基于3D打印最優解決方法的康復產品設計研究

張燁

摘 ? 要：科學技術的快速發展，使3D打印成為改變人們生產方式的關鍵技術之一，并在各個領域中得到了廣泛的應用。在醫學領域中，3D打印技術最重要的體現便在于康復產品設計，通過對康復產品的設計方案進行深入研究，以此探尋3D打印的最優解決方法，必將進一步推動我國醫學領域的發展，從而使康復產品能夠為人們的身體健康提供更加優質的服務。鑒于此，本文便以某康復矯形器的設計方案為例，對基于3D打印最優解決方法的康復產品設計進行深入的研究。

關鍵詞：3D打印 ?最優解決方法 ?康復產品 ?產品設計

中圖分類號：TP33 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0159-02

近年來，醫療領域的發展，使越來越多的患者體會到康復產品所帶來的好處，這也使康復產品逐漸成為患者盡快恢復身體健康的必需品。與此同時，人們對康復產品的設計質量也越來越關注，康復產品不僅要具備能夠幫助病人恢復健康的相關功能，其產品外觀的美觀性也非常重要。長期以來，由于康復產品在應用過程中無法適用于所有的患者，這也使患者對康復產品的需求量并不大，部分康復產品如果使用不得當，甚至還會給患者的身體造成一定的損害，這也使人們在對康復產品進行設計時，急需探尋最優的解決方法。3D打印技術的出現，為康復產品的個性化設計提供了可靠的技術保障，實現了對康復產品的最優化設計，有效解決了康復產品無法適用于所有患者的難題。鑒于此，以下便對基于3D打印最優解決方法的康復產品設計進行相應的研究。

1 ?基于3D打印最優解決方法的康復產品設計方案分析

1.1 儀器與軟件

本文所設計的康復產品為上肢手腕部位的康復矯正器，該矯正器采用的儀器包括一臺Windows 7系統的計算機，該計算機的處理器采用英特爾E5-2650v4，其內存為64G，處理器中的CPU主頻采用2.20GHz。在該計算機中安裝有容量為1TB的硬盤。在康復矯正器設計中，其模型構建主要是通過Mimics19.0三維建模軟件與Geomagic Studio逆向工程建模軟件來完成的，并利用CAD軟件系列中的UG NX進行輔助設計，采用Abaqus軟件進行有限元分析，模型導入與添加則利用MakerBot Desktop軟件來完成。該康復矯正器利用3D打印機進行輸出打印，其采用的打印材料為PLA熱塑材料，該材料具有綠色無毒的應用優勢，經該3D打印機進行打印輸出，能夠大幅提高康復矯正器的設計效率與生產精度。該康復矯正器的打印尺寸為30.5cm×30.5cm×45.7cm，該矯正器各個打印層之間的分辨率為100μm，打印噴嘴的直徑為0.4mm。

1.2 數據采集方法

該康復矯正器是為一名女性患者量身定做的，在對這名女性患者進行康復產品定制設計時，其關鍵所在是對數據進行精確采集，在數據采集中主要是利用Philips-Medical-Systems-Ingenia3.0對患者的上肢手腕部位進行數據掃描，該名女性患者在數據掃描過程中保持仰臥體位，需要確保患者軀干的中軸線和掃描床的軸線相互平行，患者的上肢應保持伸直狀態沿著頭頂的方向向上舉，手部的狀態可看作其功能位，手腕部應保持25°～30°的伸直，其姆指和食指以對掌位的方式向外伸展，掌指與近指關節的屈曲角度為45°，掌指與遠指關節的屈曲角度為10°～15°，各個手指關節有著較為相近的屈曲度數，并且各手指間應較為分開，將橈骨的中段當作數據掃描的中心，對患者的雙上肢進行掃描，數據掃描模式采用T1-mDIXON-W，其層厚與層距分別是0.2cm與0.1cm，對矩陣進行512重建，設置曝光間隔為1.5s，以此輸出MRI圖像。

1.3 康復產品模型的構建與設計

對康復矯正器的設計主要是采用CAD軟件來實現的，通過CAD軟件來進行數字化設計，并通過3D建模軟件進行產品建模，然后運用有限元分析軟件進行產品分析。在對康復矯正器的模型進行構建時，需要將掃描到的MRI圖像數據導入到Mimics軟件中，應用Thresholding模塊來分割前臂與手臂閾值，對其分割的灰度值范圍確定為34～195，然后將分割好的手掌與前臂進行初始蒙版儲存，并根據該蒙板，運用Multiple Slice Edit與Masks這兩個模塊來修補破損與粗糙的位置，然后通過Smooth mask模塊來進行光順處理，并通過Calculate 3D模塊進行處理與計算，然后以STL格式進行存儲。在對康復矯正器的產品模型進行表面處理時，需要將之前計算獲得的手部與前臂STL格式的模型在Geomagic Studio軟件中導入，然后利用多邊型模塊來平滑處理模塊平面，使矯正器模型的厚度能夠加厚至2mm，以此確?；颊咴谂宕髟摮C正器時不會緊緊的貼附在其皮膚上，這樣在3D打印后可將襯墊添加至其中，便可減輕矯正器對患者橈骨部位進行摩擦與擠壓時的痛感。利用軟件中的精確曲面模塊可對矯正器的輪廓線進行依次檢測，并對其曲面片、格柵等進行構造，對曲面進行擬合操作，分析模型偏差，在利用精確曲面模塊進行處理后，即可構建出該康復矯正器的NURBS曲面，通過對該曲面進行最終擬合，以此實現對康復矯正器的實體建模。在矯正器模型構建后，將其在Abaqus軟件中導入，然后設置其特性，建立矯正器的裝配體，對模型網格進行劃分，確定其載荷邊界，然后對模型進行后處理，這些操作都是有限元操作，通過這些操作可進一步優化矯正器的模型結構，在3D打印過程中也能節約耗材，避免載荷低區域給矯正器產品的強度所帶來的不利影響，實現對康復產品模型的優化設計。