Новое слово в реинжиниринге: создание челюстного имплантата с применением конвергентного моделирования

Статья Максима Нехорошева, специалиста IDEAL PLM по конструкторской подготовке, описывает методику создания медицинского имплантата человеческой челюсти — от проектирования до генерации траектории для 3D-печати. На примере проектирования имплантата показаны отличительные особенности конвергентного моделирования применительно к реверс-инжинирингу.

Познакомиться с аддитивными технологиями поближе и встретиться с автором статьи можно 19-20 сентября на конференции Technology Days 2019 в Санкт-Петербурге. Регистрация обязательна. 

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, появилась возможность создания индивидуальных имплантатов для любого человека. В-третьих, из-за относительного снижения стоимости сканирующего и печатающего оборудования. 

  Еще относительно недавно для внесения изменений в отсканированную фасетную модель требовалось преобразовывать ее в твердотельную или в набор NURBS-поверхностей. Зачастую для этого использовалось несколько отдельных программ. Все 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 так далее. 

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 . 

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

Согласно техническому заданию имплантат 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 имплантатов в будущем (см. рисунок 1). 

Фасетная модель черепа 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 так далее), так и операциями фасетного моделирования (обрезка фасетного тела). 

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

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).

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)

На данном этапе работа с фасетным телом не будет отличаться от работы с обычным. По сути, с этого момента и начинается ассоциативное конвергентное моделирование, то есть 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 все тело челюсти является единой гранью. 

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

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). 

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).

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 имплантата (см. рисунок 10).

После того как конвергентная модель имплантата 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 3D-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). 

На следующем этапе работы необходимо создать поддерживающие структуры, то есть 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 так далее) на разных участках печатающейся детали, а также генерировать их в ручном, либо автоматическом режиме. 

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

После того как получена геометрия имплантата с «поддержками», необходимо задать стратегию построения слоев для печати. На реальных принтерах данные режимы обычно идут в поставке с самим станком, однако отладка параметров занимает довольно продолжительное время, так как зависит от ряда факторов, начиная с 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). 

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).

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 слоев, также есть возможность проанализировать траектории печати и «холостых» ходов. 

В данной статье на примере проектирования имплантата человеческой челюсти были показаны отличительные особенности конвергентного моделирования применительно к реверс-инжинирингу. С целью демонстрации полного цикла производства, реализованного в NX, для полученного имплантата 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 имплантата, а также его подготовка к 3D-печати: 

Автор: Максим Нехорошев. Материал опубликован с разрешения компании IDEAL PLM.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.