羅時杰,胥光申,王飛雷,鄭 晗

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(dá)到8 502萬人,在各類殘疾人中,肢體殘疾的數(shù)量最多,約占?xì)埣踩丝倲?shù)的29.07%[1]。與此同時,由于生理機(jī)能衰退,老年群體患肢體殘疾的風(fēng)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(xí)慣為肢體疾病埋下了隱患。隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及社會各方面對康復(fù)工作的支持,肢體殘疾的康復(fù)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(jìn)行正常的工作和學(xué)習(xí)。

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(hù)、預(yù)防和矯正人體身體部位畸形,已經(jīng)廣泛運(yùn)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(fù)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(jī)三維設(shè)計模型為藍(lán)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(jìn)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(xué)領(lǐng)域的應(yīng)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(jìn)行了強(qiáng)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(shè)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(wù)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(wù)。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(jìn)行修復(fù),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(jìn)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(shè)計

作為直接與身體接觸的支具,矯形器的結(jié)構(gòu)、力學(xué)表現(xiàn)、美觀性和透氣性等都是有限元分析和設(shè)計時需要考慮的因素。在強(qiáng)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(xué)模型方面,認(rèn)為矯形器滿足彈性力學(xué)的基本假設(shè)。矯形器實體分為上下2部分,將2部分模型導(dǎo)入abaqus軟件中,2部分材料屬性一致,在屬性模塊設(shè)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(qiáng),其中,魔術(shù)貼表面壓強(qiáng)為0.009 75 MPa,內(nèi)表面壓強(qiáng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力為2.9 MPa,矯形器的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力,故滿足矯形器的強(qiáng)度。

圖 3位移云圖Fig.3 Displacement nephogram

圖 4應(yīng)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(yù)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(yīng)力云圖如圖5所示。

圖 5集中載荷下的應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram

由圖5可知,最大等效應(yīng)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(yīng)力雖有明顯的增大,但仍小于材料的許用應(yīng)力,滿足矯形器強(qiáng)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(jìn)行了強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度也會適當(dāng)增加,同等載荷條件下,對應(yīng)的應(yīng)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(yīng)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(dāng)減小而曲面片數(shù)量有所增加。在相應(yīng)曲面片上施加載荷時,面積的減小使得應(yīng)力稍有增大,故位移也相應(yīng)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(yīng)力均小于許用應(yīng)力,強(qiáng)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(qiáng)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(fù)運(yùn)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(rèn)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(qiáng)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?fù)鋬?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?fù)鋬?yōu)化模型已被廣泛使用,該模型的目標(biāo)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(yīng)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(shè)計 以上述優(yōu)化模型為基礎(chǔ),在創(chuàng)建優(yōu)化任務(wù)時,以矯形器整體為優(yōu)化區(qū)域,以最小應(yīng)變能為目標(biāo)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?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)果如圖6所示,材料的去除在拓?fù)浣Y(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(jìn)行結(jié)構(gòu)的再設(shè)計,圖7所示為在矯形器表面開設(shè)若干通風(fēng)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(qiáng)度進(jìn)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(yīng)力為2.084 MPa,仍在材料強(qiáng)度的許可范圍內(nèi)。但相比于未開設(shè)通風(fēng)孔前的矯形器,新設(shè)計的矯形器不僅強(qiáng)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?fù)鋬?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(shè)計后矯形器應(yīng)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(jī)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(yīng)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(yù)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(qiáng)度等要求外,其應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)性也是康復(fù)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(yīng)用價值。在經(jīng)濟(jì)性方面,本文對矯形器制作成本與耗時進(jìn)行了估算,估算結(jié)果如表2所示。由表2可知,在不考慮機(jī)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(shè)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(qiáng),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(qiáng),具有較大地推廣應(yīng)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(jìn)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(yīng)用3D激光成型技術(shù)在AFS-500型成型機(jī)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(qiáng)度足夠,透氣性良好,對患者的康復(fù)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(yīng)用價值和一定競爭力的矯形器制造技術(shù)。