تطوير عملية التشكيل التزايدي غير التقليدية في التطبيقات الطبية

الباحث

ميثم سعد علي

المشرف

وسام كاظم حمدان

الجامعة

الجامعة التكنولوجية

الكلية / القسم

قسم هندسة الانتاج والمعادن / هندسة الانتاج والمعادن

الشهادة

دكتوراه

السنة

2022

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Incremental sheet forming;Medical applications;Cranial implants;Non-conventional forming

تشكيل الصفائح التزايدية هي تقنية تم تنفيذها بشكل أساسي على الصفائح المعدنية خلال العقدين الماضيين. ومع cll فإن استخدامه في الصفائح البوليمرية حديث ap يتم تطبيق تشكيل الصفائح التزايدية بغض النظر عن المادة الخام المستخدمة بسبب مرونتهاء وانخفاض تكاليف الآلة والأدوات، وانخفاض إنتاج الدفعات، والقدرة على إنتاج أشكال هندسية معقدة، وقدرة عالية على التكييف. لذلك؛ يبدو أن تشكيل الصفائح التزايدية هي الطريقة المثلى لتصنيع الاجزاء المفقودة. بالمقارنة مع عمليات تشكيل الصفائح التقليدية، فإن تشكيل الصفائح التزايدية هو طريقة تشكيل مرنة يمكن أن تصل إلى قابلية تشكيل كبيرة بسبب التشوه الموقعي. في تطبيقات تقويم العظام، يعد البولي إيثير إيثير كيتون بديلاً جيدًا لسبائك التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ نظرًا لخصائصه الميكانيكية الفائقة وقابليته على إختراق الأشعة السينية. الهدف الأساسي من هذه الأطروحة هو إنشاء عملية تشكيل صفائح تزايدية غير تقليدية لتحسين تشكيل المواد التي لها قابلية تشكيل ضعيفة ودقة منخفضة الأبعاد في درجة حرارة الغرفة. هذا التطور تضمن دمج نظام حراري يعتمد على نقل الحرارة من خلال الإشعاع لإعطاء انتقال متماسك ومتناسق أثناء التشكيل الساخن للمنتجات عالية التخصيص. ضمن المجال التكنولوجي للنموذج الأولي السريع؛ تم استخدام تقنية التشكيل التزايدي المنفرد لاستكشاف قدراتها على تصنيع الغرسات القحفية من صفائح البولي إيثير إيثير كيتون المتوافق حيوياً. صفيحة البولي إيثير إيثير كيتون تعتبر Le gi جديدًا من المواد لتصنيع الزرعات الطبية باستخدام عملية تشكيل الصفائح التزايدي. تهدف هذه الرسالة أيضًا إلى تطوير الدراسات والتجارب اللازمة للوصول إلى مستوى le من المعرفة بالعملية وتقديم مساهمات كبيرة في هذا المجال. لتحقيق هذا الهدف, تم تقديم منهجية ALLE لتصميم وتشكيل الزرعات القحفية القائمة على البوليمر من الأشعة المقطعية للجمجمة باستخدام تقنية تشكيل الصفائح التزايدي المبتكرة. وتضمنت المنهجية قسمين: الأول يحتوي على إعادة بناء وتصميم غرسة الجمجمة التالفة التي تبدأ من التصوير المقطعي المحوسب إلى نظام التصميم بمساعدة الكمبيوتر لإنشاء نموذج رقمي. القسم الثاني يتضمن تصنيع الغرسات باستخدام نظام التصنيع بمساعدة الكمبيوتر Gall, ٠ يتيح التصنيع الفعال لزرعة مخصصه لمنطقة معينة من من خلال سلسلة من التجارب لتشكيل الزرعة القحفية من صفائح البولي إيثير إيثير كيتون، تم جمع وتقييم قوى ،Sill خشونة السطح. الدقة الهندسية، الالتواء، الصلادة وتوزيع السمك. خلال عملية التشكيل، تم استنتاج ومناقشة التأثيرات المختلفة لدرجة حرارة التشكيل؛ مسار الأداة، الخطوة العمودية ، هندسية اداة التشكيل ومعدل التغذية. استخدم نهج تحليل التباين لدراسة وتقييم تأثير متغيرات العمليات على نتائج الأجزاء المصنعة بواسطة عملية التشكيل التزايدية المنفردة الجديدة ؛ تحليل كمي وتحليل نوعي. تم تطبيق تحليل العلاقة الرمادية لتحديد الأمثلية للمعلمات المهمة التي تشارك في إنتاج زرعات الجمجمة القائمة على اساس البولي إيثير إيثير كيتون في عملية التشكيل التزايدية الساخنة. الدراسات التجريبية أشارت إلى أن تقنية التشكيل المقترحة تعطي مزايا اقتصادية وتكنولوجية لتصنيع المنتجات عالية التخصيص القائمة على البولي إيثير إيثير كيتون. أظهر تحليل النتائج التجريبية أن مسار الأداة كان له تأثير كبير على زاوية الالتواء بنسبة 785.02، وكان لدرجة الحرارة تأثير كبير على الدقة الهندسية والسمك النهائي بنسبة 36.74/ و 225.13 على التوالي. القيمة التزايدية أثرت على الصلادة وخشونة السطح والدقة الهندسية والسمك النهائي بشكل واضح بنسبة 56.94/ و 7.43.59 و 133.83 و 221.56 على التوالي. بينما أثر شكل نهاية الأداة على قوة التشكيل بنسبة 52.6/ ولم يكن لمعدل التغذية تأثير بارز على نتائج العملية. بالإضافة إلى ذلك، تم تحقيق أفضل النتائج عند استخدام المعلمات المثلى 0 درجة مئوية، ومسار الأداة المتناوب، والقيمة التزايدية 0.1 cable والأداة ذات نهاية الكرة الدوارة، ومعدل التغذية 1000 ملم/دقيقة.

Incremental Sheet Forming (ISF) is a technique that has been primarily implemented on metallic sheets during the prior two decades. However, its usage in polymeric sheets is quite recent. ISF is applied regardless of the raw material utilized because of its flexibility, low costs of the machine and tooling, lower batch production, ability to produce complicated geometry shapes, and a high capacity of customization. Therefore, ISF appears to be the optimal method for prosthesis fabrication. In comparison to traditional sheet forming processes, incremental sheet forming (ISF) is a pliable forming method that can reach greater formability due to local deformation. In orthopedic applications, polyether-ether-ketone (PEEK) is a good substitute for titanium alloy and stainless steel due to its superior mechanical characterizes and x-ray penetrability. The primary goal of this dissertation is to establish a non-conventional ISF process to improve forming of materials that have poor formability and low dimensional accuracy at room temperature. This development included incorporating a thermal system based on heat transfer through radiation to give a coherent and consistent transmission of heating during the hot forming of highly customized products. Within the technology scope of rapid prototyping, a developed Conventional Single Point Incremental Forming (C-SPIF) technique is used to explore its abilities to manufacture cranial implants from biocompatible-PEEK sheets. PEEK sheet considers a new type of materials to manufacture the medical prostheses by ISF process. This dissertation also aims to develop studies and experiments needed to reach a high level of knowledge of the process and to provide significant contributions to this field. To achieve this goal, a comprehensive methodology for designing and forming polymer-based cranial implants from CT scans of the skull utilizing the innovative ISF technique was presented. The methodology included two sections. The first contains the reconstruction and designing of the implant of the damaged skull that begins from a Computerized Tomography (CT) into a Computer-Aided Design (CAD) system to generate a CAD model. The second section involves manufacturing implants using Computer-Aided Manufacturing (CAM) system, which enables the effective fabrication of a customized prosthesis for a certain cranial region. By means of a sequence of experiments forming PEEK sheets to the cranial implant, the forming forces, surface roughness, geometric accuracy, twisting, hardness and thickness distribution were collected and evaluated. During the forming process, various roles of the forming temperature, tool path, step down, forming tool geometry and feed rate were detected and discussed. The analyses of variance (ANOVA) approach is utilized to study and asses the influence of process variables on the outcomes of manufactured parts by a new SPIF process; systematic quantitative and qualitative analysis. The gray relational analysis is applied to identify optimization of the significant parameters that participate in the production of PEEK-based cranial implants in the hot ISF process. Experimental studies indicated that the proposed forming technique gives economic and technological advantages to manufacturing PEEK-based high customized products. An analysis of experimental results showed that tool path had a significant impact on twisting angle by 85.02%, and temperature had a significant impact on geometrical accuracy and final thickness by 36.74% and 25.13% respectively. The hardness, surface roughness, geometric accuracy, and final thickness were all clearly affected by the incremental value by 56.94%, 43.59%, 33.83%, and 21.56%, respectively. While the tool end shape affected the forming force by 52.6% and the feed rate didn’t have a prominent effect on the process results. In addition, the best results were achieved when using optimal parameters 130°C, alternating tool path, 0.1 mm incremental value, tool with roller ball end, and 1000 mm/min feed rate.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب