Моделирование механических свойств ячеистых структур, изготовленных селективным лазерным плавлением

В.Ш. Суфияров, А.В. Орлов, Е.В. Борисов, В.В. Соколова, М.О. Чуковенкова, А.В. Соклаков, Д.С. Михалюк, А.А. Попович показать трудоустройства и электронную почту
Получена: 01 ноября 2019; Исправлена: 20 декабря 2019; Принята: 09 января 2020
Цитирование: В.Ш. Суфияров, А.В. Орлов, Е.В. Борисов, В.В. Соколова, М.О. Чуковенкова, А.В. Соклаков, Д.С. Михалюк, А.А. Попович. Моделирование механических свойств ячеистых структур, изготовленных селективным лазерным плавлением. Письма о материалах. 2020. Т.10. №2. С.123-128
BibTex   https://doi.org/10.22226/2410-3535-2020-2-123-128

Аннотация

Авторами предложена оригинальная методика моделирования механических свойств подобных материалов с помощью инструментов численного моделирования, для возможности дальнейшего проектирования эндопротеза бедренной кости человека.В настоящее время большой интерес представляют материалы с градиентной плотностью. Подобные материалы изготавливаются с применением аддитивных технологий и представляют собой множество ячеистых структур, имеющих различную конфигурацию и топологию. Управляя параметрами ячеистых структур, возможно получать требуемые механические характеристики материала. В статье предложена оригинальная методика моделирования механических свойств подобных материалов с помощью инструментов численного моделирования, для возможности дальнейшего проектирования эндопротеза бедренной кости человека. Методика, разработанная авторами, основана на варьировании топологии ячеистых структур материала с учетом технологических возможностей аддитивного производства. Исследуемые в работе материалы позволяют создавать эндопротезы, механические свойства которых приближены к механическим свойствам бедренной кости, а их пористая структура, в свою очередь, способствует врастанию живой ткани вглубь протеза. Протезы, изготовленные из материалов с градиентной плотностью, имеют большое преимущество перед протезами, изготовленными традиционными методами. Эндопротезы, изготовленные традиционными методами, имеют высокую жесткость по сравнению с жесткостью кости, что может повлечь за собой разрушение кости в процессе эксплуатации или стать причиной перелома. Авторами применена комбинация биологических и механических критериев выбора топологии ячеистых структур и определены варианты ячеистых структур, которые соответствуют по механическим и геометрическим свойствам бедренной кости человека. С использованием отобранных квази-оптимальных топологий ячеистых структур можно перейти к проектированию прототипа бедренного эндопротеза с механическими свойствами, приближенными к свойствам бедренной кости для последующего изготовления методами аддитивного производства.

Ссылки (22)

1. S. Limmahakhun, A. Oloyed, K. Sitthiseripratip, Y. Xiao, C. Yan. Additive Manufacturing. 15, 93 (2017). Crossref
2. S. Arabnejad Khanoki, D. Pasini. Journal of Biomechanical Engineering. 134 (3), 031004 (2012). Crossref
3. A. A. Popovich, V. Sh. Sufiiarov, I. A. Polozov, E. V. Borisov, D. V. Masaylo, P. N. Vopilovskiy, A. A. Sharonov, R. M. Tikhilov, A. V. Tsybin, A. N. Kovalenko, S. S. Bilyk. Biomedical Engineering. 50 (3), 202 (2016). Crossref
4. A. V. Orlov, D. V. Masaylo, V. Sh. Sufiiarov, E. V. Borisov, I. A. Polozov, A. A. Popovic. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 194 (2), 022026 (2018). Crossref
5. R. Rahmanian, N. Shayesteh Moghaddam, C. Haberland, D. Dean, M. Miller, M. Elahinia. Behavior and Mechanics of Multifunctional Materials and Composites. 9058, 905814 (2014). Crossref
6. M. Helou, S. Vongbunyong, S. Kara. 26th CIPR Design Conference: Procedia CIPR. 50, 94 (2016). Crossref
7. J. D. Currey. Bones Structure and Mechanics. Princeton University Press (2002) 436 p.
8. G. L. Bilich, V. L. Nikolenko. In: Atlas anatomii cheloveka 1. (Ed. by G. A. Loginova). Fenix, Russia (2014). pp. 118 - 121. (in Russian) [Г. Л. Билич, В. Л. Николенко. Атлас анатомии человека 1. (Под ред. Г. А. Логинова). Феникс, Россия (2014). с. 118 - 121.].
9. H. Mehboob, F. Tarlochan, A. Mehboob, S. H. Chang. Materials & Design. 149, 101 (2018). Crossref
10. M. Long, H. J. Rack. A materials science perspective. Biomaterials. 19 (18), 1621 (1998).
11. M. E. Lynch, M. Mordasky, L. Cheng, A. To. Additive Manufacturing. 22, 462 (2018). Crossref
12. A. Popovich, V. Sufiiarov, I. Polozov, E. Borisov, D. Masaylo. International Journal of Bioprinting. 2 (2), 78 (2016). Crossref
13. A. V. Orlov, V. Sh. Sufiiarov, E. V. Borisov, I. A. Polozov, D. V. Masaylo, A. A. Popovich, M. O. Chukovenkova, A. V. Soklakov, D. S. Mikhaluk. Letters on materials. 9 (1), 97 (2019). Crossref
14. A. Popovich, V. Sufiiarov, E. Borisov, I. Polozov. Key Engineering Materials. 651 - 653, 677 (2015). Crossref
15. V. Sh. Sufiyarov, E. V. Borisov, I. A. Polozov, D. V. Masailo. Tsvetnye Metally. 7, 68 (2018). Crossref
16. ANSYS® Mechanical APDL, Release 19, Help System, Mechanical APDL Theory Guide, ANSYS, Inc.
17. F. Liu, D. Z. Zhang, P. Zhang, M. Zhao, S. Jafar. Materials (Basel). 11 (3), 374 (2018). Crossref
18. M. S. Stein, S. A. Feik, C. D. Thomas, J. G. Clement, J. D. Wark. J. Bone. Miner. Res. 14 (4), 624 (1999). Crossref
19. C. Chappard, S. Bensalah, C. Olivier, P. J. Gouttenoire, A. Marchadier, C. Benhamou, F. Peyrin. Osteoporos. Int. 24 (3), 1023 (2013). Crossref
20. S. J. Hollister, C. Y. Lin, E. Saito, C. Y. Lin, R. D. Schek, J. M. Taboas, J. M. Williams, B. Partee, C. L. Flanagan, A. Diggs, E. N. Wilke, G. H. Van Lenthe, R. Muller, T. Wirtz, S. Das, S. E. Feinberg, P. H. Krebsbach. Orthod Craniofac Res. 8 (3), 162 (2005).
21. S. A Goldstein. Biomechanics. 20 (11-12), 1055 (1987). Crossref
22. M. Dumas, P. Terriault, V. Brailovski. Mater. Des. Elsevier Ltd. 121, 383 (2017). Crossref

Другие статьи на эту тему

Финансирование

1. федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» - RFMEFI57817X0245