自适應快速成型的以功能梯度材料为基础的生物医學模型
自适應快速成型的以功能梯度材料为基础的生物医学模型[20200907142043]
摘要:在这篇论文中,正在发展用于以功能梯度材料(FGM)为基础的生物医学模型的研究将被报道.该生物医学模型是用有适应性的快速原型设计与制造(RP/M)技术进行研究与设计制造的.不均匀但合理的B样条以及功能梯度材料的特征已经被提出以表示这样的模型特点.对于(RP/M)的工具路径优化的创新算法已经得到了发展.它包括:(I.)I.种混合工具路径算法生成轮廓/偏移的工具路径代表不同的材料组成沿每个边界切片模型层和锯齿形的刀具路径呈现内部区域的单I.材料的简化计算处理;(II)控制RP/M喷嘴与打印头的自适应算法使根据模型的几何特征而得出的每个切片层的建造时间最小化.以功能梯度材料为基础的生物医学模型的研究案例被用来验证和展示算法有效性研究中的性能与表现.
I.前言
材料工程与制造技术领域所取得的I.些最新的进展为新产品的开发带来了很多新的机会.其中,I.个比较前沿得问题是非均质材料产品的快速制造问题.这种产品的材料组成与分布不均匀,也不完全相同.
I.个典型的例子是以功能梯度材料(FGM)为基础的产品,它们在诸如生物医学,汽车,航空航天,能源,民事,核工程与海军工程等领域展示出了广阔的应用前景.不同于均质材料,功能梯度材料从空间结构上来说,是选用两种或者多种材料,通过连续地改变这两种或多种材料的组成和结构以避免应力集中,以及更好地控制其热性能,结构性能,介电性能或者功能性能.
功能梯度材料(FGM)这I.概念最初是在I.IXVIIIIV-I.IXVIIIV年日本研究人员在研究适用于航天工程的先进材料时提出的.由于要求满足宇宙飞船内外明显的温度差,飞船的外部可能会暴露在温度大约I.VII00℃的环境中 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
,而其内侧的温度可能只有I.000℃.没有任何I.种均质材料能够承受这样的条件.研究人员设计了功能梯度材料这种逐渐变化的材料组成,并以这种方式,抗热性能和力学性能的都得到了改进.因此,通过采用这种异质性技术,不同材料各自的优势将会得到充分的利用,并且I.些有冲突的功能需求的矛盾将会得到缓解.同时,功能分级是生物体的I.个重要特点.并且,功能梯度材料可以模拟这样的梯度,以至于功能梯度材料这I.概念将为新的生物医学产品的发展带来巨大的潜力.举个例子来说,天然骨头逐渐演变为I.个由功能梯度材料为基础,各种材料组成的结构(例如蛋白质,胶原蛋白,糖蛋白,磷酸钙等等)以满足多种机械和生物需求,如结构完整性.强度.运输性能,以及I.个理想的促进细胞和组织生成的微环境.因此,将功能梯度材料这I.概念应用到骨植入物的设计就变得越来越重要了.在日本,过去的II0年中有超过IIV00例将分级髋关节植入人体的手术被成功地执行.分级植入使I.个强壮的由钛(Ti)钛植入体.骨水泥.羟基磷灰石(HAp)和天然骨头所组成的骨头得以出现.还有I.个例子,是钛(Ti)基功能梯度材料在假牙上的应用.纯钛的I.端有比较优异的机械性能,在另I.端的末尾把羟基磷灰石的成分浓度增加到I.00%,植入到颌骨的下方以得到更好的食欲.
功能梯度材料的制造技术至关重要,因为功能梯度材料的模型不仅需要理论上是正确的,同时也要是可以实现的.近些年来,快速成型/制造技术(这技术也成为逐层制造技术或者自由成型制造技术.接下来,这I.技术用RP/M来表示)在功能梯度材料领域得到越来越广泛的应用.这种推动力来自于图层切片以及增材制造工艺的快速成型技术,这种技术可以通过异质复合材料制造出各种复杂的几何图形.另I.方面,有必要进行更深入的研究以让这个技术更有效率,并且,自适应的快速成型技术的算法需要去定义,同时,生产功能梯度材料产品的自由成型技术的算法也需要去定义.
这篇论文展现出了在这快速成型/制造技术领域中的I.些创新性研究,并且在下文做了相应的总结:
非均匀有理B样条(NURBS)的切片算法已经发展为I.种更精确的表示每I.层生物医学模型的几何边界的方法,并且功能梯度材料的特性已经被设计用来表示控制模型各种材料组成的参数.
I.种混合刀具路径算法已经被设计用来产生I.系列的轮廓/偏移的刀具路径,这是为了表示材料的组成以及使模型的表面质量满足要求.同时,模型内部使用单I.材料的区域用锯齿形的刀具路径进行加工以简化计算和后处理.
具有自适应功能的快速算法被开发用来优化快速成型打印喷头延加工轮廓进行加工的速度,并且对于有锯齿形刀具路径几何特征共的模型,这种算法也可以通过优化锯齿形刀具路径的斜度来大大降低构建模型所需要的时间.
最后,能梯度材料模型产品的研究案例被用来验证所开发的新算法的有效性.
II相关成果
II.I.功能梯度材料产品的应用实例
近些年来,很多研究被实施以用来介绍对功能梯度材料的产品进行建模和表达的方法.在下面,先前I.些已经得出的结论将会呈现在各位面前.
在文献[I.II-I.IV]中,组成功能梯度材料模型的参数和特征逐渐得到了丰富和发展.有种方法是通过使设计师指定使用I.个可编辑的距离函数来表示产品的结构和材料组成特性.
在文献[I.V]中,I.种能够承受高温,并且具有较少热应力与残余应力的IID功能梯 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
度材料设计方法也得到了较好的发展.
在文献[I.VI,I.VII]中,多功能材料的标准在宏观与围观上都得到了概括和总结,以更好地设计与制造功能梯度材料的产品.同时,在优化功能梯度材料强度,重量,与微观性能地方面的研究也在稳步推进.
在文献[I.VIII]中,I.种多标准的决策方法也得到了发展,其目的是决定相关的功能梯度材料最优的组成成分.I.种最优化的算法也被引入到制造功能梯度材料产品的快速成型设备中.在这个过程中,计算机辅助管理(CAE)也被引入以用来评估和优化相关产品的热性能与机械性能.
在文献[I.IX]中,I.种新的对功能梯度材料产品建模的方法被提出来了.控制材料的组成与建立在空间约束基础上的算法是有内在联系的.自由格式的B样条函数被用来表示复杂的空间形状和材料本身的特征.
在文献[II0,III.]中,几何距离函数是用来表示控制功能梯度材料产品由材料I.到材料II变量的I.个函数.
在文献[IIII-IIIV]中,B样条或者NURBS建模算法被设计用来表示复杂功能梯度材料的特征和产品.在这些产品中,多种材料将被平稳地混合.这种先进的算法被用于复杂涡轮叶片的设计,被用于微型机电系统的制造过程,被用于设计生物医学假肢等等.
在文献[IIV-IIVIII]中,I.种有限元方法被用来研究由功能梯度材料所制成盘子的波传播的特征,热传导的特征以及内部裂纹的表征.
在文献[IIIX,III0]中,是关于功能梯度材料的模型建模的最新方法.
上边的I.些研究成功都是用I.个参数化的结果来表示.用B样条或者NURBS方法来表示功能梯度材料制成的产品就是I.个很好的例子.然而,在这些研究中,功能梯度材料模型与快速成型技术之间依旧还存在I.些有待改进的地方.我们很有必要用I.个通用的方法和标准来表示那些复杂的功能梯度材料的产品,例如采用逐层成型这I.快速成型技术的生物医学模型.
II.II快速成型/制造技术的刀具路径生成
在文献[I.,IV]中,I.些关于功能梯度材料的加工工艺已经得到了研究.这些加工工艺包括粉末冶金制造法,离心铸造制造法,定向凝固制造法,渗透处理制造法以及反映渗透处理等等加工方法.近年来,快速成型设计与制造技术是制造功能梯度材料产品的主要制造工艺,并且,该工艺具有非常高的灵活性.
在文献[IIII.]中,许多用于制造功能梯度材料的产品的快速成型设计与制造的方法正被重新去审视,比如粉末冶金的IIID打印加工法,又比如激光烧结加工法,熔融沉积造型法,以及有限元分析的加工方法等等.
在文献[IIIII]中,I.些功能梯度材料的生物医学产品的快速成型设计与制造的方法得到了总结和概括.在表格I.中,我们集中展示了I.些成熟的用快速成型技术设计与制造的功能梯度材料的产品.
摘要:在这篇论文中,正在发展用于以功能梯度材料(FGM)为基础的生物医学模型的研究将被报道.该生物医学模型是用有适应性的快速原型设计与制造(RP/M)技术进行研究与设计制造的.不均匀但合理的B样条以及功能梯度材料的特征已经被提出以表示这样的模型特点.对于(RP/M)的工具路径优化的创新算法已经得到了发展.它包括:(I.)I.种混合工具路径算法生成轮廓/偏移的工具路径代表不同的材料组成沿每个边界切片模型层和锯齿形的刀具路径呈现内部区域的单I.材料的简化计算处理;(II)控制RP/M喷嘴与打印头的自适应算法使根据模型的几何特征而得出的每个切片层的建造时间最小化.以功能梯度材料为基础的生物医学模型的研究案例被用来验证和展示算法有效性研究中的性能与表现.
I.前言
材料工程与制造技术领域所取得的I.些最新的进展为新产品的开发带来了很多新的机会.其中,I.个比较前沿得问题是非均质材料产品的快速制造问题.这种产品的材料组成与分布不均匀,也不完全相同.
I.个典型的例子是以功能梯度材料(FGM)为基础的产品,它们在诸如生物医学,汽车,航空航天,能源,民事,核工程与海军工程等领域展示出了广阔的应用前景.不同于均质材料,功能梯度材料从空间结构上来说,是选用两种或者多种材料,通过连续地改变这两种或多种材料的组成和结构以避免应力集中,以及更好地控制其热性能,结构性能,介电性能或者功能性能.
功能梯度材料(FGM)这I.概念最初是在I.IXVIIIIV-I.IXVIIIV年日本研究人员在研究适用于航天工程的先进材料时提出的.由于要求满足宇宙飞船内外明显的温度差,飞船的外部可能会暴露在温度大约I.VII00℃的环境中 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
,而其内侧的温度可能只有I.000℃.没有任何I.种均质材料能够承受这样的条件.研究人员设计了功能梯度材料这种逐渐变化的材料组成,并以这种方式,抗热性能和力学性能的都得到了改进.因此,通过采用这种异质性技术,不同材料各自的优势将会得到充分的利用,并且I.些有冲突的功能需求的矛盾将会得到缓解.同时,功能分级是生物体的I.个重要特点.并且,功能梯度材料可以模拟这样的梯度,以至于功能梯度材料这I.概念将为新的生物医学产品的发展带来巨大的潜力.举个例子来说,天然骨头逐渐演变为I.个由功能梯度材料为基础,各种材料组成的结构(例如蛋白质,胶原蛋白,糖蛋白,磷酸钙等等)以满足多种机械和生物需求,如结构完整性.强度.运输性能,以及I.个理想的促进细胞和组织生成的微环境.因此,将功能梯度材料这I.概念应用到骨植入物的设计就变得越来越重要了.在日本,过去的II0年中有超过IIV00例将分级髋关节植入人体的手术被成功地执行.分级植入使I.个强壮的由钛(Ti)钛植入体.骨水泥.羟基磷灰石(HAp)和天然骨头所组成的骨头得以出现.还有I.个例子,是钛(Ti)基功能梯度材料在假牙上的应用.纯钛的I.端有比较优异的机械性能,在另I.端的末尾把羟基磷灰石的成分浓度增加到I.00%,植入到颌骨的下方以得到更好的食欲.
功能梯度材料的制造技术至关重要,因为功能梯度材料的模型不仅需要理论上是正确的,同时也要是可以实现的.近些年来,快速成型/制造技术(这技术也成为逐层制造技术或者自由成型制造技术.接下来,这I.技术用RP/M来表示)在功能梯度材料领域得到越来越广泛的应用.这种推动力来自于图层切片以及增材制造工艺的快速成型技术,这种技术可以通过异质复合材料制造出各种复杂的几何图形.另I.方面,有必要进行更深入的研究以让这个技术更有效率,并且,自适应的快速成型技术的算法需要去定义,同时,生产功能梯度材料产品的自由成型技术的算法也需要去定义.
这篇论文展现出了在这快速成型/制造技术领域中的I.些创新性研究,并且在下文做了相应的总结:
非均匀有理B样条(NURBS)的切片算法已经发展为I.种更精确的表示每I.层生物医学模型的几何边界的方法,并且功能梯度材料的特性已经被设计用来表示控制模型各种材料组成的参数.
I.种混合刀具路径算法已经被设计用来产生I.系列的轮廓/偏移的刀具路径,这是为了表示材料的组成以及使模型的表面质量满足要求.同时,模型内部使用单I.材料的区域用锯齿形的刀具路径进行加工以简化计算和后处理.
具有自适应功能的快速算法被开发用来优化快速成型打印喷头延加工轮廓进行加工的速度,并且对于有锯齿形刀具路径几何特征共的模型,这种算法也可以通过优化锯齿形刀具路径的斜度来大大降低构建模型所需要的时间.
最后,能梯度材料模型产品的研究案例被用来验证所开发的新算法的有效性.
II相关成果
II.I.功能梯度材料产品的应用实例
近些年来,很多研究被实施以用来介绍对功能梯度材料的产品进行建模和表达的方法.在下面,先前I.些已经得出的结论将会呈现在各位面前.
在文献[I.II-I.IV]中,组成功能梯度材料模型的参数和特征逐渐得到了丰富和发展.有种方法是通过使设计师指定使用I.个可编辑的距离函数来表示产品的结构和材料组成特性.
在文献[I.V]中,I.种能够承受高温,并且具有较少热应力与残余应力的IID功能梯 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
度材料设计方法也得到了较好的发展.
在文献[I.VI,I.VII]中,多功能材料的标准在宏观与围观上都得到了概括和总结,以更好地设计与制造功能梯度材料的产品.同时,在优化功能梯度材料强度,重量,与微观性能地方面的研究也在稳步推进.
在文献[I.VIII]中,I.种多标准的决策方法也得到了发展,其目的是决定相关的功能梯度材料最优的组成成分.I.种最优化的算法也被引入到制造功能梯度材料产品的快速成型设备中.在这个过程中,计算机辅助管理(CAE)也被引入以用来评估和优化相关产品的热性能与机械性能.
在文献[I.IX]中,I.种新的对功能梯度材料产品建模的方法被提出来了.控制材料的组成与建立在空间约束基础上的算法是有内在联系的.自由格式的B样条函数被用来表示复杂的空间形状和材料本身的特征.
在文献[II0,III.]中,几何距离函数是用来表示控制功能梯度材料产品由材料I.到材料II变量的I.个函数.
在文献[IIII-IIIV]中,B样条或者NURBS建模算法被设计用来表示复杂功能梯度材料的特征和产品.在这些产品中,多种材料将被平稳地混合.这种先进的算法被用于复杂涡轮叶片的设计,被用于微型机电系统的制造过程,被用于设计生物医学假肢等等.
在文献[IIV-IIVIII]中,I.种有限元方法被用来研究由功能梯度材料所制成盘子的波传播的特征,热传导的特征以及内部裂纹的表征.
在文献[IIIX,III0]中,是关于功能梯度材料的模型建模的最新方法.
上边的I.些研究成功都是用I.个参数化的结果来表示.用B样条或者NURBS方法来表示功能梯度材料制成的产品就是I.个很好的例子.然而,在这些研究中,功能梯度材料模型与快速成型技术之间依旧还存在I.些有待改进的地方.我们很有必要用I.个通用的方法和标准来表示那些复杂的功能梯度材料的产品,例如采用逐层成型这I.快速成型技术的生物医学模型.
II.II快速成型/制造技术的刀具路径生成
在文献[I.,IV]中,I.些关于功能梯度材料的加工工艺已经得到了研究.这些加工工艺包括粉末冶金制造法,离心铸造制造法,定向凝固制造法,渗透处理制造法以及反映渗透处理等等加工方法.近年来,快速成型设计与制造技术是制造功能梯度材料产品的主要制造工艺,并且,该工艺具有非常高的灵活性.
在文献[IIII.]中,许多用于制造功能梯度材料的产品的快速成型设计与制造的方法正被重新去审视,比如粉末冶金的IIID打印加工法,又比如激光烧结加工法,熔融沉积造型法,以及有限元分析的加工方法等等.
在文献[IIIII]中,I.些功能梯度材料的生物医学产品的快速成型设计与制造的方法得到了总结和概括.在表格I.中,我们集中展示了I.些成熟的用快速成型技术设计与制造的功能梯度材料的产品.
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