一种骨科植入物用多孔结构力学性能预测方法技术

本发明专利技术公开一种骨科植入物用多孔结构力学性能预测方法，该方法包括构建骨科植入物用菱形十二面体多孔结构，所述菱形十二面体多孔结构的单元尺寸L在1～2.5mm范围，对应的孔隙率在61.65％～92.26％范围内；骨科植入物用菱形十二面体多孔结构的弹性模量E和抗压强度σ即可根据固定的公式计算出来。采用本发明专利技术的预测方法可以直接获得多孔结构的力学性能，且预测的力学性能更精确。测的力学性能更精确。测的力学性能更精确。

【技术实现步骤摘要】
一种骨科植入物用多孔结构力学性能预测方法


[0001]本专利技术涉及多孔结构领域，更具体涉及一种骨科植入物用多孔结构力学性能预测方法。

技术介绍

[0002]当前骨科植入物如椎间融合器、髋臼杯以及齿科种植体等，多由致密金属经机械加工制造而成。然而致密金属的弹性模量远高于人体骨，在植入后容易产生应力遮挡现象，使得应力无法有效地传播至骨组织，易发生骨吸收，皮质骨逐渐变薄，最终导致植入体发生松动。多孔结构是由形成孔穴的棱边和壁面的固体杆或板所构成的相互联通的网络体，自然界中常见的多孔结构如珊瑚、蜂窝等。多孔接结构可大幅降低致密金属的弹性模量，有效改善应力遮挡现象，为骨科疾病患者带来福音。
[0003]现有多孔结构力学性能的研究多为通过尺寸设计然后进行实验验证，存在耗费时间长、财力成本较高的问题。通过本专利技术可对多孔结构的力学性能进行准确的预测，有效降低时间、财力成本，更有利于孔钛合金在骨科植入体领域的应用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种骨科植入物用多孔结构力学性能预测方法，具体技术方案如下：
[0005]一种骨科植入物用多孔结构力学性能预测方法，
[0006]构建骨科植入物用菱形十二面体多孔结构，所述菱形十二面体多孔结构的单元尺寸L在1～2.5mm范围，对应的孔隙率在61.65％～92.26％范围内；
[0007]构建的菱形十二面体多孔结构的弹性模量E和抗压强度σ为：
[0008][0009][0010][0011]其中，E/>S
为钛合金的弹性模量，为由钛合金制成的多孔结构的相对密度；σ
S
为钛合金的抗压强度。
[0012]进一步地，钛合金的弹性模量E
S
为113GPa，钛合金的抗压强度σ
S
为970MPa。
[0013]本专利技术的有益效果如下：
[0014]采用本专利技术的预测方法可以直接获得多孔结构的力学性能，且预测的力学性能更精确。
附图说明
[0015]图1为草图线条意图。
[0016]图2为菱形十二面体多孔结构示意图。
[0017]图3为多孔结构几何参数示意图。
[0018]图4为多孔结构相对弹性模量与相对密度关系示意图。
[0019]图5为多孔结构相对抗压强度与相对密度关系示意图。
具体实施方式
[0020]下面根据附图和优选实施例详细描述本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0021]本专利技术实施例的骨科植入物用多孔结构力学性能预测方法，通过创建Gibson
‑
Ashby预测模型，并通过多个多孔结构进行试验，获得Gibson
‑
Ashby预测模型的参数，从而获得能够对多孔结构力学性能进行预测的预测模型。
[0022]首先使用UG软件建立骨科植入物用菱形十二面体多孔结构的三维模型。在草图上绘制正方体框架，将正方体的对角顶点使用直线相连，并对直线进行修剪，得到草图线条如图1所示。然后对直线使用“管”命令，设置内径为0，外径赋予数值，使得直线转变为支杆。最后通过平移、旋转操作得到菱形十二面体多孔结构的三维模型，如图2所示。
[0023]对菱形十二面体多孔结构的单元尺寸进行设计，用来表征多孔结构的几何参数有单元尺寸L、支杆直径D、孔隙率P，孔隙率为空隙体积占最大外围边界体积的百分比，如图3所示。单元尺寸L即为包围正十二面体的最小正方体的边长。菱形十二面体的单元尺寸在1～2.5mm范围内，支杆直径均为225μm，对应的孔隙率在61.65％～92.26％范围内，满足骨科植入物的孔隙率需求。
[0024]将三维模型导入Magics软件中进行支撑设计及前处理，将三维模型导入Magics软件并在模型的底部设计0.2mm厚度的实体支撑，以便进行线切割工作。将处理好的模型进行切片前处理，分层厚度为35μm。采用雷尼绍AM250选区激光熔化系统成型Ti6Al4V合金材料的正十二面体多孔结构压缩试件，成型的工艺参数为激光功率195W、扫描速度1150mm/s、扫描间距65μm、铺粉层厚35μm。
[0025]采用CMT5105型号电子万能试验机对不同单元尺寸试件的力学性能进行测试，得到压缩应力
‑
应变曲线。试件的抗压强度为曲线上的第一峰值应力，弹性模量为曲线在线弹性阶段的斜率。
[0026]本实施例构建了7个菱形十二面体多孔结构的三维模型，具体尺寸及其对应的弹性模量和抗压强度如表1所示。
[0027]表1 7个三维模型的单元尺寸及其对应的弹性模量和抗压强度
[0028]单元尺寸/mm孔隙率/％抗压强度/MPa弹性模量/GPa161.656.51568.861.2573.314.62334.771.580.473.91206.011.7585.132.46134.97288.321.9689.54
2.2590.591.3465.382.592.260.9739.39
[0029]Gibson
‑
Ashby预测模型形式如下：
[0030][0031][0032]式中E为钛合金的弹性模量，E
S
为钛合金的弹性模量，具体为113GPa，σ为多孔钛合金的抗压强度970MPa，σ
S
为钛合金的抗压强度，为由钛合金制成的多孔结构的相对密度，即1
‑
P，C1、C2、n1、n2为与多孔结构几何形态、参数等有关的常数。
[0033]使用Origin软件的非线性曲线拟合功能，创建以下函数主体：
[0034]y1＝E
S
*C(1
‑
x)^n1[0035]y2＝σ
S
*C(1
‑
x)^n2[0036]式中y1即为E，y2即为σ，x为孔隙率因此(1
‑
x)即为
[0037]设置x为自变量，y1、y2为因变量，参数E
S
值为113，参数σ
S
为970，参数的C1、C2、n1、n2的初始值为1。
[0038]将求得的7个抗压强度和弹性模量代入预测模型对常数进行拟合直至收敛，求解得到具体的Gibson
‑
Ashby预测模型如下：
[0039][0040][0041]解得C1＝0.16，n1＝1.03，C2＝2.56，n2＝1.53，
[0042]相关系数R2是对模型的可靠性的表征，通过拟合得到均大于95，如图4、图5所示，说明该预测模型具有良好的预测效果。
[0043]而正十二面体多孔结构相对密度与单元尺寸之间的关系为：
[0044][0045]因此可根据该模型可对多孔结构的力学性能进行预测，通过改变多孔结构的单元尺寸来获得不同的相对密度，进而通过预测模型计算得到更多不同数值的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种骨科植入物用多孔结构力学性能预测方法，其特征在于，构建骨科植入物用菱形十二面体多孔结构，所述菱形十二面体多孔结构的单元尺寸L在1～2.5mm范围，对应的孔隙率在61.65％～92.26％范围内；构建的菱形十二面体多孔结构的弹性模量E和抗压强度σ为：构建的菱形十二面体多孔结构的弹性模量E和抗压强度σ为：构建的菱形十二面体多孔结构的弹性模量E和抗压强度σ为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琮瑜，谢海波，杨华勇，丁红钦，黄侃阳，俞皓捷，谢翰斌，徐楠，陈小昌，刘仕尧，王炳，张威，孙扬帆，洪昊岑，陶佳跃，白洁，
申请(专利权)人：浙江大学高端装备研究院，
类型：发明
国别省市：