TU Delft研究人员讨论3D打印骨小梁的微结构优化
骨小梁，也称为海绵状或松质骨，是人体中发现的两种骨骼类型之一。它存在于长骨的末端、骨盆骨、肋骨、颅骨和椎骨中。骨小梁是许多微观结构中的一种，具有在自然界中发现的空间变化的特性。在一篇题为“增材制造的微观结构优化的兼容性”的论文中，一组研究人员指出，这些微观结构现在可以通过增材制造来创造。这种材料的计算设计中的一个挑战是确保相邻微结构之间的相容性。研究人员的工作旨在找到拓扑优化微结构之间的最佳连接。
“鉴于连接的最佳性可以通过组件的物理特性来评估，我们建议考虑相邻细胞的组装以及单个细胞的优化。”研究人员解释说，“特别是，我们的方法同时优化了单个细胞的物理特性以及相邻细胞的物理特性，以确保材料连通性和平滑变化的物理特性。这种想法在具有不同体积分数的最大体积模量的分级微结构的设计上得到证实。分级微结构用于设计通过增材制造技术制造的植入物。”
研究人员指出，在设计骨科植入物时，“可能需要从中心区域更密集的微结构到骨 植入物界面的高度多孔微结构的连续过渡。”这种功能分级促进了骨植入物界面的骨骼向内生长。它们继续进行，同时保持结构完整性和增加骨骼向内生长不相关的区域的机械性能。
研究人员提出了一种确保拓扑优化微结构之间机械兼容性的方法。
“我们的结果表明，单个细胞的体积模量达到了Hashin-Shtrikman模型预测的理论界限，这意味着兼容性的优化不会影响单个细胞的性能。”他们表示，“此外，相邻对的体模也与Hashin-Shtrikman界限相吻合。”
该方法扩展到允许最大长度尺度和微观结构的各向同性。研究人员证明了他们提出的方法在许多设计中的有效性，包括功能分级材料和多尺度结构。他们还表明，优化的微结构可以通过增材制造技术制造。这对包括骨科科植入物在内的许多应用都有影响，3D打印可以优化这些应用以更好地优化新骨骼的生长。
“作为未来的工作，我们对以下几个方面特别感兴趣。”研究人员总结道，“首先，这种方法直接适用于3D设计问题。为了减轻3D中的计算负担，可以使用基于GPU的拓扑优化框架。其次，虽然我们已经应用化合物配方来最大化体积模量，但是它对其他物理问题如电导率的适用性仍有待证实。”