TU Delft Badacze omawiają optymalizację mikrostrukturalną dla druku trójwymiarowego kości kostnej

Kość beleczkowa, znana również jako kość gąbczasta lub gąbczasta, jest jednym z dwóch rodzajów kości występujących w ludzkim ciele. Znajduje się na końcu kości długich, w kościach miednicy, żebrach, czaszce i kręgach. Kość beleczkowa jest jedną z wielu mikrostruktur o zmiennym właściwościach występujących w naturze. W artykule zatytułowanym "Zgodność w optymalizacji mikrostruktury dla produkcji dodatków" grupa naukowców zwraca uwagę, że te mikrostruktury można teraz tworzyć poprzez produkcję dodatków. Jednym z wyzwań w projektowaniu obliczeniowym takich materiałów jest zapewnienie kompatybilności pomiędzy sąsiednimi mikrostrukturami. Praca naukowców ma na celu znalezienie optymalnej łączności między zoptymalizowanymi topologicznie mikrostrukturami.

"Biorąc pod uwagę fakt, że optymalność łączności może być oceniona przez wynikowe właściwości fizyczne złożeń, proponujemy rozważyć sąsiadujące komórki wraz z optymalizacją poszczególnych komórek "- wyjaśniają naukowcy. "W szczególności, nasza metoda optymalizuje jednocześnie fizyczne właściwości poszczególnych komórek, jak również sąsiednich par, aby zapewnić łączność materiałową i płynne zmiany właściwości fizycznych. Pomysł ten jest uzasadniony przy projektowaniu stopniowanych mikrostruktur o zmaksymalizowanych modułach objętościowych przy zmiennych frakcjach objętościowych. Stopniowe mikrostruktury są stosowane przy projektowaniu implantu, który jest wytwarzany przez produkcję dodatków. "

Podczas projektowania implantów ortopedycznych, naukowcy zwracają uwagę," może być pożądane, aby mieć ciągłe przejście od gęstszych mikrostruktur w region centralny do wysoce porowatych mikrostruktur na granicy między implantem kostnym a implantem. "Ta funkcjonalna gradacja sprzyja wrastaniu kości w interfejs kości i implantu, a jednocześnie zachowuje integralność strukturalną i zwiększa właściwości mechaniczne w obszarach, w których nie można uzyskać kostnego wrastania.

Naukowcy przedstawili metodę zapewnienia zgodności mechanicznej topologii zoptymalizowanych mikrostruktur.

"Nasze wyniki pokazują, że moduły zbiorcze poszczególnych komórek osiągają teoretyczne granice przewidziane przez model Hashin-Shtrikman, co oznacza, że optymalizacja kompatybilności nie wpływa na wydajność poszczególnych ogniw ", stwierdzają. "Ponadto moduły zbiorcze sąsiednich par również dobrze się zgadzają ze związkami Hashin-Shtrikman."

Metoda została rozszerzona w celu umożliwienia maksymalnej skali długości i izotropii w mikrostrukturach.Naukowcy zademonstrowali skuteczność proponowanej metody w wielu projektach, w tym w materiałach z klasyfikacją funkcjonalną i strukturami wieloskalowymi. Pokazali również, że zoptymalizowane mikrostruktury można wytwarzać za pomocą technologii wytwarzania dodatków. Ma to wpływ na wiele zastosowań, w tym na implanty ortopedyczne, które można optymalizować w druku 3D w celu lepszego wzrostu nowej kości.

"Jako przyszłą pracę szczególnie interesują nas następujące aspekty" - podsumowują naukowcy. . "Po pierwsze, ta metoda ma bezpośrednie zastosowanie do problemów związanych z projektowaniem 3D. Aby zmniejszyć obciążenie obliczeniowe w 3D, można zastosować strukturę optymalizacji topologii opartą na GPU. Po drugie, podczas gdy zastosowaliśmy preparat złożony w celu zmaksymalizowania modułu masy, jego przydatność do innych problemów fizycznych, takich jak konduktywność, pozostaje do udowodnienia. "

Autorami publikacji są: Eric Garner, Helena MA Kulken, Charlie CL Wang, Amir A. Zadpoor ​​i Jun Wu