CN105499575B - 一种多孔网格结构材料的设计及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种多孔网格结构材料的设计及制造方法，解决了传统制造多孔材料上具有的盲目性和不确定性，将对多孔材料有效的设计理念应用于实际制造。本发明基于拓扑优化模拟后得到的数据图像，对其在SolidWorks上进行三维重建后，导入至magics软件中作为单元网格结构，以任意的大小比例填充至各种需要采用网格结构的具体零件的三维模型当中，然后再对此零件进行制造。首先将零件的三维模型导入工作台计算机，根据三维图形结构设置打印角度与位置；粉层烧结成该层相应的二维形状；在已经烧结一层图形的工作台上重复铺设相同厚度的粉末，激光继续按照该层扫描路径扫描，直至整个三维图形完成。本发明具有降低零件自身弹性模量，且拥有良好的力学性能的优点。

Description

一种多孔网格结构材料的设计及制作方法

技术领域

本发明涉及可自由调节弹性模量且拥有优化单元结构的多孔结构材料的设计及制造方法及其单元拓扑优化结构，属于生物医疗领域。

背景技术

医用金属植入材料是用以替代或者修复人体正常组织并行使其生理功能的材料，通常需要满足以下的几点性能要求：1.生物相容性；2.优良的机械性能；3.低弹性模量，4耐蚀性和耐磨性。长期以来，医用金属植入材料主要有不锈钢、CoCr合金、Ti基合金等。医用金属植入体在临床上得到应用源于Branemark先生在1952-1965年间发现的骨整合理论，他这样表述：“表达骨骼组织与无机的、异质成型材料间产生直接生长接触的现象”。这个发现使得在1965年首个纯钛移植体--Branemark牙根种植体--的出现(瑞典，哥德堡大学)。Branemark种植体也是现在国际上公认的最好的牙根种植体。

不过这种全实心的种植体并非十全十美，主要原因在于其弹性模量无法与人体骨骼相匹配。钛相对其他生物金属材料而言具有最低的实体弹性模量(110GPa)，但与人体骨质弹性模量(<30GPa)仍是存在巨大差距。根据wolff定律，当金属植入体的硬度比骨更硬时，负载将会落在植入体上，从而减小了其周围骨骼上的负载造成“应力屏蔽”现象--因为压力减小而弱化骨骼的现象。这会造成植入体的松弛，更甚者，导致移植失败。另者，植入体还有可能挤压和预压效应对骨骼产生更大的压力，从而导致骨坏死。

多孔材料是一类具有周期性排列孔隙的材料，与实体材料相比，这些特殊的多孔结构材料具有一些独特的性能：可任意根据其孔隙率调节弹性特性(弹性模量和泊松比)，优良的综合力学性能(主要是强度和刚度)等等。与此同时，人体硬组织也有着复杂的显微多孔结构。按其孔隙度和弹性模量的大小可分为致密骨和松质骨。从表面上看，骨质很像是实心固体。但大多数骨质都是由致密骨质的外壳裹着多孔网状骨质的芯部组成。这样的多孔结构有利于人体新骨组织的长入以及营养物质的输送。因此，具有良好生物相容性的多孔结构植入材料便成为了研究热点。

传统制备金属材料多孔结构的方法大体可分为四大类，1、从液体金属开始进行制作，如熔体发泡法、熔铸法等；2，从固态金属粉末进行制作，如金属粉末烧结、气体夹带法等；3，电沉积法；4，气相沉积法。这些方法都能够成功在材料内部形成孔洞，但其性能要求无法预测，而且孔隙率大小和形貌不能自由进行设计或者结构调整，制造具有一定的盲目性，缺乏行之有效的设计理念。近几十年来，随着快速成型技术的迅猛发展，制造结构复杂零件且具备内孔结构的能力大大提高，L.E.Murr等应用电子束选区熔化技术对多种网格结构进行了设计和制造，如十字架型，菱形二十四面体等等，其结构性能往往都大同小异，直接制造特定结构虽然相对传统的发泡法等制造的结构更加的具有目的性，但结构本身性能的优劣没有理念的预测和认知。A.Bandyopadhyay作了许多关于弹性模量与孔隙度本身具体关系的研究，他利用快速成型的LEAN技术制作了孔隙度从35％-95％的一系列TiNi多孔支架结构材料，发现符合人体密质骨弹性模量(10G-25GPa)的孔隙约在40％-80％之间，但结构的力学强度等性能上不能给出满意的结果。

随着优化算法和计算机科学的迅速发展，结构优化，特别是结构拓扑优化方法的研究和应用得到了巨大的发展。拓扑优化设计旨在通过对结构的尺寸、形状及拓扑等参数进行合理的调整，使得调整后的结构能够在满足强度、刚度、稳定性以及其它一种或多种设计要求的前提下，指定的目标性能达到最优，比如重量最轻、造价最低等。

目前，工程上应用拓扑结构优化大多局限于二维平面结构的优化方法，进行三维连续体结构拓扑优化很容易在实施过程中，某些迭代步出现一些“奇异结构”--结构中出现很多孤立的结构或者孔洞，因此，三维的拓扑结构优化结果往往造成结构的不规则性和多孔性，这对于传统制造方法而言，需要重新调整其结构形状才能加工，有些甚至无法加工。

发明内容

根据上述研究中存在的设计上和制造上的不足，本发明提供了一种多孔网格结构材料的设计及制造方法及其单元网格结构。区别于现有的多孔材料的制造技术，本发明能将制造与设计理念结合在一起，解决了传统制备多孔材料性能的盲目性和不确定性等问题，结合拓扑优化的设计理念制造更具实用价值的多孔材料。本发明为实现上述技术问题所采用的多孔结构材料的制作方法及单元网格结构如下：

一种拓扑优化多孔网格结构材料的设计及制作方法，其特征在于在实体零件模型中，将要求填充网格结构的部分在magics软件中与母体零件进行剥离，填充进单元拓扑结构，再与其他未填充网格的部分做布尔运算再次形成整体，最后添加支撑并形成切片分层。要求填充网格是需要填充多孔材料的部分，且多孔材料内孔形状和尺寸在一定范围内任意调节。

填充网格结构具体为：先应用ansys软件里的拓扑优化模块topological opt，设置好材料属性、弹性模量及体积分数，然后根据模块分析得出的密度云图，在三维画图软件SolidWorks上进行模型重建。在SolidWorks上进行三维重建后，导入至magics软件中作为单元网格结构，以任意的大小比例填充至各种需要采用网格结构的具体零件的三维模型当中，然后再对此零件进行制造。

其制造方法包括如下步骤：

步骤一：根据零件所需材料对应的金属粉末材料填充到增材制作设备铺粉缸中；

步骤二：将形成切片分层后的分层数据导入增材制作设备连接的计算机上，根据三维图形的结构与体积设定模型的打印位置与角度，调用材料的加工工艺参数，规划扫描路径；

步骤三：增材制作设备中的铺粉系统向工作腔内的基板上表面铺设金属粉末；

步骤四：增材制作设备中的激光束按照生成的扫描路径扫描铺设好的粉末，受所述激光束扫描后的金属粉末材料熔化后固结于所述的基板上；

步骤五：工作平台下降一层粉末厚度、铺粉缸上升一层粉末厚度，铺粉辊在已经烧结了一层图形的基板上表面铺设下一层金属粉末；

步骤六：依次重复步骤四至步骤五，直至整个多孔零件三维模型整体烧结完成。

进一步，多孔材料零件的支撑添加方式是网格部分采用实体的支撑方式，而其他部分采用网格支撑方式，且避免在网格间隙内加其他支撑。另外，步骤一中建立激光扫描路径包含以下步骤：首先将建立的多孔材料零件三维模型在分层软件中延z轴方向等厚度切片分层为一系列二维图形；然后根据切片处理成的二维图形生成所有切片分层上的激光扫描路径。步骤三中所述工作腔内基板为增材制造的工作平台上放置一块材质与多孔材料零件相同的水平基板，该基板面积小于等于工作平台并紧固于平台上。铺粉辊铺设的每一层粉末厚度为0.01mm-0.1mm之间。步骤四中激光束扫描粉末前气氛向工作腔内通入保护气，使工作腔内的氧气含量低于0.1％。

单元拓扑优化多孔结构是由八个形貌相同但排列方向各异的拓扑优化结构组合而成，每个结构的设计都严格遵守拓扑软件优化后的密度云图结果。拓扑优化过程可简化为一个n×n×n(n为大于等于1的整数)正方体，右上角(n，n,n)受到一个的集中载荷力，左下角(0,0,0)为固定端，输入材料本身无孔隙情况下的弹性模量和泊松比及多孔结构的体积分数。网格划分20层(20为建议值，太大影响计算机运算速度，太小影响精确度)，设定拓扑优化控制过程并求解得到最终的密度云图，最后在密度云图中控制输出密度为0.8以上红色部分。建模过程为了详尽的获取整个优化结构的信息，可通过密度云图在X轴方向上划分出多个剖面，将每个剖面的中密度超过0.8的图像通过画图软件进行定位记录，最后将记录的多个剖面形状进行串联至整个结构建模完成。其具体的排列方式是：对已经建好的拓扑优化模型以经过受力方向的表面B为基准面，进行一次镜像处理得到1/4模型，然后再依次以垂直于受力方向的表面A和另一个经过受力方向的表面C为基准面进行镜像处理后，最终呈现一个完整的单元网格结构。

另外，多孔网格结构材料的原始材料为钛及医用钛合金或者钴铬合金等具有优良的生物相容性材料。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、与传统发泡法等方法相比，本发明能够成型具有特定形状和功能的多孔材料，且内孔形状和尺寸可以在一定范围内任意调节，制造上具有灵活多变的特性。

2、本发明结合了拓扑优化的设计理念，利用模拟的结果进行三维的重建，能够使得多孔结构材料更具实用性质，提高多孔网格结构材料的性能和使用质量。

3、本发明因可以灵活调节孔隙的大小和形状，进而定量的调节多孔材料的弹性模量，可随医学植入体植入人体部位上骨质的不同而进行弹性模量的匹配与调节，应用将是广泛的。

另外，本发明提供的技术方案有效缩短结构设计和产品制造的时间，能制造出模拟优化的一些复杂结构从而进一步提高多孔材料的力学和物理性能。提高研发和生产效率，拓宽材料加工范围，对医用金属合金植入体的设计及制造具有重要意义。

附图说明

图1是多孔结构材料的制备流程图；

图2是增材制造设备简易图；(其中包含：工作腔A、成型缸B、基板C、铺粉缸D、激光束发射器E、铺粉辊F)；

图3是医用多孔植入骨的三维模型图，1是插入的多孔结构材料部分，2为实体材料部分；

图4为拓扑优化结果的重建三维模型及相应表面；

图5为多孔材料单元网格三维模型。

具体实施方式

为使本发明能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式及单元拓扑结构作进一步详细的说明：

实施例一：

一种多孔植入骨架的3D打印制造方法，其增材制造设备采用EOSM280，配套软件为PSW3.5，材料采用EI Ti6al4v。

1.根据需要制造的多孔植入骨模型，将要求填充网格的芯部填充进合适尺寸的拓扑优化多孔单元网格结构，内部孔隙成型后不能去除支撑，所以设计进行合理的尺寸调节避免增加内部难以去除的支撑；

2.将ELI Ti6al4v粉填充到M280铺粉缸；

3.使用软件RP-Tools对多孔植入骨的三维图形进行切片分层处理，分层厚度为10μm；得到的一系列二维层片数据导入软件EOS PSW3.5，该软件根据图像自动计算出每层二维图形激光扫描路径及使用工艺参数；在PSW中设定植入骨合适的摆放角度，该角度范围在0-45度；

4.通过气氛保护系统向工作腔内通入保护气氛，使工作腔内的氧气含量低于0.1％；

5.通过加热系统对成型缸上表面金属粉末预热至80度，通过铺粉系统向工作腔内基板上表面铺设第一层EI Ti6al4v粉；

6.激光束按照生成的扫描路线扫描铺设好的粉末，受所述激光束扫描后的EITi6al4v粉熔化后固结于所述的基板上；

7.工作平台下降一层粉末厚度，铺粉缸上升一层粉末厚度，铺粉辊在已经烧结了一层图形的基板上表面铺设下一层EI Ti6al4v粉；

8.依次重复步骤(6)-(7)，直至整个植入骨整体成形完成；

9.再将烧结于基板上的植入骨连同基板一起从加工平台上移开，清理植入骨表面与内部浮粉，采用线切割方式将植入骨从基板上表面分离。

实施例二：

一种多孔单元网格结构，先通过在模拟软件ansys中建立一个20×20×20正方体模型，右上角(20,20,20)受到一个的集中载荷力，左下角(0,0,0)及其周边为固定端，输入实心材料本身无孔隙情况下的弹性模量和泊松比及想要得到的体积分数。网格划分20层，设定拓扑优化控制过程(ACCUR(精确度)＝0.001、ITER(迭代次数)＝20)并求解得到最终的密度云图，最后在密度云图中控制输出密度为0.8以上红色部分。建模过程通过应用软件SolidWorks，将密度云图沿X轴方向上划分20-30个剖面，将剖面密度信息中超过0.8密度的图像通过画图软件进行定位记录，最后放样串联直至建模完成如图4所示。最后是具体的排列方式：对已经建好的拓扑优化模型以经过受力方向的表面B为基准面，进行一次镜像处理得到1/4模型，然后再依次以垂直于受力方向的表面A和另一个经过受力方向的表面C为基准面进行镜像处理后，最终呈现一个完整的单元网格结构图5。

虽然这里结合具体的实施例对本发明进行了描述，但是对本领域技术人员来说，很多其它的变化、改进以及应用将是很明显的。因此，本发明不应当受此处特定公开的限制，而应由附加的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种多孔网格结构材料的设计及制作方法，其特征在于：在实体零件模型中，将零件要求填充网格结构的部分在magics软件中与母体零件进行分离，并填充进单元拓扑结构，再与零件被分离的其他未填充网格部分做布尔运算，再次形成整体，最后添加支撑并形成切片分层；要求填充网格结构的部分是需要填充多孔材料的部分，且多孔材料内孔形状和尺寸能在一定范围内任意调节；

填充网格结构具体为：先应用ansys软件里的拓扑优化模块topological opt，设置好材料属性、弹性模量及体积分数，然后根据模块分析得出的密度云图，在三维画图软件SolidWorks上进行模型重建。在SolidWorks上进行三维重建后，导入至magics软件中作为单元网格结构，以任意的大小比例填充至各种需要采用网格结构的具体零件的三维模型当中，然后再对此零件进行制造。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：根据零件所需材料对应的金属粉末材料填充到增材制作设备铺粉缸中；

步骤二：将权利要求1形成切片分层后的分层数据导入增材制作设备连接的计算机上，根据三维图形的结构与体积设定模型的打印位置与角度，调用材料的加工工艺参数，规划扫描路径；

步骤三：增材制作设备中的铺粉系统向工作腔内的基板上表面铺设金属粉末；

步骤四：向工作腔内通入保护气体，气压稳定后，增材制作设备中的激光束按照生成的扫描路径扫描铺设好的粉末，受激光束扫描后的金属粉末材料熔化后固结于所述的基板上；

步骤五：工作平台下降一层粉末厚度、铺粉缸上升一层粉末厚度，铺粉辊在已经烧结了一层图形的基板上表面铺设下一层金属粉末；

步骤六：重复步骤四至步骤五，直至整个多孔零件三维模型整体烧结完成。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤四中保护气体使工作腔内的氧气体积百分含量低于0.1％。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤一具体为：首先将建立的多孔材料零件三维模型在分层软件中延z轴方向等厚度切片分层为一系列二维图形；然后根据切片处理成的二维图形生成所有切片分层上的激光扫描路径。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤三中所述基板为增材制作设备的工作平台上放置一块材质与多孔材料零件相同的水平基板，该基板面积小于等于工作平台并紧固于工作平台上。

6.根据权利要求2的方法，其特征在于步骤三中所述金属粉末每一层粉末厚度为0.01mm-0.1mm之间。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：多孔材料零件的支撑添加方式为数据处理时填充网格的部分采用实体的支撑方式，而其他部分采用块状网格支撑方式，且避免在网格间隙内加其他支撑。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：单元拓扑结构由八个形貌相同但排列方向各异的拓扑优化结构组合而成，每个结构的设计都严格遵守拓扑软件优化后的密度云图结果；拓扑优化过程简化为一个n×n×n正方体，n为大于等于1的整数；正方体右上角(n，n,n)受到一个的集中载荷力，左下角(0,0,0)为固定端，输入材料本身无孔隙情况下的弹性模量和泊松比及多孔结构的体积分数；网格划分20层，设定拓扑优化控制过程并求解得到最终的密度云图，最后在密度云图中控制输出密度为0.8以上部分。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：具体的排列方式是：对已经建好的拓扑模型以经过受力方向的表面B为基准面，进行一次镜像处理得到1/4模型，然后再依次以垂直于受力方向的表面A和另一个经过受力方向的表面C为基准面进行镜像处理后，最终呈现一个完整的单元网格结构。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于原始材料为钛或者钛合金或者钴铬合金。