面向增材制造的骨植入非均质多孔结构建模方法

【作者】 王晨光； 樊庆文； 沈显峰；

【机构】 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所； 四川大学制造科学与工程学院；

【摘要】 随着医疗领域的发展,骨植入体成为一种新型医用材料,为提供近真实细胞生长环境,骨植入体材料一般需具备多孔、孔隙形状不规则、孔隙渐变、孔隙率可调等结构特征。均质多孔结构与骨松质形貌结构差别较大,与骨骼及组织细胞的相容性较差,不利于组织生长,类骨松质的非均质多孔结构具备更高优势,现已成为该领域研究热点之一。目前骨植入体多孔结构设计建模尚缺乏满足孔隙形状不规则、孔隙率可调、孔隙三维渐变等要求的设计方法,基于QSGS随机生成法设计的多孔结构在孔隙率可调方面存在不足,基于TPMS单元融合的建模方法融合方向存在限制且单元空间位置有限,基于分型理论设计的多孔结构不易实现三维渐变的结构要求。选区激光熔化技术在成形具备复杂内部结构的多孔件方面较传统加工技术具有明显优势,成形精度高,易实现微米级孔隙结构的成形,为骨植入多孔结构的制造提供了新工艺方法。研究一种面向增材制造的骨植入非均质多孔结构的设计方法,对于增材制造及医疗领域的发展具有重要意义。基于胞元理论,采用Creo3.0计算机辅助设计软件,设计一种非均匀多支梁胞元结构,将胞元中的12个尺寸参数建立尺寸链关系,沿X、Y、Z轴方向阵列并连接非均匀胞元,将阵列参数及胞元尺寸参数变量化,从而实现该非均质多孔结构的空间范围、孔隙率等的按需调整与重建。将非均质胞元的尺寸链末端设为仅一个主动变量LB,根据直接测量法得到的骨微观结构孔隙率范围40%-75%,模拟了驱动变量LB为6值时对应的73.30%孔隙率,驱动变量LB为46值时对应的61.70%孔隙率;选取了11组驱动变量LB与对应孔隙率的值进行函数关系拟合,确定了符合孔隙率在40%-75%范围内及孔隙率与驱动变量的二阶函数关系,参考该函数关系,可以确定需求孔隙率结构所对应的驱动变量值,实现了孔隙率可调的目标。研究结果一种具备多孔、孔隙形状不规则、孔隙渐变、孔隙率可调等结构特征的骨植入非均质多孔结构建模方法,对于促进医疗及增材制造领域的发展具有重要意义。更多还原