Практикум по проектированию 3D-моделей изделий медицинского назначения (медико-инженерное направление). Методическое пособие

Урок 2.

Создание имплантата в форме конуса

В данном уроке используются следующие функции и команды:

•• функция Create Sketch, чтобы создавать эскизы на гранях 3D-моделей;

•• команда Ellipse, чтобы создавать эллипсы;

•• команда Offset Plane, чтобы создавать дополнительные плоскости;

•• команда Loft, чтобы создать 3D-модель, а также создавать отверстия.

Упражнение 5

Спроектировать модель имплантата эллипсоидного сечения в виде конуса с дополнительными отверстиями в виде пазов (6 шт.) и окружностей (5 шт.) согласно следующим размерам:

•• размеры эллипса в основании модели – 30×20 мм и 28×18 мм;

•• размеры эллипса в вершине модели – 25×15 мм и 23×13 мм;

•• высота модели 60 мм;

•• расстояние между точками паза – 10 мм;

•• диаметр паза – 4 мм;

•• расстояние между пазами – 50 мм;

•• диаметр окружности – 4 мм;

•• расстояние между окружностями – 40 мм.

Создание 3D-модели конуса. Шаги:

•• начните рисовать эллипс, которой станет основой для конуса:

○○ нажмите Solid > Create > Create Sketch и выберите плоскость XZ. Нажмите Sketch > Create > Ellipse;

○○ начните рисовать эллипс из центра координат. Для этого задайте размеры эллипса: 30 мм по горизонтали и 20 мм по вертикали. Для изменения размеров эллипса можно использовать команду Sketch Dimension (см. урок 1, упражнение 1);

○○ нажмите Sketch > Finish Sketch;

•• создайте дополнительную горизонтальную плоскость:

○○ нажмите Solid > Construct > Offset Plane. Рядом появится диалоговое окно Offset Plane, после чего выберите плоскость XZ;

11

○○ потяните за синюю стрелку вверх, пока значение не станет равным 60 мм. Нажмите ОК в диалоговом меню Offset Plane;

•• нарисуйте эллипс на дополнительной горизонтальной плоскости:

○○ в качестве основы для эскиза выберите новую горизонтальную плоскость. Нажмите Sketch > Create > Ellipse;

○○ нарисуйте эллипс начиная от центра координат с размерами 25 и 15 мм. После чего нажмите Sketch > Finish Sketch, чтобы закончить эскиз;

•• соедините между собой эллипсы, чтобы получить 3D-модель (рисунок 8):

○○ нажмите Solid > Create > Loft. Появится диалоговое окно

Loft;

○○ выберите эллипсы, которые находятся на расстоянии 60 мм друг от друга. Нажмите OK в окне Loft (выбранные эскизы должны находиться в окне Profiles);

Рисунок 8 – 3D-модель конуса

•• создайте эскиз эллипса на нижней грани конуса;

○○ нажмите Solid > Create > New Sketch. Выберите нижнюю грань конуса;

○○ нажмите Sketch > Create > Ellipse. Нарисуйте эллипс с размерами 28 и 18 мм;

○○ нажмите Sketch > Finish Sketch;

•• создайте эскиз эллипса на верхней грани конуса:

○○ нажмите Solid > Create > New Sketch. Выберите верхнюю грань конуса;

12

○○ нажмите Sketch > Create > Ellipse. Нарисуйте эллипс с размерами 23 и 13 мм;

○○ нажмите Sketch > Finish Sketch;

•• создайте отверстие внутри конуса (рисунок 9):

○○ нажмите Solid > Create > Loft. Появится диалоговое окно

Loft;

○○ выберите эскизы эллипсов, которые находятся на гранях конуса (в опции Operation должно быть выбрано Cut, при этом конус внутри будет отображаться красным цветом);

○○ нажмите OK в окне Loft.

Рисунок 9 – 3D-модель полого конуса

Создание отверстий в 3D-модели конуса. Шаги:

•• создайте дополнительные вертикальные плоскости:

○○ нажмите Solid > Construct > Offset Plane. Рядом появится диалоговое окно Offset Plane. Затем выберите плоскость

XZ;

○○ потяните за синюю стрелку вверх, пока значение не станет равным 10 мм. Нажмите OK в диалоговом окне;

○○ нажмите Solid > Construct > Offset Plane. Рядом появится диалоговое окно Offset Plane. Затем выберите плоскость

YZ;

○○ потяните за синюю стрелку вверх, пока значение не станет равным 15 мм. Нажмите OK в диалоговом окне;

•• нарисуйте эскиз отверстий в виде пазов на дополнительной плоскости XZ:

○○ нарисуйте пазы, используя функцию Center to Center Slot. Задайте расстояние между точками паза 10 мм, где диаметр паза – 4 мм (см. урок 1, упражнение 1);

13

•• создайте линейный массив пазов:

○○ создайте линейный массив пазов, используя команду Rectangular Pattern. Задайте расстояние между пазами 50 мм, при этом количество копий – 6 (см. урок 1, упражнение 1);

•• создайте отверстия в конусе в виде пазов (рисунок 10):

○○ выдавите отверстия, используя функцию Extrude (см. урок 1, упражнение 1);

•• нарисуйте эскиз отверстий в виде кругов на дополнительной плоскости YZ:

○○ нарисуйте круг с диаметром 4 мм, используя функцию Center Diameter Circle (см. урок 1, упражнение 1);

•• создайте линейный массив кругов:

○○ создайте линейный массив пазов, используя команду Rectangular Pattern. Задайте расстояние между пазами –40 мм, при этом количество копий – 5 (см. урок 1, упражнение 1);

•• создайте отверстия в конусе в виде окружностей (рисунок 10): ○○ выдавите отверстия, используя функцию Extrude (см. урок

1, упражнение 1: Создание отверстий в цилиндре);

•• сохраните файл:

○○ File > Save > Lesson 2.

Рисунок 10 – 3D-модель полого конуса с отверстиями в виде пазов и окружностей

14

Упражнение 6

Спроектировать модель имплантата кольцевого сечения в виде конуса согласно следующим размерам:

•• диаметры окружностей в основании модели – 8 и 10 мм;

•• диаметры окружностей в вершине модели – 12 и 14 мм;

•• высота модели – 70 мм.

Упражнение 7

Спроектировать модель имплантата кольцевого сечения в виде конуса с дополнительными отверстиями в виде окружностей (5 шт.) согласно следующим размерам:

•• диаметры окружностей в основании модели – 9 и 7 мм;

•• диаметры окружностей в вершине модели – 7 и 5 мм;

•• высота модели – 70 мм;

•• диаметр окружности – 3,5 мм;

•• расстояние между окружностями – 14 мм.

15

Урок 3.

Создание имплантата сложной формы

В данном уроке используются следующие функции и команды:

•• команда Loft, чтобы создать 3D-модель по направляющей, а также создавать отверстия;

•• команда 3-Point Arc, чтобы создавать дуги.

Упражнение 8

Спроектировать модель имплантата эллипсоидного сечения сложной формы согласно следующим размерам:

•• размеры эллипса в основании модели – 50×30 мм и 40×20 мм;

•• размеры эллипса в вершине модели – 50×30 мм и 40×20 мм;

•• высота модели – 100 мм.

Создание полой 3D-модели сложной формы. Шаги:

•• нарисуйте эллипс, которой станет основой для цилиндра на плоскости XZ:

○○ используя команду Ellipse, нарисуйте эллипс с размерами 50 и 30 мм (см. урок 2, упражнение 5);

•• создайте дополнительную горизонтальную плоскость:

○○ используя команду Offset Plane, создайте дополнительную горизонтальную плоскость на расстоянии 100 мм от основной (см. урок 2, упражнение 5);

•• нарисуйте эллипс на дополнительной горизонтальной плоскости:

○○ используя команду Ellipse, нарисуйте эллипс с размерами 50 и 30 мм (см. урок 2, упражнение 5);

•• нарисуйте направляющие линии для создания 3D-модели:

○○ нажмите Solid > Create > Create Sketch и выберите плоскость XZ. Затем выберите Sketch > Create > Arc > 3-Point Arc;

○○ в качестве первой точки выберите нижний эллипс, в качестве второй точки выберите верхний эллипс. Наконец, третью, последнюю точку поставьте в любом месте;

○○ нарисуйте вторую дугу по трем точкам с другой стороны;

•• соедините между собой эллипсы, чтобы получить 3D-модель (рисунок 11):

16

○○ нажмите Solid > Create > Loft. Появится диалоговое окно Loft. Выберите эллипсы, которые находятся на расстоянии 100 мм друг от друга;

○○ в диалоговом окне Loft перейдите в Rails нажатием на

и выберите дуги по трем точкам, затем нажмите OK в диалоговом окне;

Рисунок 11 – 3D-модель сложной формы

•• нарисуйте эллипсы на нижней и верхней гранях 3D-модели: ○○ используя команду Ellipse, нарисуйте эллипсы с размера-

ми 40 и 20 мм (см. урок 2, упражнение 5);

•• нарисуйте направляющие для отверстия в 3D-модели:

○○ нажмите Solid > Create > Create Sketch и выберите плоскость XZ. Используя команду 3-point Arc, нарисуйте дуги с обоих сторон эллипсов (для удобства построения эскизов можно скрывать тела нажатием на в окне Bodies);

Рисунок 12 – Полая 3D-модель сложной формы

17

•• создайте отверстие в 3D-модели (рисунок 12):

○○ нажмите Solid > Create > Loft. В появившемся окне выберите эллипсы, которые находятся на гранях 3D-модели;

○○ в диалоговом окне Loft перейдите в Rails. Затем выберите дуги по трем точкам. Нажмите OK в диалоговом окне;

•• сохраните файл:

○○ File > Save > Lesson 3.

Упражнение 9

Спроектировать модель имплантата эллипсоидного сечения сложной формы с дополнительными отверстиями в виде пазов (3 шт.) и окружностей (2 шт.) согласно следующим размерам:

•• размеры эллипса в основании модели – 10,5×7,5 мм и 8,5×5,5 мм;

•• размеры эллипса в вершине модели – 10,5×7,5 мм и 8,5×5,5 мм;

•• высота модели – 24 мм;

•• расстояние между точками паза – 2 мм;

•• диаметр паза – 1,5 мм;

•• расстояние между пазами –7 мм;

•• диаметр окружности – 2 мм;

•• расстояние между окружностями – 10 мм.

18

Урок 4.

Проведение испытаний на сжатие в среде Simulation

В этом уроке используются следующие команды и функ-

ции:

•• команда Change Workspace, чтобы переключиться в среду

Simulation;

•• функция Static Stress, чтобы проводить испытания на сжатие;

•• функция Study Materials, чтобы задавать свойства материала 3D-модели;

•• функция Structural Constrain, чтобы фиксировать части 3D-модели;

•• команда Fixed, чтобы неподвижно фиксировать части 3D-модели;

•• функция Structural Loads, чтобы прикладывать нагрузку к 3D-модели;

•• команда Force, чтобы прикладывать силу к 3D-модели;

•• функция Mesh, чтобы создавать сетку на 3D-модели;

•• функция Solve, чтобы рассчитывать испытания;

•• функция Results, чтобы провести анализ результатов испытаний.

Упражнение 10

Используя команду Change Workspace, включите среду

Simulation. Шаги:

•• включите среду Simulation:

○○ откройте 3D-модель имплантата в форме конуса. File > Open > Lesson 2 (см. урок 2);

○○ в диалоговом окне Change Workspace нажмите на вкладку

Design;

○○ выберите из списка Simulation;

○○ выберите Static Stress и нажмите Create Study.

Упражнение 11

3D-модель имплантата в форме конуса (см. урок 2, упражнение 5) спроектирована для поврежденного участка лучевой кости. Модель выполнена из сплава титана 6Al-4V медицинского назначения. Используя приложение «Simulation», подберите

19

оптимальный диаметр сечения в диапазоне 2 – 10 мм для обеспечения деформации не более 5 % при сжимающем усилии 8000 Н.

Проведение испытаний на сжатие. Шаги:

•• задайте 3D-модели имплантата свойства титана 6Al-4V:

○○ выберите Materials > Study Materials. Появится диалоговое окно Study Materials;

○○ в окне Material Library нажмите на All Libraries;

○○ выберите из списка Fusion 360 Additive Material Library;

○○ в окне Override выберите из списка материалов Titanium 6Al-4V;

○○ нажмите OK;

•• зафиксируйте 3D-модель снизу (рисунок 13):

○○ выберите Constrains > Structural Constrains. Рядом появится диалоговое окно Structural Constrains;

○○ используя команду Fixed, зафиксируйте неподвижно нижнюю грань 3D-модели (обратите внимание, что как только вы выбрали нижнюю грань 3D-модели, в диалоговом окне Structural Constrains отобразится количество зафиксированных граней в опции Targets);

○○ нажмите OK;

Рисунок 13 – Фиксация нижней грани 3D-модели

•• приложите силу к 3D-модели (рисунок 14):

○○ выберите Loads > Structural Loads. Рядом появится диалоговое окно Structural Loads, в окне Type выберите из списка Force;

20