人体鼻子反求模型的注射成型CAE分析与优化

严庆光，孙存友，范 金

(吉林大学材料科学与工程学院，长春130022，E-mail:yan367@gmail.com)

人体鼻子反求模型的注射成型CAE分析与优化

严庆光，孙存友，范 金

(吉林大学材料科学与工程学院，长春130022，E-mail:yan367@gmail.com)

针对人体软组织修复体的注射成型特点，以人体鼻子为对象进行修复体注射成型过程分析.应用逆向工程技术测量人体鼻子的三维点云坐标，将离散的三维鼻子点云数据经过精简、滤波和特征轮廓提取等方法进行曲面重构，反求出NURBS曲面模型.将该模型进行网格划分，并用有限元方法对人体鼻子修复体注射成型过程中产生的翘曲缺陷进行模拟仿真分析.利用正交优化法对成型工艺参数进行优化，从而获得最优工艺参数组合.计算结果表明，优化后的成型工艺参数使制件的翘曲值大为减小，提高了制件的质量，满足实际制件的精度要求.

人体鼻子;反求模型;注射成型;翘曲;工艺参数;正交优化法

长期以来，人们对人体硬组织修复体的反求制造大多集中在个性化修复体的制备方面，国内外的科研人员对这方面的研究已经趋于成熟.但人体软组织修复体(包括面部畸形整形修复体［1］、人眼赝复体、鼻赝复体等)的成型制备方面一直是医学领域的一大难题.以往人们是根据自己主观想象或主观经验雕刻或塑型加工获得软组织修复体，但这种方法有着很大的局限性，不仅制备时间较长，而且极大地影响手术的安全性，甚至有可能影响手术的效果［2］.

目前，医学界开始广泛应用医用高分子材料制备人体软组织修复体.通过以医用高分子材料为原材料实现人体软组织修复体的制备.结合逆向工程技术最终反求出个体畸变或缺损部位的三维几何模型，运用注射成型的方法制造人体软组织修复体，从而反求制造出软组织器官的修复体.此方法不仅提高了软组织修复体的制造效率，而且更加精确，更符合患者的个体需求，更有利于减轻患者的痛苦，为医生手术指导提供良好的平台，这在科学研究领域也具有极大的指导意义.

本文以医用高分子材料为原材料，通过利用逆向工程技术使人体鼻子修复体得以反求制造，并利用有限元方法对人体鼻子注射成型工艺进行模拟仿真分析与优化，从而获得了最佳的人体鼻子修复体.

1 人体鼻子逆向建模

1.1 人体鼻子点云数据的获取和处理

选择某成年志愿者为被测对象.采用螺旋CT扫描机［3－4］对该志愿者的鼻子进行扫描，并将扫描图像在CT工作站转换为BMP位图格式文件;再将BMP文件输入到医学影像三维重建软件中，选择合适的三维重建参数，并对图像进行预处理和图像分割，最后得到三维鼻子点云数据，如图1所示.

图1 三维鼻子点云数据

1.2 人体鼻子模型的曲面重构

将重建后的三维鼻子点云数据以STL格式文件输出，然后将该鼻子点云数据输入到逆向成型软件Imageware的数字化外形编辑器中，经过预处理，然后进行曲面重构，利用STL格式的三角面片数据重构曲面来重建模型［5］，并对模型进行缺陷修补及曲面优化［6－7］，得到NURBS(非均匀有理B样条)曲面［8］.

用逆向成型软件Imageware的数字化外形编辑器解决数字化数据导入、坏点剔除、匀化、横截面、特征线、外形和带实时诊断的质量检查等问题.首先将点云导入系统中，选择点云数据的路径以及格式.用三坐标测量机测量的点云是以文本文件保存的，选择相应的STL格式.为降低或消除噪声对后续建模质量的影响，有必要对测量点云进行平滑滤波，数据平滑通常采用高斯滤波、平均滤波或中值滤波.对于高密度点云，由于存在大量的冗余数据，需要对点云进行过滤处理.过滤点云是将过于密集的点云移去一定比例的点，以减少数据的数量.过滤点云有两种方式，公差球和弦高差.过滤点云可以降低点云密度，减少计算机的工作量，但点云太稀就会丢失一些细节数据.

对于点云，有时很难看出点云所构成的几何形状.点云网格化是点云上建立三角网格，形成点云曲面，可以方便地勾勒点云轮廓.点云网格化包括建立网格面、偏置网格面、平顺网格面、修补网格面、降低网格密度、合并网格面、分割网格面、翻转边线.鼻子上建立的网格面比较粗糙，本文用平顺网格面功能，使得一些太小的网格面半径移去来减少网格面的粗糙度.

建立轮廓特征线是为了后续曲面拟合做准备.建立轮廓特征线之前必须要勾勒特征交线，勾勒特征交线有平面交线、点云交线、网格面边线、曲线投影等方式.特征交线勾勒完毕后，可以用交线曲线的功能将交线转换为空间曲线.在转换过程中可以在移动误差范围内，将交线上的点数据平滑排列，用这些点作为数据点绘制曲线，也可以在交线上插入数据点，用这些点作为数据点绘制曲线.

本文选择建立好的轮廓特征线作为边界约束条件，选择相应的点云或网格面，设置拟合的曲面与点云之间允许的最大误差值，以及U、V两个方向上所包含的最多的控制顶点数目，得到拟合的NURBS(非均匀有理 B样条)曲面［8－10］，最终获得人体鼻子CAD三维实体模型，如图2所示.

图2 人体鼻子CAD三维实体模型

将CAD三维实体模型保存为IGES格式.最后，将该IGES文件导入到有限元软件中，利用有限元分析软件Moldflow对该三维几何模型设定材料参数并划分网格［11－12］，形成可用于仿真计算的三维有限元模型.

2 几何模型网格划分及工艺参数

2.1 几何模型网格划分

对模型选用Fusion表面［11］进行网格划分，为了保证分析结果尽量准确，需对所得网格进行诊断和优化.最终获得网格状态统计信息为三角形单元个数为8996，节点数为4500，三角形单元的纵横比最大值为9.781000，匹配率为86.6%，网格划分的匹配率达到了85%以上［12］，可以保证具有良好的精确性.

2.2 材料选择及工艺参数设置

在进行分析之前，必须选择好成型材料.由于对外表面质量要求较高.选择材料为高密度聚乙烯.工艺参数［11－12］的设置如下:材料为 HDPE (Honam Petrochemical公司，牌号为8301B);模具温度为40℃，熔体温度220℃，冷却时间20 s，注塑时间为1 s，保压时间10 s，保压压力为最大注射压力的98%，其余工艺条件采取默认设置.

3 翘曲分析结果

3.1 翘曲缺陷分析

模型为薄壁结构，容易产生翘曲缺陷，首先在已知工艺参数条件下进行流动和翘曲初步分析，然后根据结果主要以分析和优化翘曲缺陷为主［13－14］.

在已知工艺参数条件下分析得到的翘曲分析结果，如图3所示.由图3(a)可知所有因素导致的总翘曲变形量为0.4545 mm.而由图3(d)可知分子取向导致的总翘曲变形量为0 mm.由此可以推断，本文中翘曲变形主要是由收缩不均匀和不均匀冷却联合作用的结果［15－16］，而由于取向原因引起的翘曲变形量不存在.

图3 优化前翘曲变形分析结果

3.2 优化分析

采用正交试验法［17］与仿真试验相结合，对塑件注射成型过程中的多因子进行优化设计，以减少翘曲变形，提高成型精度，因此，将工件的总翘曲变形量作为试验指标.

确定影响翘曲指标［13］的因数及水平:影响塑件注射成型后翘曲变形量大小的主要因素为:熔体温度、冷却时间、注塑时间、保压时间、保压压力.将它们简称为因子，并假设各因子之间不存在交互作用.在各因子的取值范围内，每个因子均匀地取4个水平(如表1所示).

根据表1因素和水平设置模拟试验正交表，得到考核指标Z(最大翘曲变形量)如表2所示，工艺参数对翘曲量的影响数据［13－15］分析见表3.

以上分析表明，最优方案为:模具温度为40℃，熔体温度235℃，冷却时间25 s，注塑时间1.4 s，保压时间12 s，保压压力为最大注射压力的80%.

根据优化后的最佳工艺参数，设置成型工艺参数，递交有限元软件分析后［11－12］，得到在最优工艺参数条件下分析得到的翘曲变形量，如图4所示.从图4可知，最优工艺参数下得到的总翘曲变形量为0.3864 mm.与图3中的结果来比较，翘曲值由原来的0.4545 mm降至0.3864 mm，确实获得了最小的翘曲变形量，塑件的翘曲变形得到了很大的改善.

表1 正交试验因数水平表

表2 正交试验表及分析结果

表3 工艺参数对翘曲量的影响数据分析

4 结论

1)提出了用医用高分子材料反求制造个性化的人体软组织器官修复体.本文以人体鼻子为例，利用反求工程技术，从获得的人体鼻子的医学图像(BMP位图格式文件)出发，通过图像处理和图形变换，获得三维鼻子点云数据，再通过曲面重构技术获得精确的CAD模型，并输出工业上使用的标准格式文件，最后通过注射成型成型的方法制造人体鼻子软组织修复体.

图4 优化后翘曲变形分析结果

2)应用有限元软件对人体鼻子反求模型的注射成型工艺进行了模拟仿真分析，分析了成型工艺过程中存在的翘曲缺陷.通过正交试验法和数值模拟仿真方法结合优化工艺参数，翘曲量由原来的0.4545 mm降至0.3864 mm，成型制品翘曲量得到了有效控制，塑件的翘曲变形得到很大的改善，塑件质量也得到了明显提高.

3)正交试验和数值模拟仿真结合的方法能在较少的试验次数得到试验范围内较优的工艺参数组合，采用这一方法，为后期注射成型的设计加工和制品成型参数的设定提供了参考，可以满足新产品投产周期短的要求，具有明显的经济收益.

［1］ 王兴伟，郑 伟，刘宝善，等.战斗机飞行员面部三维形态数字化测量研究［J］.中华航空航天医学杂志，2005，16(04):258－292.

［2］ 徐东升.逆向工程在整形医学中的应用及开发［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.

［3］ 胡 寅.三维扫描仪与逆向工程关键技术研究［D］.武汉:华中科技大学图像所，2005.

［4］ 傅 栋，靳安民.应用CT断层图像快速构建人体骨骼有限元几何模型的方法［J］.中国组织工程研究与临床康复，2007，11(09):1620－1623.

［5］ 贾双斌.逆向工程中曲面重构与实现技术的研究［D］.西安:西安理工大学机械与精密仪器工程学院，2007.

［6］ 李东泽.反求工程曲面重构技术研究［D］.大连:大连理工大学机械工程学院，2003.

［7］ 李红莉，邢渊.基于点云数据的曲面重构方法及其比较［J］.计算机应用，2006，6:101－104.

［8］ 孙玉文，吴宏基，刘健.基于NURBS的自由曲面精确拟合方法研究［J］.机械工程学报，2004，(3):187－192.

［9］ MA Ying-liang，HEWITT W T.Point inver-sion and Projection for NURBS curve and surface:control polygonapproach.Compu-ter Aided Geometric，Design，2003，20 (2):79－99.

［10］ 孙艳霞，鲍旭东，蒋春涛.软组织建模中的有限元模型［J］.生物医学工程研究，2004，23(3):137－140.

［11］ DENG Yi-min，ZHENG Di，Minimizing thic-knesses of injection moulded plastic p-arts based on Moldflow simulation.J MechEng(Slovenia)，2008，53(7－8): 503－518.

［12］ 王 刚，单 岩.Moldflow模具分析应用实例［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［13］ GAO Y，WANG X.An effective warpage op-timization method in injection molding based on the Kriging model［J］.Int J Adv Manuf Technol，2008，37(4):953－960.

［14］ 高月华，王希诚.注塑制品的翘曲优化及影响因素分析［J］.化工学报，2007，58(6):1575－1580.

［15］ 骆志高，王海涵.注射工艺参数对薄壳塑件翘曲变形的影响［J］.模具工业，2006，32(9):53－56.

［16］ 周应国，申长雨，陈静波.工艺参数对注塑制品翘曲影响的CAE分析［J］.工程塑料应用，2006，34 (11):28－31.

［17］ LEE B H，KIM B H.Optimisation of part wall thickness to reduce warpage in injection moulded part based on the modified complex method［J］.SPE Annual Technical Conference，2003，77(10):692－697.

CAE and optimization of injection molding for human nose inverse model

YAN Qing-guang，SUN Cun-you，FAN 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 文献标志码：A 文章编号：1005－0299(2012)02－0061－04

2011－05－22.

吉林省人才资助项目(20102048);吉林大学基本科研业务费项目(200903120).

严庆光(1971－)，男，副教授.

(编辑 吕雪梅)