减重25.4%且可制造：研究将场驱动设计、弹塑性均匀化与MJF结合用于假肢接受腔

来源，3DPrintingIndustry

来自意大利四所大学的研究人员开发了一种数字工作流程，用于生产具有空间渐变晶格结构的上肢假肢接受腔。

该方法结合了3D扫描、有限元分析、弹塑性均匀化和场驱动设计，根据局部机械载荷调整晶格支柱直径。

最终设计重量为373克，比等效的500克实心模型轻25.4%。

随后使用Multi Jet Fusion制造了一个全尺寸PA12原型。

这项研究发表在《Materials & Design》上，汇集了圣安娜高等研究学院、特伦托大学、比萨大学和罗马第一大学。

其核心贡献并非临床完成的假肢，而是一个将患者解剖结构和模拟应力连接到可制造渐变晶格的工作流程，随后进行CT检测和机械测试。

将接受腔生产转向数字工作流程。

假肢接受腔是连接截肢者残肢与假肢其余部分的接口。

其内部接触残肢并分布压力，而外壳承受结构载荷并容纳电极、电池、电子设备和腕部连接件。

数字工作流程始于通过米兰Orthopedic Panini招募的一名志愿者。

使用Ortenshape和iPhone 15 Pro Max捕获残肢、对侧肢体和石膏模型。

扫描数据随后通过Autodesk Meshmixer、Fusion和nTop进行处理。

该流程数字化了几何形状开发，但并未取消物理试配。

两次迭代纠正了内衬的整体对位，随后又两次迭代优化其前表面。

这四次迭代表明，人在环中的优化仍然是必要的。

最终的外壳恢复了对侧手臂的大致比例，并集成了一个肌电手系统，包括一个可拆卸的组合电池仓和腕部壳体，通过径向螺栓法兰固定。

将应力转化为晶格几何。

减重源于应用于患者特异性外壳的单层晶格。

其方形对角线单胞产生了几乎各向同性的面内响应，适合弯曲几何形状。

该研究并未对每个支柱建模，而是通过弹塑性均匀化将晶格表示为等效连续材料。

分析了从0.5毫米到5毫米的十种支柱直径，以定义刚度、剪切响应、泊松比和屈服行为。

然后施加了1.5毫米的最小直径，以限制局部柔韧性和对制造缺陷的敏感性。

有限元分析固定了内衬界面，并在腕部壳体处施加了100N的分布载荷，模拟肘部弯曲90度时的举重状态。

初始模拟使用均匀晶格属性生成应力场。

MATLAB将其分为16个区间，每个区间链接到一组材料属性及对应的支柱直径。

高应力区域获得更厚的支柱，而低应力区域使用更薄的支柱，最小直径保持在最大应力的25%以下。

nTop随后将生成的直径场转换为最终的渐变晶格，并将其与接受腔的实体部分融合。

轻量化改变了结构权衡。

优化后的接受腔在HP Jet Fusion 4200上使用HP 3D High Reusability PA12制造。

其建模重量为373克，而均匀平均属性晶格模型为434克，实心模型为500克。

相对于实心版本，这实现了25.4%的减重，但最大前向挠度从0.7毫米增加到1.6毫米，预计最小安全系数从6.7降至4.2。

最低安全系数出现在晶格与实体几何的交界处。

CT检测显示，打印接受腔中的支柱直径中位数约为1.4毫米，而CAD模型中为1.5毫米。

向较小特征的轻微偏移仍处于CT系统127微米体素尺寸所施加的不确定性范围内，支持了使用MJF制造渐变晶格的可制造性。

从功能晶格到应力驱动假肢。

最近的医疗3D打印研究已将晶格几何视为不仅仅是减重的途径。

新南威尔士大学堪培拉分校在实验性骨支架中使用了可生物降解的PLA和随机晶格结构，而非规则重复图案。

改变内部取向影响了冲击能量吸收、断裂行为和流体渗透性，展示了如何根据不同的力学和生物学需求调整结构。

类似原理出现在Essesi Design Studio的概念性游泳假肢Nimble中。

其柔性橡胶晶格在踢腿过程中压缩并储存能量，然后反弹，产生推力，同时将力从连接点分散开。

这项新的接受腔研究将这种方法带向了不同方向，从患者特异性应力场推导出局部支柱尺寸，并通过CT检测和全尺寸机械测试评估结果。

因此，其贡献不仅是晶格本身，而是解剖数据、计算载荷、制造限制和测量结构性能之间的连接。