定制化腕部矯形器的數(shù)字化制造實現(xiàn)與優(yōu)化

羅時杰,胥光申,王飛雷,鄭 晗

(西安工程大學 機電工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

根據(jù)第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查顯示,我國殘疾人總數(shù)達到8 502萬人,在各類殘疾人中,肢體殘疾的數(shù)量最多,約占殘疾人總數(shù)的29.07%[1]。與此同時,由于生理機能衰退,老年群體患肢體殘疾的風險較大[2-5];各類交通、安全生產(chǎn)事故頻出；低頭使用電子產(chǎn)品、熬夜等不良習慣為肢體疾病埋下了隱患。隨著相關(guān)科學技術(shù)的發(fā)展以及社會各方面對康復工作的支持,肢體殘疾的康復工作取得較大成果[6-8]。但作為人口大國,我國每年依然有很多傷員病員需要借助矯形器進行正常的工作和學習。

矯形器作為一種支撐裝置,主要目的是穩(wěn)定和支持、固定和保護、預防和矯正人體身體部位畸形,已經(jīng)廣泛運用于矯正或治療各種肢體疾患[9-10]。傳統(tǒng)矯形器利用石膏填充模具修剪打磨而來,繁瑣費時且制作效率低[11]。長時間佩戴石膏矯形器后,皮膚易出現(xiàn)潰瘍、皮炎等問題,丟棄的石膏也易造成環(huán)境污染[12-13]。如何克服傳統(tǒng)矯形器的諸多弊端,為患者提供更利于康復的、定制化的矯形器成為重要的研究課題。

3D打印技術(shù)又稱為增材制造,以計算機三維設計模型為藍本,通過軟件分層切片和成型系統(tǒng),利用激光束、熱熔噴嘴等方式將材料進行逐層堆積粘結(jié),最終制造出實體產(chǎn)品[14]。3D打印技術(shù)日益成熟,其在醫(yī)學領(lǐng)域的應用越來越廣泛。相比于傳統(tǒng)矯形器費時、低效等諸多不足,3D打印制作的矯形器在實現(xiàn)快速定制化的同時,還突出了矯形器在外觀、佩戴舒適感和重量等方面的優(yōu)勢[15]。

本文借助激光掃描儀和逆向工具獲取并重構(gòu)了與患者腕部匹配的矯形器數(shù)字化模型。 在此基礎(chǔ)上, 對矯形器模型進行了強度分析并完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 最后利用 SLS 激光燒結(jié)成型工藝制作出腕部矯形器。 設計的矯形器滿足了定制化的實際需要, 對于提高矯形器制造效率， 更好地服務患者具有重要意義。

1 矯形器的數(shù)字化模型

建立定制化的矯形器數(shù)字化模型是數(shù)字化制造的首要任務。模型的建立主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型重構(gòu)3個方面:(1)數(shù)據(jù)的采集借助Handyscan三維激光掃描儀來完成,采集時患者只需輕抬手腕即可,如此便避免了可能因采集而造成的二次損傷;(2)數(shù)據(jù)的處理是對冗余數(shù)據(jù)、孔洞等缺陷進行修復,在此基礎(chǔ)上選取需要的部分作為矯形器的初步模型,該過程主要利用掃描儀配套的VXmodel軟件來實現(xiàn)；(3)數(shù)據(jù)重構(gòu)是將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可編輯的實體模型,在重構(gòu)前,為了避免矯形器與腕部皮膚接觸過緊而產(chǎn)生不適,對矯形器進行了偏移和加厚處理。圖1所示為在Geomagic環(huán)境下重構(gòu)出的腕部矯形器實體,將該實體分割成2部分后以step格式保存。

圖 1矯形器實體Fig.1 Orthosis entity

2 有限元分析與設計

作為直接與身體接觸的支具,矯形器的結(jié)構(gòu)、力學表現(xiàn)、美觀性和透氣性等都是有限元分析和設計時需要考慮的因素。在強度方面,主要分析在正常佩戴矯形器和突發(fā)性集中載荷這2種情況。

2.1正常佩戴情況分析

在數(shù)學模型方面,認為矯形器滿足彈性力學的基本假設。矯形器實體分為上下2部分,將2部分模型導入abaqus軟件中,2部分材料屬性一致,在屬性模塊設置材料為各向同性,彈性模量為1 800 MPa,泊松比為0.46。圖2(a)所示的高亮部分為矯形器佩戴時的接觸區(qū)域,佩戴矯形器時,高亮區(qū)域始終保持接觸,故相互作用模塊對該接觸區(qū)域作綁定約束。創(chuàng)建通用靜力分析步后,如圖2(b)所示,對魔術(shù)貼表面和矯形器內(nèi)表面施加載荷(等效為平均壓強,其中,魔術(shù)貼表面壓強為0.009 75 MPa,內(nèi)表面壓強為0.000 98 MPa)。此外,矯形器內(nèi)表面始終與人體皮膚相接觸,需對內(nèi)表面在3個方向的位移和轉(zhuǎn)角均加以約束。以上步驟均完成后,以四面體單元劃分網(wǎng)格并提交求解。

(a) 矯形器接觸區(qū)域

(b) 施加載荷圖 2有限元分析Fig.2 Finite element analysis

矯形器的位移和應力云圖如圖3，4所示,正常佩戴情況下,矯形器的最大位移為0.000 007 811 mm,可忽略不計;在受力方面,矯形器的最大應力為0.007 192 MPa,矯形器的材料為Psb粉末,該材料經(jīng)激光燒結(jié)后的屈服極限為5.8 MPa,選取安全因數(shù)為2.0,則其許用應力為2.9 MPa,矯形器的最大應力小于許用應力,故滿足矯形器的強度。

圖 3位移云圖Fig.3 Displacement nephogram

圖 4應力云圖Fig.4 Stress nephogram

2.2突發(fā)性集中載荷的狀態(tài)分析

在現(xiàn)實生活中,患者佩戴矯形器時,一些不可預知的碰撞和突發(fā)的外力沖擊時有發(fā)生[16]。故除了分析正常佩戴情況外,還需考慮集中載荷作用下矯形器的性能表現(xiàn),于是對尺骨附近的小塊區(qū)域施加3 MPa的集中載荷。矯形器承受集中載荷后的應力云圖如圖5所示。

圖 5集中載荷下的應力云圖Fig.5 Stress nephogram

由圖5可知,最大等效應力為1.901 MPa。相比于正常佩戴情況,受到集中載荷后,矯形器應力雖有明顯的增大,但仍小于材料的許用應力,滿足矯形器強度。

2.3矯形器最佳壁厚的選擇

上文中,以壁厚為3 mm為例,對矯形器進行了強度分析。3 mm為初步壁厚,本文還對其他6組不同壁厚(2 mm,2.5 mm,3.5 mm,4.0 mm,4.5 mm,5.0 mm,5.5 mm)的矯形器在同等載荷和約束的情況下進行有限元分析,其結(jié)果如表1所示。

表 1不同壁厚下矯形器的性能表現(xiàn)Table 1 Performance of different wall thickness orthosis

一般而言,矯形器厚度增加時,其整體強度也會適當增加,同等載荷條件下,對應的應力和位移會有所減小。但從表1可知,在同等載荷和約束情況下,隨著矯形器壁厚的增加,尺骨附近區(qū)域的最大應力值和最大位移值反而逐漸增大。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能為隨著偏移量和厚度的增加,矯形器的總表面積略有增大。為保持曲面片布局的規(guī)則性,在劃分曲面片布局時,單個曲面片的面積適當減小而曲面片數(shù)量有所增加。在相應曲面片上施加載荷時,面積的減小使得應力稍有增大,故位移也相應增大。但總體而言,在2.0～5.5 mm厚度范圍內(nèi),矯形器的最大應力均小于許用應力,強度足夠。

矯形器的壁厚是安全性、生產(chǎn)效率、制造成本的重要影響因素。針對矯形器壁厚有如下考慮: (1)在安全性方面,5.5 mm 厚度以內(nèi)的矯形器強度均足夠,安全性可靠; (2)在生產(chǎn)效率方面, 以5.5 mm 和3 mm 厚度為例,5.5 mm 厚度的矯形器在加工高度方向上多出2.5 mm, 分層處理時高出13層(層厚為0.2 mm), 打印時鋪粉輥的往復運動增加26次, 厚度的增加直接降低了矯形器的生產(chǎn)效率; (3)在制造成本方面,高厚度的矯形器除了增加耗材以外,其數(shù)字化處理過程也會增加耗時,故制造成本更高。 此外, 矯形器壁厚過高或過低均會影響矯形器的美觀性和佩戴舒適性, 綜合諸多因素,本文認為,矯形器的最佳壁厚為4 mm。在該壁厚參數(shù)下,矯形器的強度、使用壽命能夠得到保證且生產(chǎn)效率較為適中。

2.4矯形器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗證

2.4.1 矯形器的優(yōu)化模型 矯形器的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化是通過在分析過程中不斷修改模型的單元材料性質(zhì),有效移除單元而獲得矯形器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)(優(yōu)化結(jié)果見圖6)。目前,基于SIMP法的連續(xù)體拓撲優(yōu)化模型已被廣泛使用,該模型的目標函有選舉權(quán)和約束條件為

KU=F

ki=(ρi)pk0

0≤ρmin≤ρi≤ρmax

式中：ρi為材料的相對密度；vi為單元體積；C為矯形器模型的應變能；V0和V分別為優(yōu)化前后的體積;F為矢量；p為處罰因子；f為優(yōu)化體積比,本模型取為45%；U為位移矢量；u為單元位移矢量；K為剛度矩陣；k0為初始剛度矩陣；ki為優(yōu)化后的剛度矩陣。

2.4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和再設計 以上述優(yōu)化模型為基礎(chǔ),在創(chuàng)建優(yōu)化任務時,以矯形器整體為優(yōu)化區(qū)域,以最小應變能為目標函數(shù)[17],凍結(jié)矯形器與魔術(shù)貼接觸的區(qū)域并提交作業(yè)。拓撲優(yōu)化后的結(jié)果如圖6所示,材料的去除在拓撲結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為大小不一的孔洞,可根據(jù)這一結(jié)果進行結(jié)構(gòu)的再設計,圖7所示為在矯形器表面開設若干通風孔后的最終結(jié)構(gòu)。

2.4.3 優(yōu)化結(jié)果驗證 以同樣的材料屬性、約束和受載條件對最終結(jié)構(gòu)的強度進行驗證,結(jié)果如圖8所示。最終結(jié)構(gòu)在承受突發(fā)性的集中載荷后,最大等效應力為2.084 MPa,仍在材料強度的許可范圍內(nèi)。但相比于未開設通風孔前的矯形器,新設計的矯形器不僅強度足夠,而且在透氣性、重量和耗材方面都更具優(yōu)勢[18-20]。

圖 6拓撲優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Result

圖 7矯形器的最終結(jié)構(gòu)Fig.7 The final structure of orthosis

圖 8再設計后矯形器應力云圖Fig.8 Stress nephogram after redesign

3 矯形器的3D激光成型

SLS激光燒結(jié)成型工藝是將燒結(jié)后的粉末一層一層堆積成形,相比于面曝光成型等其他快速成型方式,由于其成型材料廣泛、無需添加支撐、低成本、高精度,所以比其他快速成型技術(shù)更具優(yōu)勢[21-22]。本文借助北京隆源AFS-500激光燒結(jié)成型機來制作矯形器實物。矯形器的實物制作時,在材料的選擇上應傾向于綠色環(huán)保、符合人體健康需要的材料。受限于實驗條件,本文采用SLS工藝燒結(jié)psb粉末完成矯形器制作。在燒結(jié)工藝中,主要的參數(shù)有:激光功率15 W,預熱溫度100 ℃,激光掃描速度4.00 m/s,分層厚度0.2 mm。圖9(a)所示為燒結(jié)完成并經(jīng)過浸蠟處理后的矯形器實物,圖9(b)為患者佩戴矯形器,由圖可知,矯形器可以與腕部很好的契合。

(a) 浸蠟后的矯形器

(b) 患者佩戴矯形器圖 9腕部矯形器的SLS系統(tǒng)成型Fig.9 SLS system to fabricate wrist orthosis

4 矯形器評價

作為重要的輔助器具,矯形器除了能夠滿足外觀、透氣性、強度等要求外,其應用價值和經(jīng)濟性也是康復工作者和廣大患者共同關(guān)心的重要方面。

從整個數(shù)字化制造過程來看,數(shù)字化技術(shù)并不局限于腕部受損的情況,也同樣適用于人體的諸多部位,如肘部、膝部、頸部等。因此,本矯形器制作的技術(shù)方法具有良好的推廣應用價值。在經(jīng)濟性方面,本文對矯形器制作成本與耗時進行了估算,估算結(jié)果如表2所示。由表2可知,在不考慮機器磨損和人工費用的情況下,腕部矯形器總成本為270元,其中主要的花費為3D激光成型所需的材料費用;其總耗時為150 min,主要耗時項目為數(shù)字化模型的設計和3D激光成型。矯形器制作耗時尚可,但成本較傳統(tǒng)石膏矯形器偏高。

表 2定制化腕部矯形器制作成本與耗時Table 2 Production cost and time consuming of customized wrist orthosis

綜合成本、性能等諸多因素,利用3D激光成型技術(shù)制作的定制化矯形器適用性強,能夠滿足患者的需求,該項矯形器數(shù)字制造技術(shù)市場競爭力強,具有較大地推廣應用價值。

5 結(jié) 語

本課題采用激光掃描儀和逆向工具,對患者腕部進行數(shù)據(jù)采集并構(gòu)建矯形器的實體模型,利用有限元分析法對該模型作受力分析與優(yōu)化,應用3D激光成型技術(shù)在AFS-500型成型機上成功實現(xiàn)了腕部矯形器的數(shù)字化快速制造。實踐證明，該矯形器外形美觀,佩戴舒適,可以與人體腕部較好的契合,強度足夠,透氣性良好,對患者的康復起到良好輔助作用。該項技術(shù)可用于人體腕部,還可用于各種需要矯形的部位,如肩部、頸部、腿部等關(guān)節(jié)部位,是一項具有較大推廣應用價值和一定競爭力的矯形器制造技術(shù)。