梯度骨骼植入体结构的设计方法、装置、设备及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种梯度骨骼植入体结构的设计方法、装置、设备及存储介质，方法包括：S101，通过拓扑优化和激光选区熔化成型技术，根据预设的参数制备不同类型的梯度晶格结构；S102，通过压缩试验和有限元分析获得不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能；S103，根据不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能，建立用于预测出梯度晶格结构的力学性能以及失效机制的预测模型；S104，根据设定的设计目标以及预测模型设计梯度晶格结构，并据此设计梯度骨骼植入体结构。植入体结构。植入体结构。

【技术实现步骤摘要】
梯度骨骼植入体结构的设计方法、装置、设备及存储介质


[0001]本专利技术涉及医疗器械设计
，尤其涉及一种梯度骨骼植入体结构的设计方法、装置、设备及存储介质。

技术介绍

[0002]骨骼损伤是指动物体的骨骼受到外界直接暴力作用，导致骨头的连续性以及完整性中断。随着生活质量的提高，宠物的数量急剧上升。同时，人们也越来越注重健康生活，运动群体不断扩大，这使得骨骼损伤的概率也在加大。
[0003]骨植入体是治疗骨骼损伤的一种方式，其通过将特定的材料置入到缺损的的部位来治疗骨骼损伤，其中，金属是最为常见的置入材料。
[0004]然而，金属植入目前尚未大规模应用于市场，是因为金属植入存在如下痛点：一是由于金属材料的刚度远远高于人体自身骨骼，会产生破坏人体骨骼生长的应力屏蔽现象。当金属材料替代缺损的骨骼植入人体时，由于自身的刚度过大，会弱化周围人体自然骨骼承受应力的能力，减缓了骨组织的生物学重构过程，造成植入体的松动，使植入体与人体自然骨骼界面结合不牢；二是实心的金属植入体也不利于人体营养组织的传输，影响人体系统的正常运转。
[0005]大多数细胞结构是由CAD软件或数学建模。对于多孔植入体在动物体中的适用性，重要的是在设计过程中考虑其他因素，例如承重条件，相对密度的可控性和相邻细胞结构的边界连续性。拓扑优化是一种三维建模方法，可以在特殊负载和边界条件(边界面积)下基于目标函数在空间上建立更有效的材料分布。此外，拓扑优化设计的高孔隙率点阵结构具有高比表面积和机械性能可控性，已显示出应用于骨科多孔植入物领域的潜力。然而，以往的研究主要集中在均匀晶格结构的性能评估上，很少有研究试图探究拓扑优化的功能梯度晶格结构的压缩行为、失效机制和能量吸收性能。
[0006]为了进一步应用于骨骼植入体，另一个关键点是通过建立结构参数和机械性能之间的关系来预测功能梯度晶格结构的性能。著名的Gibson—Ashby模型已成功应用于预测均匀晶格结构的特性，但不适用于功能梯度晶格结构。主要原因是蜂窝结构类型、失效机制、压缩方向和密度变化范围会影响功能梯度晶格结构的性能预测精度。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种梯度骨骼植入体结构的设计方法、装置、设备及存储介质，以改善上述问题。
[0008]本专利技术实施例提供了一种梯度骨骼植入体结构的设计方法，其包括：
[0009]S101，通过拓扑优化和激光选区熔化成型技术，根据预设的参数制备不同类型的梯度晶格结构；
[0010]S102，通过压缩试验和有限元分析获得不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能；
[0011]S103，根据不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能，建立用于预测出梯度晶格结构的力学性能以及失效机制的预测模型；
[0012]S104，根据设定的设计目标以及预测模型设计梯度晶格结构，并据此设计梯度骨骼植入体结构。
[0013]优选地，所述梯度晶格结构采用尺寸为3mm
×
3mm
×
3mm的正方体为胞元结构，整个梯度晶格结构由8个胞元结构沿每个坐标方向(x、y、z)重复排列组成，总尺寸为20mm
×
20mm
×
20mm；且沿着制造方向，每个梯度晶格结构的底部设置有尺寸为20mm
×
20mm
×
2mm的底板。
[0014]优选地，所述梯度晶格结构包括均匀梯度的U型结构、密度梯度垂直于加载方向的G1型结构以及密度梯度沿加载方向的G2型结构。
[0015]优选地，在使用有限元分析时，基于软件模拟受压力载荷作用下所述梯度晶格结构表面的应力分布；其中：
[0016]将316L不锈钢的弹性模量187GPa，泊松比0.3设置成所述梯度晶格结构的弹性特性，力学工况为正方体的一个顶点受到沿Z轴向下的压力，与该顶点对角线相对应的顶点的位移被完全约束；
[0017]优化目标为正方体的相对密度，设置为0.20
‑
0.50；优化后的模型输出为.STL格式的模型群，通过Magics商业软件，对模型进行平滑化修复，并通过镜像操作，将8个胞元结构堆叠成一个完整的单元点阵结构；最后，在xyz三个方向上各堆叠6个单元点阵结构，形成一个完整的点阵结构模型，个数为6
×6×
6个。
[0018]优选地，步骤S102中，
[0019]在压缩试验前，在30kV条件下，通过扫描电子显微镜观察梯度晶格结构的表面形貌；
[0020]压缩试验采用电子万能试验机，在室温下，根据标准ISO 13314，通过相应的数据绘制和计算梯度晶格结构的应力
‑
应变曲线、力学性能和能量吸收性能；试验过程中由数字视频记录得到试样的详细变形图像，之后将部分断裂支柱打磨，浸入腐蚀溶液一定时间后后取出；
[0021]最后，用扫描电镜设备对断裂支柱的微观结构进行了表征，使用X射线衍射仪通过X射线衍射进行相鉴定。
[0022]优选地，步骤S103中：
[0023]结合U型结构的力学特性，建立G型结构相应的预测模型；所述预测模型采用经典的Kelvin
‑
Voigt模型。
[0024]本专利技术实施例还提供了一种梯度骨骼植入体结构的设计装置，其包括：
[0025]制备单元，用于通过拓扑优化和激光选区熔化成型技术，根据预设的参数制备不同类型的梯度晶格结构；
[0026]分析单元，用于通过压缩试验和有限元分析获得不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能；
[0027]模型建立单元，用于根据不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能，建立用于预测出梯度晶格结构的力学性能以及失效机制的预测模型；
[0028]设计单元，用于根据设定的设计目标以及预测模型设计梯度晶格结构，并据此设
计梯度骨骼植入体结构。
[0029]本专利技术实施例还提供了一种梯度骨骼植入体结构的设计设备，其包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如上述的梯度骨骼植入体结构的设计方法。
[0030]本专利技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述计算机可读存储介质所在设备的处理器执行，以实现如上述的梯度骨骼植入体结构的设计方法。
[0031]与现有技术相比，本实施例至少具有如下优势：
[0032]1、与传统的网格制造方法(如熔铸法)方法对比，本实施例利用激光选区熔化成形技术能够快速地制造骨植入体，大大节约了时间成本，且打印精度更优质，SLM技术采用具有细小光斑的激光聚焦，使金属零件的精度更高，表面粗糙度更好；
[0033]2、与均匀晶格结构相比，本实施例提出的梯度晶格结构具有更好的能量吸收能力，G1型结构(RD＝0.30本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，包括：S101，通过拓扑优化和激光选区熔化成型技术，制备不同类型的梯度晶格结构；S102，通过压缩试验和有限元分析获得不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能；S103，根据不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能，建立用于预测出梯度晶格结构的力学性能以及失效机制的预测模型；S104，根据设定的设计目标以及预测模型设计梯度晶格结构，并据此设计梯度骨骼植入体结构。2.根据权利要求1所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，步骤S101中，所述梯度晶格结构采用尺寸为3mm
×
3mm
×
3mm的正方体为胞元结构，整个梯度晶格结构由8个胞元结构沿每个坐标方向(x、y、z)重复排列组成，总尺寸为20mm
×
20mm
×
20mm；且沿着制造方向，每个梯度晶格结构的底部设置有尺寸为20mm
×
20mm
×
2mm的底板。3.根据权利要求1所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，所述梯度晶格结构包括均匀梯度的U型结构、密度梯度垂直于加载方向的G1型结构以及密度梯度沿加载方向的G2型结构。4.根据权利要求1所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，在使用有限元分析时，基于软件模拟受压力载荷作用下所述梯度晶格结构表面的应力分布；其中：将316L不锈钢的弹性模量187GPa，泊松比0.3设置成所述梯度晶格结构的弹性特性，力学工况为正方体的一个顶点受到沿Z轴向下的压力，与该顶点对角线相对应的顶点的位移被完全约束；优化目标为正方体的相对密度，设置为0.20
‑
0.50；优化后的模型输出为.STL格式的模型群，通过Magics商业软件，对模型进行平滑化修复，并通过镜像操作，将8个胞元结构堆叠成一个完整的单元点阵结构；最后，在xyz三个方向上各堆叠6个单元点阵结构，形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢志韬，杨铠宇，徐仰立，杨泽凌，陈珏雄，范辉平，郑佳玮，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：