¬аше окно в мир —јѕ–
 
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

12 сент€бр€ 2019

ѕроцесс создани€ челюстного импланта с применением технологий конвергентного моделировани€

ћаксим Ќехорошев, специалист IDEAL PLM по конструкторской подготовке

Ќехорошев

ќригинал статьи на сайте компании IDEAL PLM
¬ данной статье вы ознакомитесь с методикой создани€ медицинского импланта человеческой челюсти: от проектировани€ до генерации траектории дл€ 3D-печати. Ќа примере проектировани€ импланта будут показаны отличительные особенности конвергентного моделировани€ применительно к реверс-инжинирингу.
—татью дополн€ет видео, в котором более подробно рассмотрен процесс разработки импланта, а также его подготовка дл€ печати.


¬ последнее врем€ в нашей стране наблюдаетс€ повышенный интерес к реверс-инжинирингу. Ёто обуславливаетс€ р€дом причин:
  • во-первых, возникшей необходимостью импортозамещени€ дорогосто€щих зарубежных комплектующих;

  • во-вторых, возможностью создани€ индивидуальных имплантов дл€ любого человека;

  • и в-третьих, относительным снижением стоимости сканирующего и печатающего оборудовани€.


≈щЄ сравнительно недавно дл€ внесени€ изменений в отсканированную фасетную модель требовалось преобразовывать еЄ в твердотельную или в набор NURBS-поверхностей. «ачастую дл€ этого использовалось несколько отдельных программ. ¬сЄ изменилось с по€влением технологии конвергентного моделировани€, которую представила компани€ Siemens PLM Software. ƒанна€ технологи€ позвол€ет работать с фасетными телами в €дре твердотельного моделировани€ Parasolid. Ќа практике это означает, что теперь дл€ работы с фасетным телом можно использовать те же команды, что и при обычном моделировании в NX.

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

 онвергентные тела поддерживаютс€ всеми модул€ми NX. —оответственно:

  • с ними можно производить всевозможные виды расчетов в —ј≈-модуле;
  • по ним можно генерировать траекторию обработки в —јM-модуле;
  • их можно распечатывать на 3D-принтере при помощи аддитивного модул€.
ѕомимо собственного формата NX, конвергентные тела поддерживаютс€ новой версией нейтрального формата STEP 242.

ƒалее в статье будет продемонстрирована методика полного цикла создани€ медицинского импланта человеческой челюсти: от его проектировани€ до генерации траектории дл€ 3D-печати.

—огласно техническому заданию, имплант будет создан из титанового сплава дл€ левой половины челюсти. ѕротез должен крепитьс€ к оставшейс€ половине челюсти, быть максимально облегченным, а также иметь выборку под зубами дл€ укладки в это место костной ткани Ц с целью установки зубных имплантов в будущем (рис. 1).

‘асетна€ модель черепа была получена на основании магнитно-резонансной томографии (ћ–“) и последующей конвертации снимков формата DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) в формат STL.

челюстной имплант

–ис. 1. “ехническое задание на проектирование импланта челюсти

¬ начале проектировани€ необходимо вычленить челюсть из модели черепа (рис. 2). ƒл€ этого можно воспользоватьс€ как классическими функци€ми (обрезкой тела плоскостью, выт€гиванием с вычитанием и т. д.), так и операци€ми фасетного моделировани€ (обрезкой фасетного тела).
челюстной имплант

–ис. 2. ¬ычленение геометрии челюсти

ѕосле того как геометри€ челюсти получена, требуетс€ уменьшить размеры €чейки фасетного тела. Ёто делаетс€ дл€ получени€ большей точности при последующем моделировании (рис. 3).
челюстной имплант

–ис. 3. ѕереразбиение размера €чейки фасетного тела

ѕо завершении всех операций обрезки и удалени€ лишних элементов необходимо зашить имеющиес€ разрывы в фасетной сетке тела. ѕосле того как фасетное тело полностью лишено разрывов и обрело замкнутый объем, система начнет его воспринимать как твердотельное (рис. 4).
челюстной имплант

–ис. 4. «ашивка разрывов на фасетном теле

Ќа заключительной стадии фасетного моделировани€ требуетс€ избавитьс€ от ступенчатости модели, полученной вследствие конвертации снимков ћ–“ в STL. Ёто достигаетс€ операцией Ђ—глаживаниеї. ¬ команде можно выбрать нужный коэффициент сглаживани€ и количество итераций (рис. 5).
челюстной имплант

–ис. 5. —глаживание фасетного тела

Ќа данном этапе работа с фасетным телом не будет отличатьс€ от работы с обычным. ѕо сути, с этого момента и начинаетс€ ассоциативное конвергентное моделирование (то есть все операции в хронологическом пор€дке будут внесены в дерево построени€).

ѕриступим к проектированию креплени€. ќно должно повтор€ть форму оставшейс€ части челюсти, поэтому на вспомогательной плоскости создаетс€ эскиз с его профилем. «атем эскиз проецируетс€ на тело (рис. 6). — помощью полученных кривых произведем разделение грани, так как на данный момент всЄ тело челюсти €вл€етс€ единой гранью.

челюстной имплант

–ис. 6. ѕроецирование эскиза на конвергентное тело

«атем придаем толщину вновь образованным гран€м креплени€, как если бы работали с обычными поверхност€ми. “еперь модель челюсти можно разделить вспомогательной плоскостью, а тело импланта объединить с ушами креплени€ (рис. 7).
челюстной имплант

–ис. 7. «авершение построени€ креплени€ импланта

—оздание выемки под костную ткань начнем со сплайна. Ќаносим его на поверхность тела путем выт€гивани€ этой линии под углом к нормали грани импланта. ѕолучим нижнюю поверхность ниши.

ѕо аналогии выт€гиваем боковую поверхность выемки. ќбразовавшиес€ поверхности сшиваем, накладываем скругление между ними. ƒалее по полученному набору поверхностей производим обрезку тела (рис. 8).

челюстной имплант

–ис. 8. —оздание выемки под костную ткань

ѕо тому же принципу формируем объем под облегчение. — помощью сплайнов на поверхности ограничиваем будущее пространство. ѕолученные линии выт€гиваем, сшиваем и накладываем скруглени€. «атем этим набором поверхностей осуществл€ем разделение тела на два объема (рис. 9).
челюстной имплант

–ис. 9. ‘ормирование объема под облегчение

Ќа заключительном этапе моделировани€ сформируем сетчатую структуру из объема под облегчение. ƒл€ данной задачи оптимальной будет тетраэдральна€ решетка с посто€нным размером фасета. ѕосле построени€ решетки объединим ее с оставшимс€ телом импланта (рис. 10).
челюстной имплант

–ис. 10. —оздание сетчатой структуры

ѕосле того как конвергентна€ модель импланта получена, ее можно экспортировать во внешние форматы. »ли же продолжить с ней дальнейшую работу, а именно Ц подготовить протез к 3D-печати.

–ассмотрим подробно процесс генерации траектории послойной печати в модуле NX Ђјддитивное производствої. ƒанный модуль интегрируетс€ с решени€ми фирмы Materialise и позвол€ет работать с большим количеством SLA- и SLM-принтеров. ƒл€ имитации работы с 3D-принтером установим демонстрационные версии программ Materialise Build Processors (процессор построени€ слоев печати) и Materialise Inspector (визуализатор слоев печати).

¬ демонстрационной версии Materialise Build Processors имеетс€ набор из нескольких виртуальных принтеров. ¬ыберем один из них дл€ дальнейшей работы. –азмещение детали на столе станка осуществл€етс€ командой Ђѕереместить компонентї, аналогичной той, что имеетс€ в модуле сборки NX (рис. 11).

челюстной имплант

–ис. 11. –азмещение модели импланта на столе 3D-принтера

Ќа следующем этапе работы необходимо создать поддерживающие структуры, то есть дополнительную геометрию, котора€ будет поддерживать основной материал во врем€ печати, а также отводить от него тепло. Ђѕоддержкиї должны быть легкоотдел€емыми от основной детали.

»нструментарий NX позвол€ет создавать Ђподдержкиї разных типов (блоки, линии, точки, древовидные и т. д.) на разных участках печатающейс€ детали, а также генерировать их в ручном либо автоматическом режиме.

” Ђподдержкиї есть более 80 геометрических атрибутов, которые позвол€ют еЄ полностью видоизменить, например, добавить перфорацию (рис. 12). ƒл€ многократного использовани€ геометрии имеетс€ библиотека профилей структур Ђподдержекї. ¬ библиотеке имеетс€ возможность импортировани€ поддерживающих структур из программного обеспечени€, обычно поставл€ющегос€ вместе с 3D-принтерами.

челюстной имплант

–ис. 12. —оздание структуры поддержки

ѕосле того как получена геометри€ импланта с Ђподдержкамиї, необходимо задать стратегию построени€ слоЄв дл€ печати. Ќа реальных принтерах данные режимы идут обычно в поставке с самим станком. ќднако отладка данных параметров занимает довольно продолжительное врем€, так как зависит от р€да факторов: начина€ от вида материала и заканчива€ климатическими услови€ми во врем€ печати.

ќтработка режимов печати осуществл€етс€ большим количеством физических экспериментов, вследствие чего сами режимы могут €вл€тьс€ продуктом дл€ продажи. –ежимы печати, по сути, представл€ют собой параметры работы лазера и рабочих органов станка с большим количеством измен€емых настроек. ¬ нашем случае выберем режим дл€ печати титанового сплава с Ђшахматнымї заполнением печатного сло€ (рис. 13).

челюстной имплант

–ис. 13. ¬ыбор стратегии дл€ печати

ƒалее производитс€ генераци€ слоев и траектории их печати. ¬ зависимости от геометрии печатаемых деталей, а также от их количества процесс может зан€ть продолжительное врем€. ’од процесса отображаетс€ в окне Materialise Build Processors (рис. 14).
челюстной имплант

–ис. 14. ќкно генерации послойной траектории печати

ѕосле отправки модели на печать формируетс€ файл с расширением *.job, в котором наход€тс€ параметры печати. Ётот файл содержит в себе не только геометрию, но и режимы работы компонентов станка. ќднако использование его на реальных 3D-принтерах невозможно ввиду демонстрационного режима работы Materialise Build Processors.

ѕросмотреть печатные слои можно в визуализаторе Materialise Inspector (рис. 15). ¬ визуализаторе имеютс€ разные варианты отображени€ сгенерированных слоЄв, также есть возможность проанализировать траектории печати и Ђхолостыхї ходов.

челюстной имплант

–ис. 15. ќкно визуализатора послойной печати фирмы ЂMaterialiseї


Ќа примере проектировани€ импланта человеческой челюсти мы показали отличительные особенности конвергентного моделировани€ применительно к реверс-инжинирингу. — целью демонстрации полного цикла производства, реализованного в NX, дл€ полученного импланта были сгенерированы слои и траектории печати.

—тоит отметить, что инструментарий модул€ NX Ђјддитивное производствої очень богат и включает в себ€ широкий набор инструментов по анализу печати. –ассмотреть их все в одной статье не представл€етс€ возможным. ¬ видео более подробно рассмотрен процесс создани€ импланта, а также его подготовка дл€ 3D-печати.

¬ы можете узнать еще больше об аддитивных технологи€х, а также познакомитьс€ с автором статьи лично на Technology Days 2019 в —анкт-ѕетербурге. ∆дем ¬ас на конференции 19-20 сент€бр€!
–егистраци€ об€зательна



¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

-->

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: ÷ифровой тройник
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

 ак подготовить стадию ѕ инженерных разделов внутренних сетей в Revit MEP — ≈катерина ѕодобед, эксперт по ќ¬ √  Ђ»нфарсї (13 но€бр€ 2019)
isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2019 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.