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面向植入体的多孔结构建模及激光选区熔化直接制造研究

作　者: 肖冬明
导　师: 杨永强
学　校: 华南理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 激光选区熔化多孔植入体多孔结构建模隐式曲面形函数
分类号: TG665
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

传统方法制造的金属植入体因为自身过重和刚度过大容易引起病人的不适,且实心的结构导致植入体-宿主骨之间无相互啮合固定,容易引起松脱,导致植入体使用寿命减少。为了获得更好生物力学性能的植入体,可以将其表面或者全部模型设计成多孔结构。虽然目前多孔结构的设计和制造／制备方法有很多,但是大多都建立在传统制造方法的基础上,随着增材制造(Additive Manufacturing, AM)技术的发展,更大设计自由度的多孔结构可以被制造出来,包括其中一些精细微小的几何特征。所以更多地考虑仿生的结构和力学参数,对植入体进行多孔化设计和制造是一项非常有意义的研究。本文建立在激光选区熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术的基础上,研究了基于该技术的多孔结构设计规则,提出了一种由隐函数表示的隐式曲面建构多孔单元的方法,并通过形函数控制的方法对多孔单元进行造型变换构建了空间域的多孔结构,对它们进行结构和力学参数表征,开发了多孔结构建模系统,最后通过SLM技术直接制造多孔植入体,验证了本文建立的方法和技术的可行性。主要研究内容及成果包括以下几方面：(1)分析了SLM加工多孔结构的尺寸精度、轮廓精度和几何特征成型分辨率等几何限制,并对激光深穿透、光斑尺寸等技术约束进行了讨论；研究了通过轮廓偏移控制孔隙率的方法；对构成多孔结构的基本元素——支柱的可加工性进行了分析。建立了基于SLM技术的多孔结构设计规则。在规则指导下,可以在设计阶段对多孔结构的结构参数进行控制,使其满足SLM工艺要求,并通过控制工艺参数来提高多孔结构的可加工性。(2)提出了一种由隐函数表示的隐式曲面建构多孔单元的方法,通过定义不同的空间实值函数可以定义不同形状和孔隙率的多孔单元。研究了隐函数在多孔单元建模中的关键技术,包括曲面边界表达模型的生成、曲面求交、曲面三角化和STL模型的提取等。该建模方法具有高效性和可控性的特点,可以与现有设计方法相结合,为多孔植入体的设计提供一种新的方法。(3)利用有限元中六面体单元对植入体局部或者全部模型进行网格划分,通过形函数控制的方法,利用空间域中8结点六面体单元信息将参数域中母单元进行映射,插值出空间域中不规则六面体子单元。并对空间域中所有子单元的STL模型进行合并,删除重叠三角面片,使相邻子单元成为一体的连通实体,从而构建出连续的多孔植入体模型。(4)研究了对多孔结构进行结构和力学参数表征的方法,利用直接表征法和网格表征法对结构参数进行了估测：利用Micro-CT对SLM成型的多孔钛进行结构性能测试,并通过压缩试验法计算了其弹性模量。利用表征法、有限元分析及测试得到的值对结构和力学参数分别进行计算采样,建立了P单元隐函数的系数与其对应的多孔结构的结构参数和力学参数关系的响应面模型,利用该模型可以对其结构参数和力学参数进行估测。(5)建立在前述理论和方法的基础上,在VC++环境下结合OpenGL开发了多孔结构建模系统,并建立了与Ansys的数据接口,系统可以读入从Ansys导出的六面体和四面体单元和节点信息。建立在设计规则的基础上,利用多孔结构建模系统设计并通过SLM技术直接制造了两种典型的多孔植入体,零件成型质量较好,孔径在600-1000μm之间,弹性模量与骨骼相当,验证了本文建立的方法和技术的可行性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第一章绪论  15-33
  1.1 课题背景及意义  15-16
  1.2 金属植入体的主要性能参数及影响分析  16-22
    1.2.1 植入体的性能要求  16-18
    1.2.3 多孔植入体的结构和力学参数  18-20
    1.2.4 结构参数对力学性能的影响  20-21
    1.2.5 结构参数对渗透性的影响  21-22
  1.3 金属多孔植入体的制造/制备方法  22-26
    1.3.1 传统的金属多孔植入体制造/制备方法  22-23
    1.3.2 金属多孔植入体的增材制造方法  23-26
  1.4 传统的多孔结构的设计方法及新的设计理念  26-30
    1.4.1 传统的多孔结构设计方法  26-29
    1.4.2 增材制造技术为多孔结构带来新的设计理念  29-30
  1.5 课题概述  30-31
    1.5.1 研究目标  30
    1.5.2 研究思路  30-31
  1.6 全文内容组织结构  31-33
第二章基于激光选区熔化的多孔结构设计规则  33-51
  2.1 基于SLM的多孔结构设计一般规则  33-40
    2.1.1 SLM的技术原理约束  33-38
    2.1.2 通过轮廓偏移控制孔隙率  38-40
  2.2 多孔结构的可加工性分析  40-50
    2.2.1 层间重叠长度  41-44
    2.2.2 层间重叠面积  44-45
    2.2.3 悬垂面积  45-46
    2.2.4 支柱的可加工性分析  46-50
  2.3 本章小结  50-51
第三章基于隐函数的多孔单元建模  51-74
  3.1 隐式曲面  51-54
    3.1.1 隐式曲面的表达  51-52
    3.1.2 隐式曲面和参数曲面的关系  52-53
    3.1.3 隐式曲面和参数曲面的相互转换  53-54
  3.2 隐式曲面的数学变换  54-62
    3.2.1 布尔运算  54-56
    3.2.2 坐标变换  56-57
    3.2.3 基本变换  57-60
    3.2.4 基本隐式曲面的数学表达  60-62
  3.3 构造封闭的曲面单元  62-63
  3.4 曲面单元三角化  63-70
  3.5 多孔单元模型的提取  70-73
    3.5.1 STL模型的定义与规则  70-72
    3.5.2 多孔单元模型的拓扑重构  72-73
  3.6 本章小结  73-74
第四章形函数控制的多孔结构建模  74-89
  4.1 形函数控制的多孔单元造型变换  74-82
    4.1.1 参数域中母单元的构建  74-77
    4.1.2 等参单元法  77-80
    4.1.3 形函数控制的子单元  80-82
  4.2 多孔结构建模方法  82-88
    4.2.1 模型的六面体网格划分  82-84
    4.2.2 子单元模型合并  84-87
    4.2.3 多孔结构的构建  87-88
  4.3 本章小结  88-89
第五章多孔结构的结构和力学参数表征  89-124
  5.1 表征单元体的选取  89-92
    5.1.1 非周期性和周期性多孔结构  89-91
    5.1.2 等效周期性多孔结构  91-92
  5.2 多孔单元结构参数的表征  92-104
    5.2.1 直接表征法  93-100
    5.2.2 网格表征法  100-104
  5.3 多孔结构力学参数表征  104-110
    5.3.1 多孔结构弹性常数的确定  104-105
    5.3.2 多孔结构等效弹性模量的预测  105-107
    5.3.3 多孔结构的拓扑优化设计验证  107-110
  5.4 SLM成型多孔钛的结构和力学参数测试  110-115
    5.4.1 SLM成型多孔钛的结构参数测试  110-111
    5.4.2 SLM成型多孔钛的力学参数测试  111-115
  5.5 结构和力学参数的响应面模型  115-122
    5.5.1 响应面分析  115-117
    5.5.2 响应面模型的建立  117-122
  5.6 本章小结  122-124
第六章多孔结构建模系统开发与多孔植入体SLM直接制造实例  124-140
  6.1 多孔结构建模系统的开发  124-130
    6.1.1 系统体系结构和基本功能  124-128
    6.1.2 系统开发相关技术  128-130
  6.2 多孔髋关节的设计与SLM直接制造  130-135
    6.2.1 多孔髋臼杯和股骨柄的设计要点分析  130-131
    6.2.2 多孔髋臼杯和股骨柄的设计方法  131-134
    6.2.3 多孔髋臼杯和股骨柄的SLM直接制造  134-135
  6.3 多孔颅骨修复体的设计与SLM直接制造  135-138
    6.3.1 多孔颅骨修复体的设计要点分析  135
    6.3.2 多孔颅骨修复体的设计方法  135-137
    6.3.3 多孔颅骨修复体的SLM直接制造  137-138
  6.4 本章小结  138-140
全文总结  140-143
参考文献  143-152
攻读博士学位期间取得的研究成果  152-155
致谢  155-156
附件  156

面向植入体的多孔结构建模及激光选区熔化直接制造研究

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