股骨柄的逆向处理及成型
逆向工程技术是一门新兴的计算机辅助设计技术，是数字化应用于制造业快速发展的一项重要技术，是CAD领域中一个相对独立的范畴。逆向工程具有提高设计精度，缩短产品研发设计和制造的周期，降低了企业研发新产品的费用及风险等的优点。本文介绍研究了逆向工程技术的关键环节，并将其应用于骨科产品股骨柄的设计研发中。一般来说，逆向工程技术的重要技术环节包括:获取点云数据、点云数据的优化处理以及模型重建。根据对股骨柄模型的的系统分析，采用照相式三维扫描仪完成股骨柄模型的数据获取工作。应用Geomagic软件完成股骨柄模型数据的优化处理，获得完整、精简、准确的数据以方便后续模型重建工作的进行。以Ug软件完成对股骨柄模型的重建工作。研究表明，采用逆向工程技术完成股骨柄的模型，可以获得较为精准的模型质量，极大地提高了研发效率，是一种非常有效的方法，具有重要实用价值。关键词 逆向工程，CAD，照相式三维扫描仪，Geomagic，Ug
目 录
1 引言 1
1.1逆向工程简介 1
1.2股骨柄简介 2
1.3逆向工程在股骨柄设计中的应用 5
2 逆向处理 5
2.1扫描测量方式 5
2.2扫描过程中常见问题 6
2.3常见扫描仪介绍 7
2.4扫描过程 8
2.5点云处理软件 9
2.6点云处理过程 10
3 股骨柄建模 20
3.1建模软件介绍 21
3.2股骨柄模型生成过程 22
3.3股骨柄加工过程 25
4 有限元分析 29
4.1有限元分析简介 29
4.2 有限元分析的意义 29
4.3 有限元分析的步骤 30
5 3D打印 34
5.13D打印简介 34
5.2 3D打印软件Cura介绍 34
5.3 3D打印步骤 35
结论 39
致谢 40
参考文献41
1 引言
逆向工程是在正向设计的基础上随着三坐标测量技术数字 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
技术的发展而产生的一门新兴的计算机辅助设计技术，是数字化用在工业制造中的一项快速发展的重要技术，在CAD领域中属于相对独立的范畴。逆向工程以其创新性好、涵盖面高、应用性广的优点，逐渐成为新产品开发与老产品完善中不可或缺的环节。与正向工程的艰苦原始设计阶段的费时耗力相比，逆向工程能够在产品设计中提高精度，缩短产品开发研究的时间和制造的周期，降低了企业研发新产品的费用及风险，因而在诸多行业都具有广阔的应用前景，逆向工程技术也因此受到国内外制造业的高度重视。本文介绍研究了逆向工程技术的关键环节，并将其应用于骨科产品髋关节假体的股骨柄的研究开发中。一般来说，逆向工程技术包括形状反求、工艺反求与材料反求等方面，其重要的技术环节包括:获取点云数据、点云数据的优化处理以及模型重建。[1]逆向工程主要的应用领域是机械制造、航空航天、玩具等，随着生物材料技术的发展，近年来也开始广泛的应用于人工生物骨骼等医学领域。本文即是描述逆向工程在股骨柄研究开发中的应用。根据对股骨柄模型的的系统分析，采用照相式三维扫描仪完成股骨柄模型的数据获取工作。应用Geomagic软件完成股骨柄模型数据的优化处理，获得完整、精简、准确的数据以方便后续模型重建工作的进行。以Ug软件完成对股骨柄模型的重建工作。研究表明，采用逆向工程技术完成股骨柄的模型，可以获得较为精准的模型质量，极大地提高了研发效率，是一种非常有效的方法，具有重要实用价值。
1．1 逆向工程简介
1.1.1 定义
逆向工程是一门新兴的计算机辅助设计技术，又称反向工程、逆向技术、反求工程，即根据已有的产品或零件原型构建其工程设计模型，并进一步对已有产品进行剖析、改进，是一种产品设计过程再现的技术。[2]
1.1.2 逆向工程主要设计步骤
逆向工程是一种对已有产品设计进行再现的技术，因而在设计开始之前，首先应对产品模型进行系统性的分析，确定出模型的特征区，并确定模型曲面的类型；然后确定产品扫描所需要的设备及扫描应采用何种方法，利用三维扫描测量设备来获取零件模型的点云数据；一般来说，由三维扫描测量设备直接获得的点云数据比较冗杂，需要进一步对其进行噪声去除、多视对齐、数据精简、数据广顺、数据分割等方面的优化处理，然后将优化好的点云数据进行封装；最后即是产品模型的重建，将处理好的点云数据导入Ug进行拟合绘出三维图，并导出二维图。
1.1.3 逆向工程发展前景
逆向工程的研究日益取得重视，其在数据的处理、曲面片拟合、几何特征识别、坐标测量机和商用专业软件的开发、研究上取得了很大的成就。因其能够缩短产品的设计、开发周期，降低企业开发新产品的成本和风险，加快产品的造型和系列化的设计，故而逆向工程目前发展的很快，前景大好。[3]在国内外，在工业产品的检测、测量，零件与模具的逆向、医学仿生、3D游戏建模等诸多行业都得到了广泛的应用与长足的发展。
1.2 股骨柄简介
髋关节是人体最大的负重关节，由股骨头、圆韧带、和髋臼共同维持关节的灵活性和稳定性。[4]若人出现髋关节结核，股骨头骨肿瘤，扁平髋，疼痛较重、影响髋关节功能的骨性关节炎等病变时，原来的关节已无法正常发挥其功用，且给人带来病痛，则可以通过人工髋关节置换手术，来置换被疾病或损伤所破坏的关节或关节平面，以达到缓解患者的肢体疼痛，矫正变形的骨骼，改善患者的活动能力的目的。
髋关节假体由股骨柄、髋臼、衬垫、中置器、远端塞、单极头、双极头、水泥杯等组成，通过仿照人体髋关节的结构，将假体柄部插入股骨髓腔内，利用头部与关节臼或假体金属杯形成旋转，实现股骨的曲伸和运动。[5]股骨柄与球头、单极头、双极头的材料为钴铬钼合金和钛合金材料（TC4ELI），髋臼采用钴铬钼合金和钛合金材料（TC4ELI），中置器、远端塞、衬垫、水泥杯采用超高分子聚乙烯材料。人工髋关节是是受力复杂的的负重关节，同时承受界面剪切力、压力、拉力、扭转以及反复疲劳、磨损的综合作用，又因为髋关节假体需要长期植入体内，且受体液腐蚀，故其制造材料要做到生物相容性好，对人体无毒无害、无排斥反应，其生物力学相容性好。[6]关节材料的弹性模量、强度以及热膨胀性应与骨骼尽量相似；此外，人工髋关节的生物结合性、固定性也要好，即与周围的骨组织结合良好不出现相对移动和下沉等。如图11所示
图11 髋关节假体位置
目 录
1 引言 1
1.1逆向工程简介 1
1.2股骨柄简介 2
1.3逆向工程在股骨柄设计中的应用 5
2 逆向处理 5
2.1扫描测量方式 5
2.2扫描过程中常见问题 6
2.3常见扫描仪介绍 7
2.4扫描过程 8
2.5点云处理软件 9
2.6点云处理过程 10
3 股骨柄建模 20
3.1建模软件介绍 21
3.2股骨柄模型生成过程 22
3.3股骨柄加工过程 25
4 有限元分析 29
4.1有限元分析简介 29
4.2 有限元分析的意义 29
4.3 有限元分析的步骤 30
5 3D打印 34
5.13D打印简介 34
5.2 3D打印软件Cura介绍 34
5.3 3D打印步骤 35
结论 39
致谢 40
参考文献41
1 引言
逆向工程是在正向设计的基础上随着三坐标测量技术数字 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
技术的发展而产生的一门新兴的计算机辅助设计技术，是数字化用在工业制造中的一项快速发展的重要技术，在CAD领域中属于相对独立的范畴。逆向工程以其创新性好、涵盖面高、应用性广的优点，逐渐成为新产品开发与老产品完善中不可或缺的环节。与正向工程的艰苦原始设计阶段的费时耗力相比，逆向工程能够在产品设计中提高精度，缩短产品开发研究的时间和制造的周期，降低了企业研发新产品的费用及风险，因而在诸多行业都具有广阔的应用前景，逆向工程技术也因此受到国内外制造业的高度重视。本文介绍研究了逆向工程技术的关键环节，并将其应用于骨科产品髋关节假体的股骨柄的研究开发中。一般来说，逆向工程技术包括形状反求、工艺反求与材料反求等方面，其重要的技术环节包括:获取点云数据、点云数据的优化处理以及模型重建。[1]逆向工程主要的应用领域是机械制造、航空航天、玩具等，随着生物材料技术的发展，近年来也开始广泛的应用于人工生物骨骼等医学领域。本文即是描述逆向工程在股骨柄研究开发中的应用。根据对股骨柄模型的的系统分析，采用照相式三维扫描仪完成股骨柄模型的数据获取工作。应用Geomagic软件完成股骨柄模型数据的优化处理，获得完整、精简、准确的数据以方便后续模型重建工作的进行。以Ug软件完成对股骨柄模型的重建工作。研究表明，采用逆向工程技术完成股骨柄的模型，可以获得较为精准的模型质量，极大地提高了研发效率，是一种非常有效的方法，具有重要实用价值。
1．1 逆向工程简介
1.1.1 定义
逆向工程是一门新兴的计算机辅助设计技术，又称反向工程、逆向技术、反求工程，即根据已有的产品或零件原型构建其工程设计模型，并进一步对已有产品进行剖析、改进，是一种产品设计过程再现的技术。[2]
1.1.2 逆向工程主要设计步骤
逆向工程是一种对已有产品设计进行再现的技术，因而在设计开始之前，首先应对产品模型进行系统性的分析，确定出模型的特征区，并确定模型曲面的类型；然后确定产品扫描所需要的设备及扫描应采用何种方法，利用三维扫描测量设备来获取零件模型的点云数据；一般来说，由三维扫描测量设备直接获得的点云数据比较冗杂，需要进一步对其进行噪声去除、多视对齐、数据精简、数据广顺、数据分割等方面的优化处理，然后将优化好的点云数据进行封装；最后即是产品模型的重建，将处理好的点云数据导入Ug进行拟合绘出三维图，并导出二维图。
1.1.3 逆向工程发展前景
逆向工程的研究日益取得重视，其在数据的处理、曲面片拟合、几何特征识别、坐标测量机和商用专业软件的开发、研究上取得了很大的成就。因其能够缩短产品的设计、开发周期，降低企业开发新产品的成本和风险，加快产品的造型和系列化的设计，故而逆向工程目前发展的很快，前景大好。[3]在国内外，在工业产品的检测、测量，零件与模具的逆向、医学仿生、3D游戏建模等诸多行业都得到了广泛的应用与长足的发展。
1.2 股骨柄简介
髋关节是人体最大的负重关节，由股骨头、圆韧带、和髋臼共同维持关节的灵活性和稳定性。[4]若人出现髋关节结核，股骨头骨肿瘤，扁平髋，疼痛较重、影响髋关节功能的骨性关节炎等病变时，原来的关节已无法正常发挥其功用，且给人带来病痛，则可以通过人工髋关节置换手术，来置换被疾病或损伤所破坏的关节或关节平面，以达到缓解患者的肢体疼痛，矫正变形的骨骼，改善患者的活动能力的目的。
髋关节假体由股骨柄、髋臼、衬垫、中置器、远端塞、单极头、双极头、水泥杯等组成，通过仿照人体髋关节的结构，将假体柄部插入股骨髓腔内，利用头部与关节臼或假体金属杯形成旋转，实现股骨的曲伸和运动。[5]股骨柄与球头、单极头、双极头的材料为钴铬钼合金和钛合金材料（TC4ELI），髋臼采用钴铬钼合金和钛合金材料（TC4ELI），中置器、远端塞、衬垫、水泥杯采用超高分子聚乙烯材料。人工髋关节是是受力复杂的的负重关节，同时承受界面剪切力、压力、拉力、扭转以及反复疲劳、磨损的综合作用，又因为髋关节假体需要长期植入体内，且受体液腐蚀，故其制造材料要做到生物相容性好，对人体无毒无害、无排斥反应，其生物力学相容性好。[6]关节材料的弹性模量、强度以及热膨胀性应与骨骼尽量相似；此外，人工髋关节的生物结合性、固定性也要好，即与周围的骨组织结合良好不出现相对移动和下沉等。如图11所示
图11 髋关节假体位置
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