鈦板下頜假體的柔性化三維曲面展開與快速?zèng)_壓成形工藝研究

連 芩，李滌塵，喬 莎，劉亞雄，賀健康，王 玲，靳忠民

（西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049）

因腫瘤或外傷造成的人體下頜骨缺損，會(huì)使面部發(fā)生畸形或產(chǎn)生咀嚼、吞咽、呼吸困難等生理功能障礙。鈦合金下頜假體是一種有效的內(nèi)植物，用以替換損壞的下頜骨[1-3]。但人體下頜骨是活動(dòng)性骨骼，因此要求假體與面部相配骨骼的結(jié)構(gòu)匹配性高；同時(shí)為了避免金屬應(yīng)力遮擋造成的骨吸收和松動(dòng)等問題，必須針對(duì)每一位患者進(jìn)行下頜假體的定制化設(shè)計(jì)和制造[4-5]。而現(xiàn)有以精鑄工藝為基礎(chǔ)的定制化下頜假體因成形制造過程復(fù)雜，制造周期長[6]，無法滿足低成本、短時(shí)間的醫(yī)療需求。

光固化原型技術(shù)作為高精度的增材制造技術(shù)，其優(yōu)勢之一是制造復(fù)雜形狀產(chǎn)品的快速模具，且周期短、成本低、適合一體化設(shè)計(jì)和整體式成形，可大大降低產(chǎn)品的制造周期[7-8]。而鈦合金薄板也被廣泛用于骨缺損修復(fù)，薄板鈑金加工方法具有加工精度、效率高等特點(diǎn)。為此，本文提出一種以鈑金工藝制備鈦板下頜假體的柔性化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備方法，即首先使用數(shù)控銑削技術(shù)加工鈦合金薄板制造二維下頜假體，然后利用增材制造技術(shù)制造快速模具，再經(jīng)過鈑金壓制加工二維下頜假體，成形具有柔性化結(jié)構(gòu)的三維下頜假體。

由于下頜頦部缺損的曲率變化最大[9-10]，在鈦合金薄板經(jīng)壓制成形為三維結(jié)構(gòu)假體的加工過程中易出現(xiàn)變形、起皺和破裂等問題。本文以此為研究對(duì)象，研究適合骨生長的下頜假體柔性化結(jié)構(gòu)，并探索與此適應(yīng)的快速壓制加工的工藝優(yōu)化方法。

1 材料和方法

1.1 下頜假體的柔性化三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)具有槽型鏤空柔性化結(jié)構(gòu)的下頜假體幾何模型（圖1），其槽寬B=2 mm，槽間距D=2 mm，槽深H=14 mm。假體體部長46 mm，連接板長25 mm，螺孔直徑3 mm。鈦板厚度為1 mm。

圖1 下頜假體CAD 模型

1.2 二維下頜假體的工藝性設(shè)計(jì)

采用Dynaform v5.5 鈑金成形模擬軟件進(jìn)行下頜假體的曲面展開和沖壓成形的工藝性設(shè)計(jì)。首先，將假體柔性化結(jié)構(gòu)模型以IGES 文件導(dǎo)入eta/DYNAFORM 軟件，設(shè)計(jì)凹、凸模具模面；并對(duì)三維假體曲面進(jìn)行平面展開模擬，預(yù)測毛坯的尺寸和結(jié)構(gòu)的可延展性。觀察分析下頜假體的展開平面模型中結(jié)構(gòu)干涉區(qū)域的發(fā)生位置，保留原槽型鏤空結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，僅改變假體體部槽的貫通數(shù)量和邊緣端封閉方式，獲得修正后的二維下頜假體。然后，利用軟件有限元分析模塊評(píng)價(jià)假體、模具的設(shè)計(jì)可行性。

1.3 快速模具與快速壓制工藝

利用SPS350B 激光快速成形機(jī)制造樹脂模具空心殼體，內(nèi)部以金屬樹脂填料填實(shí)形成快速?zèng)_壓模具。利用YMC-6050 數(shù)控雕銑機(jī)加工1 mm 厚度鈦板（產(chǎn)品號(hào)TC4），獲得二維下頜假體。

在PLD-5 kN 微機(jī)控制電液伺服生物力學(xué)疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三維下頜假體的壓制加工，加載負(fù)荷小于800 N，加壓速率為2 mm/min。

1.4 性能檢測

利用FARO-P12-7 關(guān)節(jié)便攜式激光掃描測量機(jī)和TR300 粗糙度形狀測量儀進(jìn)行下頜假體的三維結(jié)構(gòu)特征檢測，并與下頜假體的CAD 模型進(jìn)行擬合比對(duì)，分析假體的加工精度和表面質(zhì)量。

2 結(jié)果

2.1 二維下頜假體的工藝結(jié)構(gòu)

利用eta/DYNAFORM 軟件Die-Face Engineering 模塊獲得凹、凸模具（上、下模具）的曲面數(shù)據(jù)。利用Blank Size Engineering 模塊，得到下頜假體平面展開后的最初輪廓形狀（圖2a）。結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)干涉區(qū)域全部發(fā)生在3D 模型曲率大的體部內(nèi)側(cè)邊緣。在延續(xù)原有鏤空結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過結(jié)合改變邊緣端封閉方式和假體體部中央貫通數(shù)量進(jìn)行下頜假體二維結(jié)構(gòu)的修正，獲得修正結(jié)構(gòu)毛坯（圖2b）。圖2c 是其沖壓后的三維結(jié)構(gòu)效果。

圖2 下頜假體的二維結(jié)構(gòu)平面圖

2.2 二維下頜假體的結(jié)構(gòu)成形性分析

采用無壓邊沖壓成形工藝，將凸模（上模）以一定的速度向下運(yùn)動(dòng)與坯料接觸，然后和坯料一起向下運(yùn)動(dòng)。在Dynaform v5.5 環(huán)境下設(shè)置網(wǎng)格尺寸控制參數(shù)為0.5～1 mm，間隙公差為0.001 mm。凸模下壓速度為2 mm/min。計(jì)算分析結(jié)果顯示，沖壓后鈦板各區(qū)域的變薄率不同（圖3a），厚度變化范圍均勻地分布在0.07～0.28 mm。小圈標(biāo)注的最薄區(qū)的變薄率為－7.1 %，最大變薄率為28.5 %。由于鈦板的變薄率要求控制在30 %以內(nèi)方能在沖壓過程中不開裂，因此該變形率在合理范圍內(nèi)。

圖3b 顯示出假體模型節(jié)點(diǎn)沒有處于破裂區(qū)和破裂危險(xiǎn)區(qū)，整個(gè)成形過程未出現(xiàn)破裂缺陷。模型節(jié)點(diǎn)主要集中于安全區(qū)和起皺趨勢區(qū)，少量的起皺區(qū)節(jié)點(diǎn)發(fā)生在零件邊界以外，不會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。

圖3 下頜假體沖壓的薄度云圖和成型極限圖

2.3 下頜假體與加工精度分析

加工后的下頜假體二維成形件和三維成形件見圖4。成形件的表面粗糙度均值Ra=1.150 μm，波紋度均值Wa=0.861 μm。二維和三維成形件的尺寸偏差均值分別為0.1 mm和0.5 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的沖壓工藝方法可行。

3 討論與結(jié)論

現(xiàn)有通用型下頜假體與人體骨骼形狀差異較大，鈦網(wǎng)下頜假體又存在強(qiáng)度低、易斷裂等問題，不僅術(shù)后造成患者面部畸形，且無法為后期的義齒安裝提供條件，影響了相關(guān)生理功能的恢復(fù)。另外，因術(shù)中臨時(shí)塑形要求，增加了手術(shù)時(shí)間和醫(yī)生操作難度，也極大地改變了下頜假體的強(qiáng)度，甚至引起假體結(jié)構(gòu)變形、斷裂、刺破面部軟組織等現(xiàn)象。

圖4 下頜假體

基于精鑄工藝和快速模具的定制化鈦合金下頜假體提供了新的治療方案，但仍存在生產(chǎn)周期長、假體應(yīng)力屏蔽效應(yīng)等問題，難以滿足臨床需要。通常，定制型下頜假體的設(shè)計(jì)周期為1～4 周，制造周期為4～20 周，實(shí)際上從概念設(shè)計(jì)到手術(shù)臺(tái)的周期一般不低于30 周。因此，縮短加工周期是定制化人工假體走向臨床應(yīng)用的重要內(nèi)容。本文提出的沖壓加工鈦板成形工藝的加工周期不超過2 周，可大大降低生產(chǎn)制造周期。

本文以曲率變化較大的頦部缺損為對(duì)象，研究該類下頜假體的沖壓工藝。在Dynaform 軟件下計(jì)算鈦板下料的最佳初始結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析其變形結(jié)果和破裂極限，為沖壓加工過程保證獲得完整的下頜假體提供了必要的理論支持。

采用增材制造及其快速模具技術(shù)形成的樹脂殼體/金屬樹脂填料沖壓模具，具有高效、低成本的特點(diǎn)，大大節(jié)省了制造成本。所完成的三維下頜假體表面質(zhì)量良好，結(jié)構(gòu)維持性好，結(jié)構(gòu)尺寸偏移量平均為0.5 mm。因此，柔性化結(jié)構(gòu)的下頜假體可采用效率更高、成本更低的鈑金沖壓加工方法。本文所提出的完整的沖壓加工工藝路線，對(duì)下頜修復(fù)的實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

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