<img height=\"1\" width=\"1\" style=\"display:none\" src=\"https://www.facebook.com/tr?id=445424938985795&ev=PageView&noscript=1\" />
 
 
 
 

 

 
 
 
+7 (812) 313-18-10 
 
 

 

Вы можете узнать еще больше об аддитивных технологиях, а также познакомиться лично с автором статьи на Technology Days 2019 в Санкт-Петербурге. Ждем Вас на конференции 19-20 сентября! Регистрация обязательна

  

 
 

 

Процесс создания челюстного импланта с применением технологий конвергентного моделирования

Новое слово в реинжиниринге 

 
 
 

 

 

Автор статьи Максим Нехорошев, специалист IDEAL PLM по конструкторской подготовке 

В данной статье Вы ознакомитесь с методикой создания медицинского импланта человеческой челюсти: от проектирования до генерации траектории для 3D-печати. На примере проектирования импланта будут показаны отличительные особенности конвергентного моделирования применительно к реверс-инжинирингу.

Статью дополняет видео, в котором более подробно рассмотрен процесс разработки импланта, а также его подготовка для печати.

 

   

 

 

В последнее время в нашей стране наблюдается повышенный интерес к реверс инжинирингу. Это обуславливается рядом причин:

  • Во-первых, из-за возникшей необходимости импортозамещения дорогостоящих зарубежных комплектующих

  • Во-вторых, возможность создания индивидуальных имплантов для любого человека

  • И, в-третьих, относительное снижение стоимости сканирующего и печатающего оборудования

 

 
 
 

Ещё относительно недавно для внесения изменений в отсканированную фасетную модель требовалось её преобразовывать в твердотельную или в набор NURBS-поверхностей. Зачастую, для этого использовалось несколько отдельных программ.

Всё изменилось с появлением технологии конвергентного моделирования, которую представила компания Siemens PLM Software. Данная технология позволяет работать с фасетными телами в ядре твердотельного моделирования Parasolid.

На практике это означает, что теперь для работы с фасетным телом можно использовать те же команды, что и при обычном моделировании в NX.

Например, к конвергентному телу можно применить булевы операции (объединение, вычитание, пересечение), создать уклон, эквидистантно сместить грань и т. д.

Конвергентные тела поддерживаются всеми модулями NX. Соответственно:

  • с ними можно производить всевозможные виды расчетов в САЕ-модуле;
  • по ним можно генерировать траекторию обработки в САM-модуле;
  • их можно распечатывать на 3D-принтере при помощи аддитивного модуля.

Помимо собственного формата NX, конвергентные тела поддерживаются новой версией нейтрального формата STEP 242

 
 
 

  

 

Рисунок 1 – Техническое задание на проектирование импланта челюсти

 

 

 

Далее в статье будет продемонстрирована методика полного цикла создания медицинского импланта человеческой челюсти: от его проектирования до генерации траектории для 3D-печати.

Согласно техническому заданию, имплант будет создан из титанового сплава для левой половины челюсти. Протез должен крепиться к оставшейся половине челюсти, быть максимально облегченным, а также иметь выборку под зубами для укладки в это место костной ткани - с целью установки зубных имплантов в будущем (см. Рисунок 1).

Фасетная модель черепа была получена на основании магнитно-резонансной томографии (МРТ) и последующей конвертации снимков формата DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) в формат STL.

 

 

 
 

 

В начале проектирования необходимо вычленить челюсть из модели черепа (см. Рисунок 2). Для этого можно воспользоваться как классическими функциями (обрезка тела плоскостью, вытягивание с вычитанием и т. д.), так и операциями фасетного моделирования (обрезка фасетного тела).

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Вычленение геометрии челюсти

 

 

 

  

После того, как геометрия челюсти получена, требуется уменьшить размеры ячейки фасетного тела. Это делается для получения большей точности при последующем моделировании (см. Рисунок 3).

 

 

Рисунок 3 – Переразбиение размера ячейки фасетного тела

 

 

  

По завершении всех операций обрезки и удаления лишних элементов, необходимо зашить имеющиеся разрывы в фасетной сетке тела. После того, как фасетное тело полностью лишено разрывов и обрело замкнутый объем, система начнет его воспринимать как твердотельное (см. Рисунок 4).

 

 
Рисунок 4 – Зашивка разрывов на фасетном теле

 

 

  

На заключительной стадии фасетного моделирования требуется избавиться от ступенчатости модели, полученной вследствие конвертации снимков МРТ в STL. Это достигается операцией «Сглаживание». В команде можно выбрать желаемый коэффициент сглаживания и количество итераций (см. Рисунок 5)

 

 

Рисунок 5 – Сглаживание фасетного тела

 

 

  

На данном этапе работа с фасетным телом не будет отличаться от работы с обычным. По сути, с этого момента и начинается ассоциативное конвергентное моделирование (т. е. все операции в хронологическом порядке будут внесены в дерево построения).

Приступим к проектированию крепления. Оно должно повторять форму оставшейся части челюсти, поэтому на вспомогательной плоскости создается эскиз с его профилем. Затем эскиз проецируется на тело (см. Рисунок 6). С помощью полученных кривых произведем разделение грани, так как на данный момент всё тело челюсти является единой гранью

 

 

Рисунок 6 – Проецирование эскиза на конвергентное тело

 

 

  

Затем придаем толщину вновь образованным граням крепления, как если бы работали с обычными поверхностями. Теперь модель челюсти можно разделить вспомогательной плоскостью, а тело импланта объединить с ушами крепления (см. Рисунок 7).

 

 

Рисунок 7 – Завершение построения крепления импланта

 

 

  

Создание выемки под костную ткань начнем со сплайна. Наносим его на поверхность тела путем вытягивания этой линии под углом к нормали грани импланта. Получим нижнюю поверхность ниши.

По аналогии вытягиваем боковую поверхность выемки. Образовавшиеся поверхности сшиваем, накладываем скругление между ними. Далее по полученному набору поверхностей производим обрезку тела (см. Рисунок 8).

 

 

 

Рисунок 8 – Создание выемки под костную ткань

 

 

  

По тому же принципу формируем объем под облегчение. С помощью сплайнов на поверхности ограничиваем будущее пространство. Полученные линии вытягиваем, сшиваем и накладываем скругления. Затем этим набором поверхностей осуществляем разделение тела на два объема (см. Рисунок 9).



  

Рисунок 9 – Формирование объема под облегчение

 

 

  

На заключительном этапе моделирования сформируем сетчатую структуру из объема под облегчение. Для данной задачи оптимальной будет тетраэдральная решетка с постоянным размером фасета. После построения решетки объединим ее с оставшимся телом импланта (см. Рисунок 10).

 

 
 

Рисунок 10 – Создание сетчатой структуры

 

 

 

После того, как конвергентная модель импланта получена, ее можно экспортировать во внешние форматы. Или же продолжить с ней дальнейшую работу, а именно - подготовить протез к 3D-печати. 

Рассмотрим подробно процесс генерации траектории послойной печати в модуле NX «Аддитивное производство». Данный модуль интегрируется с решениями фирмы Materialise и позволяет работать с большим количеством SLA- и SLM-принтеров. Для имитации работы с 3D-принтером установим демонстрационные версии программ Materialise Build Processors (процессор построения слоев печати) и Materialise Inspector  (визуализатор слоев печати).

В демонстрационной версии Materialise Build Processors имеется набор из нескольких виртуальных принтеров. Выберем один из них для дальнейшей работы. Размещение детали на столе станка осуществляется командой «Переместить компонент», аналогичной той, что имеется в модуле сборки NX (см. Рисунок 11).

 

 

Рисунок 11 – Размещение модели импланта на столе 3D-принтера

 

 

  

На следующем этапе работы необходимо создать поддерживающие структуры, т. е. дополнительную геометрию, которая будет поддерживать основной материал во время печати, а также отводить от него тепло. «Поддержки» должны быть легкоотделяемыми от основной детали.

Инструментарий NX позволяет создавать «поддержки» разных типов (блоки, линии, точки, древовидные и т. д.) на разных участках печатающейся детали, а также генерировать их в ручном либо автоматическом режиме.

У «поддержки» есть более 80-ти геометрических атрибутов, которые позволяют её полностью видоизменить, например, добавить перфорацию (см. рисунок 12). Для многократного использования геометрии имеется библиотека профилей структур «поддержек». В библиотеке имеется возможность импортирования поддерживающих структур из программного обеспечения, обычно поставляющегося вместе с 3D-принтерами

 

 

 

Рисунок 12 – Создание структуры поддержки

 

 

  

После того, как получена геометрия импланта с «поддержками», необходимо задать стратегию построения слоёв для печати. На реальных принтерах данные режимы идут обычно в поставке с самим станком. Однако отладка данных параметров занимает довольно продолжительное время, так как зависит от ряда факторов: начиная от вида материала и заканчивая климатическими условиями во время печати.

Отработка режимов печати осуществляется большим количеством физических экспериментов, вследствие чего сами режимы могут являться продуктом для продажи. Режимы печати, по сути, представляют собой параметры работы лазера и рабочих органов станка с большим количеством изменяемых настроек. В данной статье выбираем режим для печати титанового сплава с «шахматным» заполнением печатного слоя (см. Рисунок 13).

 

Рисунок 13 – Выбор стратегии для печати

 

 

  

Далее производится генерация слоев и траектории их печати. В зависимости от геометрии печатаемых деталей, а также от их количества, данный процесс может занять продолжительное время. Ход процесса отображается в окне Materialise Build Processors (см. Рисунок 14).

 

 

Рисунок 14 – Окно генерации послойной траектории печати

 

 

  

После отправки модели на печать формируется файл с расширением *.job, в котором находятся параметры печати. Данный файл содержит в себе не только геометрию, но и режимы работы компонентов станка. Однако использование его на реальных 3D-принтерах невозможно ввиду демонстрационного режима работы Materialise Build Processors.

Просмотреть печатные слои можно в визуализаторе Materialise Inspector (см. Рисунок 15). В визуализаторе имеются разные варианты отображения сгенерированных слоёв, также есть возможность проанализировать траектории печати и «холостых» ходов.

 

 

Рисунок 15 – Окно визуализатора послойной печати фирмы «Materialise»

 

 

  

В данной статье на примере проектирования импланта человеческой челюсти были показаны отличительные особенности конвергентного моделирования применительно к реверс инжинирингу. С целью демонстрации полного цикла производства, реализованного в NX, для полученного импланта были сгенерированы слои и траектории печати.

Стоит отметить, что инструментарий модуля NX «Аддитивное производство» очень богат и включает в себя широкий набор инструментов по анализу печати. Рассмотреть их все в одной статье не представляется возможным.

В видео более подробно рассмотрен процесс создания импланта, а также его подготовка для 3D-печати

 

  

 
 
 

 

Ваши вопросы и комментарии по статье

 

Вопросы и комментарии по статье "Процесс создания челюстного импланта с применением технологий конвергентного моделирования"





* Поля, отмеченные звездочкой, обязательны для заполнения

Нажимая на кнопку "Отправить", вы даете согласие на обработку своих персональных данных

 

 

 

Контакты

 

контакты






* Поля, отмеченные звездочкой, обязательны для заполнения

Нажимая на кнопку "Отправить", вы даете согласие на обработку своих персональных данных

 

 

Адрес

Кондратьевский пр. 15, корп. 3.
б/ц “Фернан Леже”,
офис 319

Время работы

Пн - Пт
10.00 - 18.00

       

Телефон

+7 (812) 313-18-10  

E-mail 

contact@ideal-plm.ru

Заказать звонок

Мы позвоним
в рабочее время

Позвоните мне
Нажимая на кнопку "Заказать звонок", вы даете согласие c Политикой обработки персональных данных
Спасибо,

Спасибо! Заявку получили, сейчас позвоним.

Подождите,

Ваша заявка обрабатывается!