Сравнение подходов численного моделирования пористых костных имплантатов из Ti6Al4V

Аддитивные технологии позволили сделать значительный прорыв в разработке и изготовлении персонализированных пористых имплантатов, которые имеют явные преимущества перед монолитными предшественниками. Вместе с тем перед инженерами возникает ряд новых задач, одной из которых является корректное и эффективное численное моделирование пористо-сетчатых имплантатов в процессе решения задач оптимизации. В исследовании проводится сравнение подходов численного моделирования пористого титана для костных имплантатов с учетом различий механических параметров материала и геометрии моделей. Рассматривается детальная геометрия структуры 9 моделей, для которых задаются два варианта параметров материала: чистого сплава Ti6Al4V и экспериментальные, полученные для образцов, напечатанных из порошка Ti6Al4V . В качестве предложенного подхода гомогенизации структуры рассматривается континуальная модель цилиндра, для которого задаются экспериментальные свойства материала образцов. Полученные численно значения модулей Юнга для каждого подхода сравниваются с полученным в эксперименте. Установлено, что при задании свойств чистого сплава расчетный модуль Юнга превышает экспериментальный на 83-92 %. Наиболее близким к эксперименту является детальное моделирование геометрии с заданием экспериментальных свойств структуры материала, при этом расчетный модуль Юнга не превышает экспериментальный более чем на 10%. Однако в этом случае расчет занимает от 2 до 8 ч. В случае континуального моделирования расчетные модули Юнга превышают расчетные модули при детальном моделировании не более чем на 11 %, при этом расчет длится не более 1 мин. Исходя из этого, предлагается использовать континуальный подход к моделированию имплантатов в процессе расчета оптимизации их формы, в качестве первичной итерации перед детальным моделированием структуры. В качестве свойств материала необходимо использовать механические параметры структур, предварительно полученные из экспериментов на одноосное сжатие. Использование свойств чистого сплава при расчете пористой структуры приведет к результатам, значительно превышающим фактические.