3D打印前臂外固定支具的有限元分析与结构优化设计

摘要

背景:使用3D打印技术制作适合患者个性化的支具普遍存在,但却缺乏支具对前臂骨折断裂处保护效果的生物力学验证。目的:将逆向建模、有限元分析与拓扑优化等方法相结合,提出一种3D打印制作前臂支具的可行性方法,并通过有限元分析验证支具的有效性。方法:采用逆向建模方法,通过医学图像处理软件Mimics构建1例男性志愿者前臂模型,并利用参数化设计软件Grasshopper对Rodin 4D采集的前臂数据进行处理并建立支具模型。依据前臂生物力学特性对佩戴支具的前臂整体模型进行有限元分析,再根据有限元分析结果对支具进行拓扑优化并作打孔处理,最后用3D打印机将支具打印出来。结果与结论:(1)在100 N的压力载荷下,骨折断裂处应力与位移分别为1.53 MPa和0.27 mm,而前臂在支具保护下断裂处的应力与位移分别下降到0.19 MPa和0.005 mm;(2)在保证支具力学性能前提下对支具进行拓扑优化,通过对比优化后支具的支承刚度结果,选择减少40%体积作为优化结果,再根据优化结果使用Grasshopper插件对支具进行打孔减材处理;(3)通过对比由不同文样镂空设计的支具强度,选择泰森多边形作为打孔文样;(4)提出使用数字化设计与3D打印技术制作的前臂支具具有可行性,实验建立了完整的前臂支具设计、验证及制造系统。