3D打印多孔钛金属支架的数字化设计及分析

杨伽捷，刘合飞，施晓健，沈美华，秦超，沈灵杰，施凯兵

摘要：目的：设计3D打印多孔钛金属支架并通过有限元分析找出满足大孔径和高抗压强度的结构设计方案。方法：利用计算机Autodesk Inventor软件，设计15种不同孔隙结构的单元钛合金支架模型（5种类型单元体结构，分别为仿钻石-60°、仿钻石-90°、仿钻石-120°、正四面体和正六面体，每种类型单元体结构各有3 种孔径，分别为400、600、800 μm）及其15 种圆柱体模型（直径20 mm、高度20 mm），通过Autodesk Inventor 软件进行有限元分析，简单模拟膝关节处受力类型及大小，转化成Mises等效应力、安全系数及形变位移的比较，分析数据，筛选出大孔径、高抗压强度的设计模型。结果：5种不同孔隙结构的单元结构模型在安全状态下，正向受力时，除正四面体外随孔径增大而最大受力减小；侧向受力时，各单元结构随孔径增大而最大受力减小；扭转受力时，仿钻石-60°和正四面体结构体随孔径增大而最大受力减小，仿钻石-90°结构体随孔径增大而最大受力增大，而仿钻石-120°和正六面体单元结构随孔径增大基本上无变化。在3种受力条件下，所有单元结构随孔径增大而形变位移增大。5种不同单元结构圆柱体模型分别在3种受力时，孔径越大，形变位移越大，Mises等效应力越大，安全系数变化同Mises等效应力相反。综合抗压能力由强到弱的顺序为：正六面体＞正四面体＞仿钻石-120°＞仿钻石-90°＞仿钻石-60°，并且每种类型圆柱体模型中孔径越小，抗压强度越大。结论：孔径大小和孔隙形态是影响支架抗压强度的重要因素。随着孔径（400、600、800 μm）的增大，各结构的强度均有所降低。正六面体、正四面体和仿钻石-120°结构模型能够满足大孔径和高抗压强度的条件。

关键词：3D打印；钛金属支架；抗压强度；Mises 等效应力；形变位移