基于Simpleware的3D打印建模與仿真分析解決方案

1、基于Simpleware的3D打印建模與仿真分析解決方案一、 概述3D打印工藝是近幾十年來全球先進(jìn)技術(shù)，它與傳統(tǒng)切削等材料的“去除法”不同，增材技術(shù)將采用細(xì)微原材料一層一層的堆疊而生成三維立體的實(shí)體，因此被通俗的稱為“3D打印”，也可以把3D打印理解為無數(shù)個2D打印平面堆疊而成的。該工藝只需在電腦上設(shè)計(jì)出模型(或者掃描實(shí)體得到數(shù)據(jù))，就可以用3D打印機(jī)打印出實(shí)物。該工藝無需傳統(tǒng)的刀具，模具，車床以及復(fù)雜工藝，可快速地將設(shè)計(jì)生產(chǎn)為實(shí)物。3D打印的基礎(chǔ)在于構(gòu)建產(chǎn)品三維模型，三維模型的質(zhì)量對最終生產(chǎn)出來產(chǎn)品的質(zhì)量具有決定性的影響。所以對于3D打印行業(yè)來說，三維建模技術(shù)尤為重要。二、3D建模的問題和需

2、求傳統(tǒng)3D建模方法是通過CAD軟件在電腦上設(shè)計(jì)出模型。CAD軟件建模的局限性：Ø 無法構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，例如人體結(jié)構(gòu)模型。Ø 無法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的賦予材質(zhì)，例如人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖2.1 CAD軟件人體建模圖2.2復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu)從圖中可以看出，想要用CAD軟件構(gòu)建復(fù)雜的人體模型幾乎是不可能的。三、3D數(shù)字建模及數(shù)值仿真計(jì)算全球高端解決方案Simpleware基于影像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過物體掃描圖像可以對復(fù)雜物體進(jìn)行較為精確的三維重構(gòu)并建模。復(fù)雜模型的構(gòu)建使3D打印應(yīng)用更為廣泛。中仿Simpleware軟件，它致力于為CAD、CAE以及3D打印領(lǐng)域提供世界領(lǐng)先的

3、三維圖像處理、分析以及建模和服務(wù)，已在世界范圍內(nèi)被業(yè)界廣泛采用。中仿科技參加了主題為工業(yè)CT在3D打印領(lǐng)域的新應(yīng)用的2014年全國射線數(shù)字成像與CT新技術(shù)研討會，詳細(xì)介紹Simpleware軟件基于圖像的三維建模功能，并就Simpleware在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用做詳細(xì)介紹及案例操作，并得到了與會人員一致的認(rèn)可。Simpleware 軟件具有掃描圖像三維處理功能，其強(qiáng)大而精確的建模功能將物體掃描圖像轉(zhuǎn)換為逼真的三維模型，直接應(yīng)用于3D打印。（一）軟件相關(guān)模塊簡介Simpleware軟件幫助您全面處理3D圖像數(shù)據(jù)（MRI，CT，顯微CT，F(xiàn)IB-SEM），并導(dǎo)出適用于CAD、CAE、以及3D印刷的

4、模型。使用圖像處理模塊（ScanIP）對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，分析，量化和處理，并輸出模型或網(wǎng)格。利用有限元模塊（+FE Module）生成CAE網(wǎng)格；利用全新的物理模塊：固體力學(xué)模塊（+SOLID Module）、流體分析模塊（+FLOW Module）以及多學(xué)科分析模塊（+LAPLACE Module），通過均質(zhì)化技術(shù)計(jì)算掃描樣品的有效材料屬性。圖3-1.1 simpleware建模流程Simpleware軟件基于核心的圖像處理平臺ScanIP，結(jié)合可選模塊，實(shí)現(xiàn)FE/CFD網(wǎng)格生成、CAD一體化以及有效材料屬性的計(jì)算。Simpleware三維圖像建模軟件的主要模塊如下： ScanIP Soft

5、ware: 核心圖像處理平臺 +FE Module: 網(wǎng)格生成模塊 +NURBS： 曲面建模模塊 +CAD Module: CAD 模塊 Physics Modules：物理模塊Ø +SOLID Module：結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊Ø +FLOW Module：流體分析模塊Ø +LAPLACE Module：多學(xué)科分析模塊1、核心圖像處理平臺ScanIPScanIP為3D圖像數(shù)據(jù)的圖像可視化、測量和處理工具提供了寬泛的選擇。處理后的圖像可導(dǎo)出為STL或點(diǎn)云文件，應(yīng)用于CAD分析、求解、和3D打印領(lǐng)域。ScanIP為3D圖像數(shù)據(jù)（MIR，CT，micro-CT，F(xiàn)IB-SEM

6、）的綜合處理提供了軟件環(huán)境。軟件為用戶提供了功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化、分析、分割、以及量化工具。ScanIP易于學(xué)習(xí)和使用，內(nèi)置視頻錄制功能，并能基于處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出可用于CAD或3D打印的曲面模型/網(wǎng)格。附加模塊可用于通過掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)出CAE網(wǎng)格、整合圖像數(shù)據(jù)、建模、導(dǎo)出NURBS曲面、計(jì)算有效材料屬性的功能。l 優(yōu)勢Ø 直觀的用戶界面易學(xué)易用Ø 生成高質(zhì)量的多部分STL和曲面模型無需手動修正或重剖網(wǎng)格Ø 腳本自動執(zhí)行可重復(fù)的任務(wù)及操作Ø 直接進(jìn)行圖像到曲面的轉(zhuǎn)換，曲面輸出及可視化準(zhǔn)確、高質(zhì)量地重構(gòu)數(shù)據(jù)l 重要特征Ø 支持導(dǎo)入多種文件格式Ø

7、; 提供具有多個2D/3D視角的可定制化工作區(qū)圖3-1.2 復(fù)合材料掃描數(shù)據(jù)三維處理Ø 背景圖像及蒙片的立體渲染Ø 動畫錄制和視頻文件導(dǎo)出Ø 綜合測量和統(tǒng)計(jì)工具Ø 功能強(qiáng)大的半自動分割工具Ø 確保多部分面網(wǎng)格/STL的一致性2、網(wǎng)格生成模塊+FESimpleware +FE模塊具有強(qiáng)大的基于圖像的網(wǎng)格剖分能力，提供高質(zhì)量解決方案，將分割后的3D圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多部分的體積網(wǎng)格，導(dǎo)出并應(yīng)用于有限元（FE）或計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件包。生成的網(wǎng)格具有一致的接口和共享節(jié)點(diǎn)，可指定材料屬性、定義接觸、節(jié)點(diǎn)集和殼單元，并定義CFD邊界條件，通過減少在其他

8、軟件重劃網(wǎng)格的步驟加快用戶的工作流程。l 優(yōu)勢Ø 自動、高效、快速幾分鐘即可完成從圖像分割到分析模型的生成Ø 一般的個人電腦”進(jìn)行處理生成復(fù)雜的網(wǎng)格完成復(fù)雜模型不依賴于高性能計(jì)算機(jī)Ø 僅取決于圖像質(zhì)量的拓?fù)?形態(tài)學(xué)精確度圖3-1.3 邊界層生成分割與平滑圖像過程中保持圖像精度不變Ø FEA和CFD網(wǎng)格一致，尤其適用于流固耦合分析強(qiáng)大的多部分模型避免間隙和重疊 重要特征Ø 可基于任意形狀的復(fù)雜幾何體生成網(wǎng)格Ø 用戶可選擇基本網(wǎng)格或自由網(wǎng)格Ø 根據(jù)圖像信號強(qiáng)度分配材料屬性Ø 具有拓?fù)浔Ａ艉腕w保留的光滑算法Ø

9、可對感興趣的多結(jié)構(gòu)/區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分圖3-1.4 骨骼模型網(wǎng)格生成材料灰度值計(jì)算Ø 可保證接觸的表面/界面的一致性Ø 生成用戶自定義的自適應(yīng)網(wǎng)格3、URBS曲面建模模塊+NURBS曲面建模模塊提供了，一種從圖像到CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的一種途徑，通過創(chuàng)建NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）模型。該集成模塊運(yùn)用自動擬合和表面生成技術(shù)，將ROI（regions of interest）感興趣區(qū)域，轉(zhuǎn)換為 NURBS IGES 文件，轉(zhuǎn)換后可導(dǎo)入至 CAD 軟件中。 優(yōu)勢Ø完全自動化補(bǔ)片擬合NURBS模型只需幾分鐘即可完成圖像到CAD模型的

10、轉(zhuǎn)換Ø高精度保留幾何及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從分割到模型保存無特征損失Ø控制補(bǔ)片布局和控制點(diǎn)最優(yōu)化補(bǔ)片布局根據(jù)原始幾何形狀 重要特征圖3-1.5 NURBS曲面模型實(shí)例Ø +NURBS模塊可以完全集成于ScanIPØ從圖像到CAD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換Ø NURBS IGES 文件，可導(dǎo)入至 CAD 軟件中4、CAD模塊+CAD模塊與與 ScanIP 模塊緊密結(jié)合，為CAD模型與三維圖像的融合提供一系列的工具。所獲得的幾何模型能夠輸出為眾多CAD文件格式模型，或者利用+FE模塊自動生成眾多有限元網(wǎng)格。在32位或64位Windows平臺支持多處理器進(jìn)行CAD建模。l 優(yōu)勢

11、Ø 輕松組合圖像與CAD數(shù)據(jù)避免在CAD環(huán)境中用到圖像Ø 為組合圖像和CAD數(shù)據(jù)準(zhǔn)確生成網(wǎng)格ScanIP 和 +FE 模塊強(qiáng)大的網(wǎng)格算法Ø 為外科手術(shù)可變性效應(yīng)簡化多網(wǎng)格的生成快速，可重復(fù)，精確 圖3-1.6骨近端固定骨折后的相對定位Ø 設(shè)計(jì)外科手術(shù)指南和范本，闡述支架/微架構(gòu)完美重現(xiàn)真實(shí)場景重要特征Ø 將大部分常見CAD文件格式直接導(dǎo)入到三維圖像Ø 根據(jù)用戶定義提供二維/三維視圖Ø 利用實(shí)時交互式輸入和鍵盤輸入進(jìn)行定位Ø 沿著用戶定義的矢量進(jìn)行限定性運(yùn)動定位圖3-1.7 距離測量定位Ø 重采樣的幾何保留

12、Ø 生成CAD為圖元的模板生成內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)Ø 以STL形式導(dǎo)出組合模型或?qū)隨canIP 做進(jìn)一步體網(wǎng)格劃分5、物理模塊物理模塊包括結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊（+SOLID Module）、流體分析模塊（+FLOW Module）、以及多學(xué)科分析模塊（+LAPLACE Module）。物理模塊的主要功能如下：模塊結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊（+SOLID Module）流體分析模塊（+FLOW Module）多學(xué)科分析模塊（+LAPLACE Module）概述計(jì)算材料有效剛度張量和彈性模量。調(diào)用軟件內(nèi)置的有限元求解器或采用基于分割圖像的快速半解析法來執(zhí)行數(shù)值均勻化計(jì)算。計(jì)算多孔介質(zhì)滲透率等參數(shù)，數(shù)值均勻

13、化計(jì)算調(diào)用軟件內(nèi)置的Stokes求解器。計(jì)算由Laplace方程控制的材料行為對應(yīng)的有效材料參數(shù)，包括但不限于電導(dǎo)率、介電常數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等。采用軟件內(nèi)置的有限元求解器或者基于分割圖像的快速半解析法來執(zhí)行數(shù)值均勻化計(jì)算。核心功能 計(jì)算有效剛度張量/彈性模量 內(nèi)置有限元求解器 多相材料模型構(gòu)建 快速半解析法評估 可視化變形、應(yīng)力應(yīng)變 計(jì)算多孔介質(zhì)滲透率 內(nèi)置有限元求解器 可視化速度場和壓力場 計(jì)算有效電導(dǎo)率和介電常數(shù) 計(jì)算熱傳導(dǎo)系數(shù) 計(jì)算擴(kuò)散系數(shù) 內(nèi)置有限元求解器 快速半解析法評估 可視化場分布特性結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊（+SOLID Module）流體分析模塊（+FLOW Module）多學(xué)科

14、分析模塊（+LAPLACE Module）生成高質(zhì)量的體網(wǎng)格（Hex/Tet或Tet）灰度值材料映射計(jì)算有效彈性參數(shù)計(jì)算滲透率系數(shù)計(jì)算電參數(shù)和熱參數(shù)可視化有限元模擬結(jié)果 優(yōu)勢Ø 穩(wěn)定而有效的均質(zhì)化方法復(fù)合材料的簡化分析Ø 基于3D掃描的高效仿真分析在ScanIP中快速計(jì)算有效屬性Ø 在多種預(yù)定義邊界條件中進(jìn)行選擇基于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，節(jié)約時間Ø 高質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化及動畫功能圖3-1.10 多孔材料樣品絕對滲透率張量、有效 的導(dǎo)電性、透氣性、導(dǎo)熱性和分子擴(kuò)散 與同事分享和探討仿真結(jié)果Ø 腳本自動重復(fù)任務(wù)和操作l 重要特征Ø 計(jì)算有效彈塑性

15、特性（結(jié)構(gòu)模塊）、絕對滲透率（流體模塊）、電導(dǎo)率和介電常數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和分子擴(kuò)散系數(shù)（拉普拉斯模塊）Ø 可在完整的基于有限元的均質(zhì)化方法和快速半解析法之間進(jìn)行選擇（僅適用于結(jié)構(gòu)模塊和拉普拉斯模塊）Ø 自動計(jì)算最適合的各向同性（所有物理模塊）、正交各向異性（結(jié)構(gòu)模塊）、以及單軸（流體模塊和拉普拉斯模塊）近似值，以及算有效張量Ø 自動測定模型主軸方向Ø 計(jì)算結(jié)果可導(dǎo)出為text或VTK格式文件（二）Simpleware軟件在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用案例基于圖像的建模技術(shù)極大促進(jìn)了3D打印行業(yè)的發(fā)展，Simpleware是該技術(shù)的先驅(qū)者和領(lǐng)航者。中仿科技參加了2014

16、第三屆深圳國際3D打印技術(shù)展覽會暨研討會，詳細(xì)介紹了Simpleware軟件在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用及優(yōu)勢，得到了與會人員的一致好評。下面將展示Simpleware應(yīng)用與3D打印的典型案例。l 人體下頜種植體的建模和3D打印圖3-2.2構(gòu)建虛擬人體下頜模型并進(jìn)行虛擬安裝圖3-2.1掃描圖像的立體化和可視化圖3-2.3 3D打印定制的下頜種植體圖3-2.4下頜種植體在頭骨模型上安裝首先運(yùn)用圖像處理模塊ScanIP使掃描圖像立體化，再利用CAD模塊和網(wǎng)格模塊構(gòu)建缺損的下頜模型，接著進(jìn)行虛擬安裝并調(diào)整修改模型，最后輸出下頜模型進(jìn)行3D打印?；赟impleware軟件強(qiáng)大的圖像處理功能可以精確地提取圖像

17、信息，網(wǎng)格模塊和CAD模塊構(gòu)建高精度3D模型，還可進(jìn)行模擬安裝并修改，最終形成的三維模型既精確又契合。l 對模型添加微結(jié)構(gòu)圖3-2.5材料晶格結(jié)構(gòu)圖3-2.6對模型添加微結(jié)構(gòu)Simpleware軟件可以方便地添加掃描數(shù)據(jù)和CAD模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。加入微觀結(jié)構(gòu)模型，可以減少零件的重量，降低3D打印的成本。Simpleware軟件的優(yōu)勢Ø 界面簡單，易學(xué)易用。Ø 能夠處理MRI、CT、顯微CT、納米CT等多種3D圖像數(shù)據(jù)。Ø 強(qiáng)大的圖像處理功能，重構(gòu)和優(yōu)化圖像數(shù)據(jù)。Ø 多種材料的3D打印功能，多部件打印的協(xié)調(diào)功能。Ø 微觀結(jié)構(gòu)的生成，降低模型重量，節(jié)

18、省材料和成本。Ø 快速自動生成精確的STL文件。Ø 自定義和擴(kuò)展功能。關(guān)于Simpleware軟件借助其image-to-mesh技術(shù)，Simpleware三維數(shù)字圖像建模軟件已成為圖像到數(shù)值模型的圖像處理先驅(qū)者，獲得了包括Queens Award for Enterprise in Innovation 2012、Institute of Physics (IOP) Innovation Award 2013在內(nèi)的多個國際獎項(xiàng)，為數(shù)字圖像三維建模的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。2014年12月中仿科技在重慶醫(yī)科大學(xué)舉辦Simpleware三維圖像建模軟件技術(shù)講座和操作培訓(xùn)，詳細(xì)介紹Simpleware軟件，并就Simpleware在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用做詳細(xì)介紹，并帶領(lǐng)參會人員一步步學(xué)習(xí)操作案例，熟悉軟件操作流程。目前Simpleware在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、石油天然氣科學(xué)、3D打印等眾多領(lǐng)域。關(guān)于中仿科技中仿科技(CnTech)公司成立于2003年，是中國領(lǐng)先的仿真分析軟件和系統(tǒng)解決方案的提供者。中仿科技依靠自主創(chuàng)新研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的中仿CAE系列產(chǎn)品，同時與國際上領(lǐng)先的數(shù)值仿真技術(shù)公司有長期而緊密的合作關(guān)系，具備較強(qiáng)的自主研發(fā)能力和創(chuàng)新能力，能夠?yàn)橹袊髽I(yè)和科研機(jī)構(gòu)提供世界一流的仿真