嚴(yán)慶光，孫存友，范 金

(吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長春130022，E-mail:yan367@gmail.com)

人體鼻子反求模型的注射成型CAE分析與優(yōu)化

嚴(yán)慶光，孫存友，范 金

(吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長春130022，E-mail:yan367@gmail.com)

針對人體軟組織修復(fù)體的注射成型特點(diǎn)，以人體鼻子為對象進(jìn)行修復(fù)體注射成型過程分析.應(yīng)用逆向工程技術(shù)測量人體鼻子的三維點(diǎn)云坐標(biāo)，將離散的三維鼻子點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過精簡、濾波和特征輪廓提取等方法進(jìn)行曲面重構(gòu)，反求出NURBS曲面模型.將該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并用有限元方法對人體鼻子修復(fù)體注射成型過程中產(chǎn)生的翹曲缺陷進(jìn)行模擬仿真分析.利用正交優(yōu)化法對成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合.計算結(jié)果表明，優(yōu)化后的成型工藝參數(shù)使制件的翹曲值大為減小，提高了制件的質(zhì)量，滿足實(shí)際制件的精度要求.

人體鼻子;反求模型;注射成型;翹曲;工藝參數(shù);正交優(yōu)化法

長期以來，人們對人體硬組織修復(fù)體的反求制造大多集中在個性化修復(fù)體的制備方面，國內(nèi)外的科研人員對這方面的研究已經(jīng)趨于成熟.但人體軟組織修復(fù)體(包括面部畸形整形修復(fù)體［1］、人眼贗復(fù)體、鼻贗復(fù)體等)的成型制備方面一直是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一大難題.以往人們是根據(jù)自己主觀想象或主觀經(jīng)驗(yàn)雕刻或塑型加工獲得軟組織修復(fù)體，但這種方法有著很大的局限性，不僅制備時間較長，而且極大地影響手術(shù)的安全性，甚至有可能影響手術(shù)的效果［2］.

目前，醫(yī)學(xué)界開始廣泛應(yīng)用醫(yī)用高分子材料制備人體軟組織修復(fù)體.通過以醫(yī)用高分子材料為原材料實(shí)現(xiàn)人體軟組織修復(fù)體的制備.結(jié)合逆向工程技術(shù)最終反求出個體畸變或缺損部位的三維幾何模型，運(yùn)用注射成型的方法制造人體軟組織修復(fù)體，從而反求制造出軟組織器官的修復(fù)體.此方法不僅提高了軟組織修復(fù)體的制造效率，而且更加精確，更符合患者的個體需求，更有利于減輕患者的痛苦，為醫(yī)生手術(shù)指導(dǎo)提供良好的平臺，這在科學(xué)研究領(lǐng)域也具有極大的指導(dǎo)意義.

本文以醫(yī)用高分子材料為原材料，通過利用逆向工程技術(shù)使人體鼻子修復(fù)體得以反求制造，并利用有限元方法對人體鼻子注射成型工藝進(jìn)行模擬仿真分析與優(yōu)化，從而獲得了最佳的人體鼻子修復(fù)體.

1 人體鼻子逆向建模

1.1 人體鼻子點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取和處理

選擇某成年志愿者為被測對象.采用螺旋CT掃描機(jī)［3－4］對該志愿者的鼻子進(jìn)行掃描，并將掃描圖像在CT工作站轉(zhuǎn)換為BMP位圖格式文件;再將BMP文件輸入到醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件中，選擇合適的三維重建參數(shù)，并對圖像進(jìn)行預(yù)處理和圖像分割，最后得到三維鼻子點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖1所示.

圖1 三維鼻子點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.2 人體鼻子模型的曲面重構(gòu)

將重建后的三維鼻子點(diǎn)云數(shù)據(jù)以STL格式文件輸出，然后將該鼻子點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入到逆向成型軟件Imageware的數(shù)字化外形編輯器中，經(jīng)過預(yù)處理，然后進(jìn)行曲面重構(gòu)，利用STL格式的三角面片數(shù)據(jù)重構(gòu)曲面來重建模型［5］，并對模型進(jìn)行缺陷修補(bǔ)及曲面優(yōu)化［6－7］，得到NURBS(非均勻有理B樣條)曲面［8］.

用逆向成型軟件Imageware的數(shù)字化外形編輯器解決數(shù)字化數(shù)據(jù)導(dǎo)入、壞點(diǎn)剔除、勻化、橫截面、特征線、外形和帶實(shí)時診斷的質(zhì)量檢查等問題.首先將點(diǎn)云導(dǎo)入系統(tǒng)中，選擇點(diǎn)云數(shù)據(jù)的路徑以及格式.用三坐標(biāo)測量機(jī)測量的點(diǎn)云是以文本文件保存的，選擇相應(yīng)的STL格式.為降低或消除噪聲對后續(xù)建模質(zhì)量的影響，有必要對測量點(diǎn)云進(jìn)行平滑濾波，數(shù)據(jù)平滑通常采用高斯濾波、平均濾波或中值濾波.對于高密度點(diǎn)云，由于存在大量的冗余數(shù)據(jù)，需要對點(diǎn)云進(jìn)行過濾處理.過濾點(diǎn)云是將過于密集的點(diǎn)云移去一定比例的點(diǎn)，以減少數(shù)據(jù)的數(shù)量.過濾點(diǎn)云有兩種方式，公差球和弦高差.過濾點(diǎn)云可以降低點(diǎn)云密度，減少計算機(jī)的工作量，但點(diǎn)云太稀就會丟失一些細(xì)節(jié)數(shù)據(jù).

對于點(diǎn)云，有時很難看出點(diǎn)云所構(gòu)成的幾何形狀.點(diǎn)云網(wǎng)格化是點(diǎn)云上建立三角網(wǎng)格，形成點(diǎn)云曲面，可以方便地勾勒點(diǎn)云輪廓.點(diǎn)云網(wǎng)格化包括建立網(wǎng)格面、偏置網(wǎng)格面、平順網(wǎng)格面、修補(bǔ)網(wǎng)格面、降低網(wǎng)格密度、合并網(wǎng)格面、分割網(wǎng)格面、翻轉(zhuǎn)邊線.鼻子上建立的網(wǎng)格面比較粗糙，本文用平順網(wǎng)格面功能，使得一些太小的網(wǎng)格面半徑移去來減少網(wǎng)格面的粗糙度.

建立輪廓特征線是為了后續(xù)曲面擬合做準(zhǔn)備.建立輪廓特征線之前必須要勾勒特征交線，勾勒特征交線有平面交線、點(diǎn)云交線、網(wǎng)格面邊線、曲線投影等方式.特征交線勾勒完畢后，可以用交線曲線的功能將交線轉(zhuǎn)換為空間曲線.在轉(zhuǎn)換過程中可以在移動誤差范圍內(nèi)，將交線上的點(diǎn)數(shù)據(jù)平滑排列，用這些點(diǎn)作為數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制曲線，也可以在交線上插入數(shù)據(jù)點(diǎn)，用這些點(diǎn)作為數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制曲線.

本文選擇建立好的輪廓特征線作為邊界約束條件，選擇相應(yīng)的點(diǎn)云或網(wǎng)格面，設(shè)置擬合的曲面與點(diǎn)云之間允許的最大誤差值，以及U、V兩個方向上所包含的最多的控制頂點(diǎn)數(shù)目，得到擬合的NURBS(非均勻有理 B樣條)曲面［8－10］，最終獲得人體鼻子CAD三維實(shí)體模型，如圖2所示.

圖2 人體鼻子CAD三維實(shí)體模型

將CAD三維實(shí)體模型保存為IGES格式.最后，將該IGES文件導(dǎo)入到有限元軟件中，利用有限元分析軟件Moldflow對該三維幾何模型設(shè)定材料參數(shù)并劃分網(wǎng)格［11－12］，形成可用于仿真計算的三維有限元模型.

2 幾何模型網(wǎng)格劃分及工藝參數(shù)

2.1 幾何模型網(wǎng)格劃分

對模型選用Fusion表面［11］進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證分析結(jié)果盡量準(zhǔn)確，需對所得網(wǎng)格進(jìn)行診斷和優(yōu)化.最終獲得網(wǎng)格狀態(tài)統(tǒng)計信息為三角形單元個數(shù)為8996，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4500，三角形單元的縱橫比最大值為9.781000，匹配率為86.6%，網(wǎng)格劃分的匹配率達(dá)到了85%以上［12］，可以保證具有良好的精確性.

2.2 材料選擇及工藝參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行分析之前，必須選擇好成型材料.由于對外表面質(zhì)量要求較高.選擇材料為高密度聚乙烯.工藝參數(shù)［11－12］的設(shè)置如下:材料為 HDPE (Honam Petrochemical公司，牌號為8301B);模具溫度為40℃，熔體溫度220℃，冷卻時間20 s，注塑時間為1 s，保壓時間10 s，保壓壓力為最大注射壓力的98%，其余工藝條件采取默認(rèn)設(shè)置.

3 翹曲分析結(jié)果

3.1 翹曲缺陷分析

模型為薄壁結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生翹曲缺陷，首先在已知工藝參數(shù)條件下進(jìn)行流動和翹曲初步分析，然后根據(jù)結(jié)果主要以分析和優(yōu)化翹曲缺陷為主［13－14］.

在已知工藝參數(shù)條件下分析得到的翹曲分析結(jié)果，如圖3所示.由圖3(a)可知所有因素導(dǎo)致的總翹曲變形量為0.4545 mm.而由圖3(d)可知分子取向?qū)е碌目偮N曲變形量為0 mm.由此可以推斷，本文中翹曲變形主要是由收縮不均勻和不均勻冷卻聯(lián)合作用的結(jié)果［15－16］，而由于取向原因引起的翹曲變形量不存在.

圖3 優(yōu)化前翹曲變形分析結(jié)果

3.2 優(yōu)化分析

采用正交試驗(yàn)法［17］與仿真試驗(yàn)相結(jié)合，對塑件注射成型過程中的多因子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以減少翹曲變形，提高成型精度，因此，將工件的總翹曲變形量作為試驗(yàn)指標(biāo).

確定影響翹曲指標(biāo)［13］的因數(shù)及水平:影響塑件注射成型后翹曲變形量大小的主要因素為:熔體溫度、冷卻時間、注塑時間、保壓時間、保壓壓力.將它們簡稱為因子，并假設(shè)各因子之間不存在交互作用.在各因子的取值范圍內(nèi)，每個因子均勻地取4個水平(如表1所示).

根據(jù)表1因素和水平設(shè)置模擬試驗(yàn)正交表，得到考核指標(biāo)Z(最大翹曲變形量)如表2所示，工藝參數(shù)對翹曲量的影響數(shù)據(jù)［13－15］分析見表3.

以上分析表明，最優(yōu)方案為:模具溫度為40℃，熔體溫度235℃，冷卻時間25 s，注塑時間1.4 s，保壓時間12 s，保壓壓力為最大注射壓力的80%.

根據(jù)優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)，設(shè)置成型工藝參數(shù)，遞交有限元軟件分析后［11－12］，得到在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下分析得到的翹曲變形量，如圖4所示.從圖4可知，最優(yōu)工藝參數(shù)下得到的總翹曲變形量為0.3864 mm.與圖3中的結(jié)果來比較，翹曲值由原來的0.4545 mm降至0.3864 mm，確實(shí)獲得了最小的翹曲變形量，塑件的翹曲變形得到了很大的改善.

表1 正交試驗(yàn)因數(shù)水平表

表2 正交試驗(yàn)表及分析結(jié)果

表3 工藝參數(shù)對翹曲量的影響數(shù)據(jù)分析

4 結(jié)論

1)提出了用醫(yī)用高分子材料反求制造個性化的人體軟組織器官修復(fù)體.本文以人體鼻子為例，利用反求工程技術(shù)，從獲得的人體鼻子的醫(yī)學(xué)圖像(BMP位圖格式文件)出發(fā)，通過圖像處理和圖形變換，獲得三維鼻子點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過曲面重構(gòu)技術(shù)獲得精確的CAD模型，并輸出工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)格式文件，最后通過注射成型成型的方法制造人體鼻子軟組織修復(fù)體.

圖4 優(yōu)化后翹曲變形分析結(jié)果

2)應(yīng)用有限元軟件對人體鼻子反求模型的注射成型工藝進(jìn)行了模擬仿真分析，分析了成型工藝過程中存在的翹曲缺陷.通過正交試驗(yàn)法和數(shù)值模擬仿真方法結(jié)合優(yōu)化工藝參數(shù)，翹曲量由原來的0.4545 mm降至0.3864 mm，成型制品翹曲量得到了有效控制，塑件的翹曲變形得到很大的改善，塑件質(zhì)量也得到了明顯提高.

3)正交試驗(yàn)和數(shù)值模擬仿真結(jié)合的方法能在較少的試驗(yàn)次數(shù)得到試驗(yàn)范圍內(nèi)較優(yōu)的工藝參數(shù)組合，采用這一方法，為后期注射成型的設(shè)計加工和制品成型參數(shù)的設(shè)定提供了參考，可以滿足新產(chǎn)品投產(chǎn)周期短的要求，具有明顯的經(jīng)濟(jì)收益.

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CAE and optimization of injection molding for human nose inverse model

YAN Qing-guang，SUN Cun-you，F(xiàn)AN Jin
(College of Materials Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China，E-mail:yan367@gmail.com)

The injection molding analysis for manufacturing prosthesis of human nose was studied with considering the character of human soft tissue.Reverse engineering technology was applied to measure three dimensional data for the shape of human nose，by which surface reconstruction was established to obtain NURBS model，and finite element method was used for simulating the warpage phenomenon during injecting mold.After that，relevant processing parameters regarding warpage were optimized by using orthogonal optimization method to obtain an optimized combination of the processing parameters.The calculation shows that the value of warpage is decreased significantly with the optimized parameters comparing with original one，which improves the quality and forming precision of part.

human nose;inverse model;injection molding;warpage;technological parameter;orthogonal optimization method

TG76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005－0299(2012)02－0061－04

2011－05－22.

吉林省人才資助項(xiàng)目(20102048);吉林大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(200903120).

嚴(yán)慶光(1971－)，男，副教授.

(編輯 呂雪梅)