拓扑优化,让植入体融入你的身体

      摘要:随着计算机硬件和软件性能的提升,利用计算机辅助设计以及制作(CAD/CAM)牙齿修复体,已经成为了一些医疗研究机构研发的重要手段。本文采用 solidThinking Inspire 软件,对义齿支撑金属桥进行结构优化和探索设计优化。希望能通过,拓扑优化的方法,在满足强度的前提下,尽可能地达到轻量化设计。通过模拟优化结果显示,在保留材料 10%-20%的时候,义齿支撑金属桥可以满足强度要求,并且重量最轻。solidThinking Inspire 凭借其界面易用,操作便捷,优化速度快等优点,满足义齿支撑金属桥结构设计探索的要求。 

      关键词:轻量化设计 拓扑优化 植入体 牙科

      1 植入系统研发的困惑 

      随着计算机硬件和软件性能的提升,利用计算机辅助设计以及制作(CAD/CAM)牙齿修复体,已经成为了一些医疗研究机构研发的重要手段。但在目前的相关研究中,很多设计方案仍停留在,CAD建模,到数字模拟,输出结果,再改进CAD模型的传统解决方式上。由于受到这种传统产品设计流程的局限,牙科植入系统很难兼顾控制植入体的重量和载荷均匀分布的情况下,保证优良的结构设计。这种情况下,要想研发出优秀的产品,就要投入巨大的人力,物力和财力。这必定推高 产品的价格,使得贫民百姓难以享受到高科技带来的实惠。

      在大自然中,存在着各种鬼斧神工的神来之作,比如鸟类骨骼翅膀的中空结构,使得鸟的身体不但轻盈,而且非常坚固;比如热带雨林中榕树的气根形状和生长方式,可以支撑起几个平方公里的树冠;又如那六边形的蜜蜂巢穴,尽量减少宝贵的蜂蜡的用量,还能保证每个巢穴拥有最大的立体空间。但对于仿生结构设计来说,有些大自然给我们带来的经验是难以百分之百被照搬的。

      而Altair solidThinking Inspire给我们带来了一个优秀的解决方案。采用了连续拓扑优化技术的solidThinking Inspire,通过对结构上的材料进行去除,以便得到最佳的结构。这款产品主要面向设计师,具有人性化的界面和便捷的操作方式。让没有CAE基础的人,也可以发挥想象,随心所欲的享受探索设计的快乐。

      2 Inspire义齿载体植入物优化

      在2013年欧洲ATC大会上,意大利都灵理工大学的Massimiliano VALLE教授,通过使用OptiStruct拓扑优化技术,实现了对义齿支撑金属桥的轻量化结构,重量仅为原来的40%。这个优化过程,我们同样可以在solidThinking Inspire中实现。

      2.1建模

      solidThinking Inspire可以导入多种CAD文件格式,也可以十分方便的在Inspire中直接建模。使用拉伸工具,可以快速将二维草图拉伸为三维模型。如图1所示,上面半圆弧部分(红色),是承载义齿部分和下面螺丝孔(红色),用来把金属桥固定在下颌骨上,这两部分被定义为非设计优化空间。而中间灰色半透明部分为设计空间。

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                                                                                图1义齿支撑金属桥模型

      2.2网格化分

      在solidThinking Inspire中,采用了跟OptiStruct同样的有限元方法,但网格是自动化分的,通常情况下不需要人为干预。如果有需要的话,可以在组件的Mesh选项中,自定义网格的参数。在这个模型中,所有的非设计空间网格设置为自动化分,设计空间网格设置为最小网格1毫米,平均网格大小3毫米。 

      2.3材料和属性

      由于solidThinking Inspire集成了多种金属材料和塑料的材料特性,节省了很多建模时间。当然,如果有需要的话,也可以自定义材料特性。在这里,使用最常用的医用不锈钢AISI304。

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                                                                               图2模型组件材料特性

      2.4义齿支撑金属桥受力和约束

      在solidThinking Inspire中,可以施加均布载荷,点加载和扭矩。这样,正好满足了义齿支撑金属桥模拟分析的加载要求。由于因个人牙齿咬合的习惯不同(图3),其加载相对比较复杂。在每颗牙齿上的受力(600N),也可以等效为压力。在此,使用等效压力加载条件进行模拟,并固定六个螺孔在六个方向上的自由度。

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                                                                               图3义齿支撑金属桥受力和约束   左:等效压力    右:点加载

      2.5模拟结果

      在均布载荷的加载条件下,保留15%,20%,25%材料的拓扑优化结果被展示在图4中。拓扑优化结果显示,去除材料15%左右,可以在保证强度的基础上,最大程度的减轻义齿支撑金属桥的重量。

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                                                                               图4均布载荷条件下的拓扑优化结果

      另外,还可以通过以鼠标拖动的方式,对优化结果进行探索。

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                                                                               图5拓扑优化结果探索设计

      3 结论

      通过solidThinking Inspire对义齿支撑金属桥的拓扑优化,结果显示在保留材料10%-20%之间,可以在保证强度的前提下,最大优化材料的使用量,即金属桥的重量。

      与传统拓扑优化软件相比,solidThinking Inspire有着界面简洁,操作简便,更快实现探索优化设计等特点。足可以满足义齿支撑金属桥结构设计和优化的需求。特别是Inspire,从建模到拓扑优化的流程简便,速度快。义齿支撑金属桥的结构优化,从建模到拓扑优化,对于一个Inspire新手来 说,仅仅几个小时就可以实现。并可以根据个体的情况不同进行设计修改。使用双核,四线程8G内存笔记本,在64位操作系统平台上,不到10分钟做可以跑完一次模拟。这些优点,为降低医疗产品设计周期,提高产品质量和设计成功率,提供了一条新的道路。

  


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