選擇中間值250℃最為合適。

5 結論

在爭取獲得較高PEEK板材成型完整度的基礎上，以表面形貌的誤差為目標函數，綜合分析模具壓力和加熱溫度對板材成型造成的影響，可以發現，當載荷為20t時不能使板材完全變形，載荷為40t時又會將板材壓壞，因此合理的載荷參數應選擇30t。加熱溫度為200℃時板材較硬出現了明顯的應力集中，韌性不好，容易在使用過程中產生疲勞損壞，加熱溫度為300℃時板材較軟，會導致明顯的壓痕，甚至以凹坑的形式呈現，直接導致板材損壞，因此溫度應選擇250℃較為合適。

綜上所述，采用模具壓力為30t，加熱溫度為250℃的模具工藝參數作為最優參數，此時表面形貌的誤差為目標函數值最小為1.28mm。