Modelling of endoprostheses – applications of 3D and 5D printers in medicine

Abstract

Praca przedstawia autorskie podejścia do modelowania powłok oraz obiektów wolumetrycznych o porowatej strukturze, wytwarzanych za pomocą drukarek 3D i 5D, które mogą być wykorzystane jako endoprotezy w zastosowaniach medycznych. W pierwszej kolejności zaproponowano generowanie otwartych oraz częściowo zamkniętych powłok opartych na trzech rodzajach siatek: trójkątnej, czworokątnej i heksagonalnej. Dla tej ostatniej, korzystając z notacji Bravisa, podano trzy równania generujące struktury Armchair, Chiral, Zig-zag. Dla wolumetrycznych obiektów porowatych rozważano metody wytwarzania bazujące na strukturach krystalograficznych oraz parametrycznych funkcjach generacyjnych. Zaproponowano optymalizację kształtu przestrzennych łączników, które opisano analitycznymi powierzchniami czwartego rzędu, poprawiających własności mechaniczne struktury. Dla powłok przeprowadzono szacowanie kosztów wykonania przedmiotu biorąc pod uwagę ilość zużytego materiału. Opisano również etapy procesu przetwarzania danych od momentu wczytania pliku STL (niezwiązana lista trójkątów) do wytworzenia zapisu poleceń (w standardzie G-code) dla drukarki 3D. Zasygnalizowano również tematykę technologii druku 5D przewidzianą do realizacji na nowatorskiej drukarce 5D.The paper presents original modelling approaches to the shells and volumetric porous structures produced by the application of 3D and 5D printers. These devices can be used to create endoprosthesis for medical applications. Based on the three types of meshes: triangular, rectangular, and hexagonal, the problem of generating open and partially closed shells has been considered. For porous volumetric structures the parametric generative function uses BRAVIS notation and crystallographic structures has been formed. To improve the mechanical properties of the structure, the shape of the all nodes has been replaced by local fourth order analytical surfaces. Proposed modeling method takes into account the cost of manufacturing and amount of used material. The paper also describes the stages of the STL data processing starting from the file loading (unbound list of triangles) to generating control commands (standard G-code) for a 3D printer. Some problems referring to the innovative printing technology 5D has been also described