CN110543742A - 一种人工关节面型涂层结构及3d打印数据模型生成方法 - Google Patents

一种人工关节面型涂层结构及3d打印数据模型生成方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110543742A
CN110543742A CN201910909565.4A CN201910909565A CN110543742A CN 110543742 A CN110543742 A CN 110543742A CN 201910909565 A CN201910909565 A CN 201910909565A CN 110543742 A CN110543742 A CN 110543742A
Authority
CN
China
Prior art keywords
unit
coating
dimensional
type coating
printing data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910909565.4A
Other languages
English (en)
Inventor
刘丹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu Shuangen Intelligent Technology Co Ltd
Original Assignee
Jiangsu Shuangen Intelligent Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu Shuangen Intelligent Technology Co Ltd filed Critical Jiangsu Shuangen Intelligent Technology Co Ltd
Priority to CN201910909565.4A priority Critical patent/CN110543742A/zh
Publication of CN110543742A publication Critical patent/CN110543742A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/80—Data acquisition or data processing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

本发明涉及人工关节制造技术领域，尤其涉及一种人工关节面型涂层结构，包括涂层本体，所述涂层本体呈立体微孔结构，其包括多个单位体，所述单位体包括多个虚拟面，相邻所述单位体的相邻虚拟面重合，单位体的虚拟面中有1～6个为实体结构面，实体结构面上设有孔。所述实体结构面由若干个三角面构成，所述三角面通过采用随机函数变换坐标形成。本发明还公开了面型涂层3D打印数据模型生成方法，包括1)建立模型、2)做外接矩形框、3)体素化、4)剪裁、5)形成坐标数据，在步骤3)还包括随机函数变换。本发明的有益效果是；获得的涂层结构具有宏观上结构均匀、微观上具有结构差异性，孔隙率类似真实人体骨骼，强度高；便于利用激光3D打印形成。

Description

一种人工关节面型涂层结构及3D打印数据模型生成方法
技术领域
本发明涉及人工关节制造技术领域，尤其涉及一种人工关节面型涂层结构及3D打印数据模型生成方法。
背景技术
目前，在临床上已经广泛采用置换人工关节假体的方式，来治疗肩、髋等关节骨性关节炎、骨折、骨损伤、骨头缺血性坏死等疾病。现有的人工关节假体结构设计多样，而人工关节表面多孔涂层对于假体置换的效果至关重要，其决定了假体与人体组织之间的生物相容性与耐久度问题。
目前制造人工关节中的表面多孔涂层采用的技术多为金属微珠烧结、金属细丝编织、等离子喷涂。更先进的技术如化学蒸汽沉积和电弧离子镀低温沉积也被用于制造人工关节的表面涂层。这些技术受限于其制造原理和较低的分辨率，在制造过程中难以精确控制涂层中孔结构的几何形状，难以满足人体骨组织良好得生长进入涂层结构的要求。这直接导致了人工关节植入物与人体本身骨骼的相容性较低，耐久度差，一般来讲每隔十年甚至数年就因为关节植入物的性能下降而需要再次进行对病人身心造成巨大痛苦的人工关节置换手术。因此对于年龄较小的病人，植入物与人体的相容性和长期稳定性尤为重要。
人的骨骼微观结构呈现出密集且随机分布的微孔，当前人工假体图层的制造受限于现有技术，无法在结构上还原骨骼的真实构成。近几年发展迅速的激光金属3D打印技术因具有高分辨率和精确控制打印部件结构的特性，可成型极度复杂形状的零件，在工业制造、科学研究和医疗领域得到了越来越广泛的应用。这为人工假体涂层的制造工艺带来了更大的结构设计自由度，使得比较理想的人工假体结构得以实现。
然而，3D打印技术极为依赖计算机辅助设计，尤其是在设计多孔结构的计算机算法和打印机数据准备上。因此，如何设计与人体骨组织之间生物相容性与耐久度高的人工关节涂层是将激光金属3D打印成功运用于制造高性能人工关节涂层的关键问题。
在打印模型生成算法上，算法需要有以下要求：(1)丰富的设置选项来改变最终生成的结构；(2)高度的稳定性保证多次用相同参数生成的结构具有极为相似的物理结构与性能；(3)生成的数据格式可以转换为激光3D打印机的输入格式。
发明内容
本发明针对上述现有人工关节多孔涂层制造技术的不足，提供一种能显著提高假体质量的人工关节面型涂层结构。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种人工关节面型涂层结构，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体呈立体微孔结构，所述立体微孔结构包括呈立体矩阵排布的多个单位体，所述单位体的外轮廓呈六面体结构，所述单位体包括多个顶点及多个虚拟面，相邻所述单位体的相邻虚拟面重合，一个所述单位体的虚拟面中至少有一个为实体结构面。
本发明的有益效果是：采用立体微孔结构可以根据所制作植入物的具体要求，通过设定实体结构面多少来形成单位体基本结构，从而能较好的保证植入物具有与真实骨结构相接近的微观结构、这种单位体化的微结构特别适合通过3D激光打印技术方便实施，并且可人为可控的保证高孔隙率，相比较于传统的骨增长涂层结构能够让骨组织更深的生长进人工涂层从而提供更高的结合强度和假体与人体骨骼的融合度。同时，不同的参数产生的不同微观结构使针对不同个体提供定制化结构成为可能。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，相邻单位体之间至少有一对实体结构面相连接，所述实体结构面相连接包括线连接、点连接及面重合连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：保证实体结构面的连接，在保证实现微孔状态同时可以保证涂层的强度，并便于3D打印实施。
进一步，所述单位体还包括12条棱线。
采用上述进一步方案的有益效果是：将单位体对应的六面体棱线作为实体结构，可使涂层结构更牢靠。
进一步，所述单位体的虚拟面中有1、2、3、4、5或6个为实体结构面，至少一个所述实体结构面上设有孔。
采用上述进一步方案的有益效果是：根据涂层医学需要，可以方便的选择实体结构面个数。比较常见的当属6个实体结构面情况，实际上，相邻实体结构面是重合的，或者说是相邻单位体共用的。
进一步，所述孔的外轮廓为圆形、椭圆形或多边形，所述多边形包括多个角点。
采用上述进一步方案的有益效果是：圆形为常规选择，从便于实现计算机建模考虑。
进一步，所述实体结构面由若干个三角面构成，所述三角面由所述顶点和角点的连线构成。
采用上述进一步方案的有益效果是：建立三角面结构方便将数据存储为STL文件格式，也便于通过角点坐标的偏移实现更随机性结构的实现。
进一步，所述单位体的外轮廓呈平行六面体结构或不平行六面体结构；所述不平行六面体结构由将所述平行六面体结构的一个或多个顶点经过随机函数运算得出偏移量并根据所述偏移量移动位置后形成。
采用上述进一步方案的有益效果是：上述顶点坐标的随机移动，其移动范围在六面体内或外，这样从涂层整体结构讲具有均匀性，而单位体结构具有相对不同性，这样更接近于人体骨骼特点，进而促进了生物相容性。
进一步，所述平行六面体结构为正六面体结构。
采用上述进一步方案的有益效果是：正六面框结构在构建模型时容易表示，为后期的随机化过程减少计算量。
进一步，所述角点的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。
采用上述进一步方案的有益效果是：角点位置在三维坐标上做随机偏移，能使实体结构面上的孔形成随机的孔洞，也能使实体结构面由若干个三角面组成，这些三角面既可以在同一平面，也可以在不同平面，整体上形成高低曲折的异形面。这种结构既保留了整体涂层结构的均匀性，也具有单位体实体结构面自身形状的相对不同性，与人体骨骼不规整结构的特点更适配，进而促进了生物相容性。
进一步，所述不平行六面体结构由将所述平行六面体结构的一个或多个顶点经过随机函数运算得出偏移量并根据所述偏移量移动位置后形成。在此基础上，所述角点的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。
采用上述进一步方案的有益效果是：对六面体结构和角点均进行偏移量随机运算，并按新的偏移量坐标移动，能产生更好的随机结构效果。
本发明还公开了一种人工关节面型涂层结构3D打印数据模型生成方法，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体的3D打印数据模型生成步骤如下；
1)、根据所述涂层本体结构在电脑中建立三维模型S；
2)、计算所述三维模型S的外接矩形框SBB(S Bounding Box)；
3)、体素化所述三维模型S的外接矩形框SBB；即将所述外接矩形框SBB分成若干个呈立体分布的平行六面体，形成所述单位体，相邻所述单位体的对应面的棱线重合，所述单位体还包括1～6个实体结构面；根据单位体包含实体结构面的数量，每个单位体有4至8个顶点和4至12条棱线；在所述实体结构面上设有孔，所述孔经过离散处理形成多边形，所述多边形包括多个角点，将单位体的顶点与多边形的相邻角点连接形成三角面；
4)、剪裁：修剪所述外接矩形框SBB，形成与所述三维模型S轮廓相适配的三维结构；
5)、将裁剪后的各个所述顶点、角点以及实体结构面的位置坐标存储并形成建模数据，即完成所述3D打印数据模型的构建。
本发明数据模型生成方法的有益效果是：采用上述方法形成的3D打印数据模型，经过数据的分层处理，即可以通过3D打印方式实现立体多孔结构的假体骨骼涂层。由此方法获得的假体骨骼涂层，可以更适合于与人体组织的融合，比目前选用的自然多孔材料或烧结多孔材料，在设计上更接近真实人体骨骼的微观结构，以获得较佳的假体性能。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括偏置外接矩形框SBB的起始点R，以保证生成所述涂层本体表面的均匀性。
采用上述进一步方案的有益效果是：此步骤为保证三维模型S能够被体素化外接矩形框SBB全部覆盖，从而进一步保证多孔结构表面的均匀性。
进一步，还包括在步骤3)后对各单位体的顶点或/和角点的坐标进行随机变换，变换后形成所述单位体的各个顶点和角点的新位置坐标。
采用上述进一步方案的有益效果是：对各单位体的顶点或/和角点的坐标进行随机变换，使产生的涂层结构与人体骨骼结构更近似。因为人体结构的细微组织并非处处相同。当角点进行随机变化时，所述实体结构面还会由若干个不在同一平面三角形构成，即形成凹凸不平的实体结构面，这个微结构更符合人体实际结构。
进一步，还包括在所述步骤3)中，形成单位体前，确定所述单位体的数量：
设外接矩形框SBB的长为L，宽为W,高为H；每个单位体的长为l,宽为w，高为h，则：
X方向的单位体个数
Y方向的单位体个数
Z方向的单位体个数
对上述计算结果向上取整，即分别得到在X、Y、Z三个方向的单位体个数及单位体总个数。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过上述计算可以确定外接矩形框SBB中单位体的个数，进而确定单位体的尺寸。确定单位体数量也便于形成数据化外接矩形框SBB。
进一步，在确定单位体个数后，还包括对所述单位体在X、Y和Z方向的个数进行调整，以保证在所述顶点的坐标随机变化后，不缩入所述三维模型S的外轮廓之内。
采用上述进一步方案的有益效果是：由于单位体的顶点或角点在经过随机变换后，会潜在的导致边缘部分单位体的顶点或角点完全进入原三维模型S的内部，从而导致最终形成的结构体表面的残缺与不均一性。确定和调整单位体合理的个数可避免此问题产生。
附图说明
图1为本发明一种人工关节面型涂层结构结构示意图；
图2为本发明的单位体为平行六面体结构的示意图；
图3为图2中顶点经过位置变换后的结构示意图；
图4为本发明的带有棱线的单位体结构示意图；
图5为具有一个实体结构面的单位体结构示意图；
图6为图5中实体结构面的结构示意图；
图7为具有一对实体结构面(相对位置)的单位体结构示意图；
图8为具有一对实体结构面(相邻位置)的单位体结构示意图；
图9为具有六个实体结构面的单位体结构示意图；
图10为8个单位体组合结构示意图(其中仅示出1个单位体孔)；
图11为本方法发明中三维模型S的外接矩形框SBB结构示意图(平面)；
图12为本方法发明中基准点调整后的结构示意图；
图13为本发明中经过剪裁后的三维模型S平面轮廓示意图(未去棱线)；
图14为本发明中3D打印数据模型形成步骤框图；
图15为本发明中实体结构面角点随机变换形成新实体结构面的步骤框图；
图16为按本发明方法形成的一个圆柱体三维模型组织结构示意图；
图17为图16经过随机变换后形成的三维模型组织结构示意图；
图18为图17结构局部放大图；
图19为将图16所示结构按不同随机度对角点进行变化后形成的涂层结构示意图。
图中，1、三维模型S；2、外接矩形框SBB；3、单位体；3-1、棱线；3-2、顶点；3-3、虚拟面；3-4、实体结构面；3-5、孔；3-6、角点。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1到图10所示，一种人工关节面型涂层结构，包括涂层本体，所述涂层本体呈立体微孔结构，所述立体微孔结构包括呈立体矩阵排布的多个单位体3，所述单位体3的外轮廓呈六面体结构，所述单位体包括8个顶点3-2及多个虚拟面3-3，相邻所述单位体3的相邻虚拟面3-3重合，一个所述单位体3的虚拟面中至少有一个为实体结构面3-4。
由于构成所述立体微孔结构的主要为实体结构面，因此可称为人工关节面型涂层结构。
相邻单位体3之间至少有一对实体结构面相连接，所述实体结构面3-4相连接包括线连接、点连接及面重合连接。
所述单位体还包括12条棱线3-1。
所述单位体3的虚拟面3-3中有1、2、3、4、5或6个为实体结构面3-4，至少一个所述实体结构面上设有孔3-5。
所述孔3-5的外轮廓为圆形、椭圆形或多边形，所述多边形包括多个角点；
所述实体结构面3-4包括若干个三角形结构，所述三角形结构由所述顶点3-2和角点3-6的连线构成。
所述单位体3的外轮廓呈平行六面体结构或不平行六面体结构；所述不平行六面体结构由将所述平行六面体结构的一个或多个顶点3-2经过随机函数运算得出偏移量并根据所述偏移量移动位置后形成。
作为一特例，所述平行六面体结构为正六面体结构。
所述角点3-6的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。
作为另一种方式，所述不平行六面体结构由将所述平行六面体结构的一个或多个顶点3-2经过随机函数运算得出偏移量并根据所述偏移量移动位置后形成。在此基础上，所述角点3-6的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。
以上具体随机函数运算时，对顶点的偏移百分比可给出限定，如偏移百分比可取单位体边长的-80％到+80％。例如，最大偏移量为单位体边长的正负80％，即每个顶点各维度坐标数值的增加或减小最大为单位体边长的80％。
具体随机函数运算时，对角点的偏移百分比可给出限定，如偏移百分比可取-30％到+30％。例如，最大偏移量为单位体边长的正负30％，即每个角点各维度坐标数值的增加或减小最大为单位体边长的30％。
如图11到15所示，用于对本方法发明的辅助说明，为了便于理解，其中假设涂层本体为球形，并采用平面图以便于清晰观察。
一种人工关节面型涂层结构3D打印数据模型生成方法，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体的3D打印数据模型生成步骤如下；
1)、根据所述涂层本体结构在电脑中建立三维模型S1；
2)、计算所述三维模型S的外接矩形框SBB2；
设三维模型S1的最小X坐标，Y坐标，Z坐标为Xmi n,Ymi n,Zmi n；三维模型S1的最大X坐标，Y坐标，Z坐标为Xmax,Ymax,Zmax；则三维模型S的外接矩形框SBB的8个顶点(s1—s8)定义如下：
s1(Xmi n,Ymi n,Zmi n)
s2(Xmi n,Ymax,Zmi n)
s3(Xmax,Ymax,Zmi n)
s4(Xmax,Ymi n,Zmi n)
s5(Xmi n,Ymi n,Zmax)
s6(Xmi n,Ymax,Zmax)
s7(Xmax,Ymax,Zmax)
s8(Xmax,Ymi n,Zmax)
通过上述8个顶点的坐标，确定了外接矩形框SBB2。
3)、体素化所述三维模型S1的外接矩形框SBB2；即将所述外接矩形框SBB分成若干个呈立体分布的平行六面体，形成所述单位体3，,相邻所述单位体3的对应面的棱线3-1重合，或者说相邻单位体相邻虚拟面3-3或实体结构面3-4重合。所述单位体3可包括1～6个实体结构面3-3；根据单位体3包含实体结构面3-4的数量，每个单位体有4至8个顶点和4至12条棱线，在所述实体结构面上设有孔3-5，所述孔经过离散处理形成多边形，所述多边形包括多个角点3-6，将单位体3的顶点3-2与多边形的相邻角点3-6连接形成三角面；
将所述外接矩形框SBB2分成若干个平行六面体，可采用如下算法：
设外接矩形框SBB的长为L，宽为W,高为H；每个单位体的长为l,宽为w，高为h，则：
X方向的单位体个数
Y方向的单位体个数
Z方向的单位体个数
对上述计算结果向上取整，即分别得到在X、Y、Z三个方向的单位体个数及单位体总个数。
根据上述运算能很容易的将所述外接矩形框SBB分成若干个呈立体分布的平行六面体，即实现体素化。
4)、剪裁：修剪所述外接矩形框SBB2，形成与所述三维模型S1轮廓相适配的三维结构；也就是说，经过体素化后的外接矩形框SBB整体呈立体微孔结构，所述三维模型S包含在其中。将边缘上所述单位体伸出所述三维模型S之外的部分全部裁剪，其余的立体微孔结构就是要形成的立体网状三维模型；
5)、将裁剪后的各个所述顶点3-2、角点3-6的位置坐标存储并形成建模数据，即完成所述3D打印数据模型的构建。
该建模过程相当于将人工关节涂层组织结构立体微孔化，采用立体微孔结构可以根据所制作假体的具体要求，通过设定实体结构面多少、实体结构面上孔的大小以及单位体的边长等，较好的保证假体具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、渗透性好等特性。相比于传统方法产生的空隙结构，其整体均匀性和生物融合性更好。
另外，将实体结构面构建为三角形模式，则有利于采用STL文件格式进行数据存储。
当通过3D打印人工关节面型涂层结构时，只需要将该建模数据作为三维立体模型，并按平面分层处理，然后3D打印机就能分层打印形成立体微孔结构的假体涂层。
具体实施中，单位体的尺寸需要保证以激光3D打印机的分辨率可以重现出CAD设计处的微孔结构。一般来讲，结构面任意一条边的长度不应低于0.2mm。同时为了保证多孔结构的均匀性，单位体尺寸上限不应高于待打印物体最小几何结构的分辨率尺寸。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括偏置外接矩形框SBB的起始点R，以保证生成所述涂层本体表面的均匀性。
为保证三维模型S能够被体素化外接矩形框SBB对称的覆盖，从而进一步保证多孔结构表面的均匀性。将外接矩形框适当向外扩展一点，即在X、Y和Z三坐标方向各自向外偏移，其偏移参考点即外接矩形框参考点R的坐标定义如下：
上列等式右侧的变量定义与上述相对应的变量定义相同。
进一步，还包括在步骤3)后对各单位体的顶点或/和角点的坐标进行随机变换，变换后形成的所述单位体的各个顶点和/或角点的新位置坐标。
对于顶点的坐标进行随机变换可采用如下步骤，假设：
一个顶点v的坐标为(x，y，z),其随机变换后的坐标为(x′，y′，z′)。方向变量d。d仅有1和-1两个值并且取1和-1的概率相同。
设偏移量变量a。a的值可从区间[-1，1]任意选取，a值的分布遵循同一数值初始化过的梅森旋转算法生成的连续性均匀分布。这样保证了多次运算之间的相似性。
X方向最小偏移百分比
X方向最大偏移百分比
Y方向最小偏移百分比
Y方向最大偏移百分比
Z方向最小偏移百分比
Z方向最大偏移百分比
X方向偏移百分比Mx＝perXmax-(perXmax-perXmin)×a
Y方向偏移百分比My＝perYmax-(perYmax-perYmin)×a
Z方向偏移百分比Mz＝perZmax-(perZmax-perZmin)×a
最后随机变换后的坐标(x′，y′，z′)为：
x′＝x+Mx×d×l
y′＝y+My×d×w
z′＝z+Mz×d×h
对于每一个单位体，按照上述随机变换规则将8个顶点进行变换可形成不规则的的六面体轮廓。每个单位体都经过处理计算后，一个在三维模型S的外接矩形框SBB范围内的面型随机立体微孔结构即生成完毕。
对于角点的坐标进行随机变换可采用如下步骤：
如图6所示，为一个实体结构面的结构示意图，图中所述实体结构面孔的外轮廓为多边形，所述多边形包括多个角点，所述实体结构面由若干个三角面构成(如图中的1-2-B；0-A-B等)，所述三角面由所述顶点和角点的连线构成。
该平面中间由一个闭合的多边形来近似表示一个圆形的孔。由于该平面全部由三角形表示，所以任意一个三角形的任何顶点或角点三维坐标(X，Y，Z)都可以用上述步骤中的参考点和平面内的几何信息表示出来：
假设孔的半径为R，A点坐标为：
XA＝REFx+X方向单位体个数×l
YA＝REFy+Y方向单位体个数×w
ZA＝REFz+X方向单位体个数×h
假设该单位体面平行于XZ平面(即所有点有相同的Y坐标)，则实体结构面中心坐标(xc，yc，zc)可表示为：
xc＝XA+0.5×l
yc＝YA
zc＝ZA+0.5×h
实体结构面内部孔的某个角点坐标(xi，yi，zi)可表示为：
xi＝xc+R×cosθi
yi＝yc
zi＝XA+R×sinθi
Np是表示中央孔边界的封闭多边形边数。θ表示该角点与X轴的夹角度数。其余符号和前述定义一致。
在用封闭多边形近似表示实体结构面孔的时候，存在确定多边形边数的问题。由于选择性激光熔化逐层制造的技术特性，在垂直方向上的分辨率直接取决于每层的厚度和不使用支撑结构可以制造的最小角度。这个在具体实施中可以结合3D打印分层支撑需要处理。
进一步、还包括在所述步骤3)中，形成单位体前，确定所述单位体的数量：
设外接矩形框SBB的长为L，宽为W,高为H；每个单位体的长为l,宽为w，高为h，则：
X方向的单位体个数
Y方向的单位体个数
Z方向的单位体个数
对上述计算结果按四舍五入取整，即分别得到在X、Y、Z三个方向的单位体个数及单位体总个数。
进一步，在确定单位体个数后，还包括对所述单位体在X、Y和Z方向的个数进行调整，以保证在所述顶点的坐标随机变化后，不缩入所述三维模型S的外轮廓之内。
当上述对单位体的顶点或角点进行坐标随机变换时，处于所述三维模型S轮廓上的单位体，其外结点存在完全偏移到三维模型S轮廓内的情况，从而导致最终形成的数据模型的轮廓与所述三维模型S实际轮廓相比，出现表面残缺与不均一性。为了解决这个问题，X、Y和Z方向的单位体个数需要做出以下调整：
设坐标随机变换中X方向的最大移动量为Mxmax，Y方向的最大移动量为Mymax，Z方向的最大移动量为Mzmax，则最终X，Y，Z方向的单位体个数Nx，Ny，Nz定义如下：
(四舍五入到下一个整数)
(四舍五入到下一个整数)
(四舍五入到下一个整数)
进一步、还包括偏置外接矩形框SBB的起始点R，以保证生成所述涂层本体表面的均匀性。
如图14为本发明中3D打印数据模型形成步骤框图，基本步骤如上所述。
如图15为本发明中实体结构面角点随机变换形成新实体结构面的步骤框图；对一个单位体实体结构面的角点进行随机函数变换，首先选定一个角点，设定偏移量；其次通过随机函数计算该角点在三维方向的偏移量，具体可参见上述对于角点的坐标进行随机变换计算方法；再将该角点新坐标位置到相邻顶点及角点连线作为新三角形平面；然后逐个角点进行随机位置变换，直到变换完毕，则形成新的实体结构面，存储数据形成实体结构面的3D打印模型。
当单位体顶点和角点同时做随机变换时，将得到更随机的微孔结构。
如图16所示，为按本发明方法形成的一个圆柱体三维模型组织结构示意图；
如图17所示，为图16经过单位体实体结构面的角点和顶点随机变换后形成的三维模型组织结构示意图；图18为图17结构局部放大图；
如图19所示，为将图16所示结构按不同随机度对角点进行变化后形成的涂层结构示意图。
具体随机函数运算时，对角点的偏移量可给出限定，如偏移百分比可取-30％到+30％。例如，最大偏移量为单位体边长的正负30％，即每个角点各维度坐标数值的增加或减小量最大为单位体边长的30％。这里的随机度为偏移量大小，如随机度20％即上述偏移百分比取-20％到+20％：其余同理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种人工关节面型涂层结构，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体呈立体微孔结构，所述立体微孔结构包括呈立体矩阵排布的多个单位体，所述单位体的外轮廓呈六面体结构，所述单位体包括多个顶点及多个虚拟面，相邻所述单位体的相邻虚拟面重合，一个所述单位体的虚拟面中至少有一个为实体结构面。
2.根据权利要求1所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，相邻单位体之间至少有一对实体结构面相连接，所述实体结构面相连接包括线连接、点连接及面重合连接。
3.根据权利要求1所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述单位体还包括12条棱线。
4.根据权利要求1、2或3所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述单位体的虚拟面中有1、2、3、4、5或6个为实体结构面，至少一个所述实体结构面上设有孔。
5.根据权利要求4所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述孔的外轮廓为圆形、椭圆形或多边形，所述多边形包括多个角点。
6.根据权利要求5所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述实体结构面由若干个三角面构成，所述三角面由所述顶点和角点的连线构成。
7.根据权利要求4所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述单位体的外轮廓呈平行六面体结构或不平行六面体结构；所述不平行六面体结构由将所述平行六面体结构的一个或多个顶点经过随机函数运算得出偏移量并根据所述偏移量移动位置后形成。
8.根据权利要求7所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述平行六面体结构为正六面体结构。
9.根据权利要求6所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述角点的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。
10.根据权利要求7所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述角点的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。
11.一种人工关节面型涂层结构3D打印数据模型生成方法，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体的3D打印数据模型生成步骤如下；
1)、根据所述涂层本体结构在电脑中建立三维模型S；
2)、计算所述三维模型S的外接矩形框SBB；
3)、体素化所述三维模型S的外接矩形框SBB；即将所述外接矩形框SBB分成若干个呈立体分布的平行六面体，形成所述单位体，相邻所述单位体的对应面的棱线重合。所述单位体还包括1～6个实体结构面，根据单位体包含实体结构面的数量，每个单位体有4至8个顶点和4至12条棱线；在所述实体结构面上设有孔，所述孔经过离散处理形成多边形，所述多边形包括多个角点，将单位体的顶点与多边形的相邻角点连接形成三角面；
4)、剪裁：修剪所述外接矩形框SBB，形成与所述三维模型S轮廓相适配的三维结构；
5)、将裁剪后的各个所述顶点、角点以及实体结构面的位置坐标存储并形成建模数据，即完成所述3D打印数据模型的构建。
12.根据权利要求11所述的人工关节面型涂层结构3D打印数据模型生成方法，其特征在于，还包括偏置外接矩形框SBB的起始点R，以保证生成所述涂层本体表面的均匀性。
13.根据权利要求11所述的人工关节面型涂层结构3D打印数据模型生成方法，其特征在于，还包括在步骤3)后对各单位体的顶点或/和角点的坐标进行随机变换，变换后形成所述单位体的各个顶点和角点的新位置坐标。
14.根据权利要求11或12所述的人工关节面型涂层结构3D打印数据模型生成方法，其特征在于，还包括在所述步骤3)中，形成单位体前，确定所述单位体的数量：
设外接矩形框SBB的长为L，宽为W,高为H；每个单位体的长为l,宽为w，高为h，则：
X方向的单位体个数
Y方向的单位体个数
Z方向的单位体个数
对上述计算结果向上取整，即分别得到在X、Y、Z三个方向的单位体个数及单位体总个数。
15.根据权利要求11或14所述的人工关节面型涂层结构3D打印数据模型生成方法，其特征在于，在确定单位体个数后，还包括对所述单位体在X、Y和Z方向的个数进行调整，以保证在所述顶点的坐标随机变化后，不缩入所述三维模型S的外轮廓之内。
CN201910909565.4A 2019-09-25 2019-09-25 一种人工关节面型涂层结构及3d打印数据模型生成方法 Pending CN110543742A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910909565.4A CN110543742A (zh) 2019-09-25 2019-09-25 一种人工关节面型涂层结构及3d打印数据模型生成方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910909565.4A CN110543742A (zh) 2019-09-25 2019-09-25 一种人工关节面型涂层结构及3d打印数据模型生成方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110543742A true CN110543742A (zh) 2019-12-06

Family

ID=68714470

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910909565.4A Pending CN110543742A (zh) 2019-09-25 2019-09-25 一种人工关节面型涂层结构及3d打印数据模型生成方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110543742A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022032714A (ja) * 2020-08-13 2022-02-25 国立大学法人北見工業大学 多孔質構造体の設計装置、設計方法及びプログラム

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022032714A (ja) * 2020-08-13 2022-02-25 国立大学法人北見工業大学 多孔質構造体の設計装置、設計方法及びプログラム
JP7094037B2 (ja) 2020-08-13 2022-07-01 国立大学法人北見工業大学 多孔質構造体の設計装置、設計方法及びプログラム

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210338902A1 (en) Controlled randomized porous structures and methods for making same
US20230346562A1 (en) Surface Modified Unit Cell Lattice Structures For Optimized Secure Freeform Fabrication
US20200171605A1 (en) Porous structures produced by additive layer manufacturing
US9135374B2 (en) Surface modified unit cell lattice structures for optimized secure freeform fabrication
EP3403747B1 (en) High fatigue strength porous structure
US20190133769A1 (en) Truss implant with rounded corners
US20230071706A1 (en) Three-dimensional porous structures for bone ingrowth and methods for producing
CN110543742A (zh) 一种人工关节面型涂层结构及3d打印数据模型生成方法
CN211049723U (zh) 一种人工关节涂层结构及其人工关节
CN113821848B (zh) 一种仿生骨支架的等参变换混合结构及其3d打印方法
CN210872251U (zh) 一种人工关节涂层结构
CN112057207A (zh) 一种人工关节涂层结构及其人工关节
CN210721470U (zh) 一种人工关节面型涂层结构
CN112057208A (zh) 一种人工关节涂层结构及其3d打印数据模型生成方法
CN115813615B (zh) 一种表面多孔的髋臼杯假体分区设计及成型方法
US20230346561A1 (en) Three-dimensional porous structures for bone ingrowth and methods for producing
Liu et al. A study of the method of reconstructing the bionic scaffold for repairing defective bone based on tissue engineering
CN116019605A (zh) 一种3d打印义眼台
WO2023208388A1 (en) Three-dimensional porous structures for bone ingrowth and methods for producing
ES2372343A1 (es) Substrato cuasibidimensional para crecimiento de células y tejidos y método de obtención del mismo.

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination