對(duì)于骨科植入物制造商來說，找到一種更快、更簡(jiǎn)單的方法來生成和修改具有高設(shè)計(jì)量的點(diǎn)陣晶格設(shè)計(jì)軟件，以加快設(shè)計(jì)、3D打印過程的構(gòu)建策略和確保3D打印過程的可靠性是成功的關(guān)鍵。今天與大家一起來深入了解意大利外科醫(yī)生在植入物制造商Lima如何使用西門子NX AM來減少設(shè)計(jì)迭代、減少錯(cuò)誤并提高可靠性。

3D打印骨科植入物? Lima

3D打印-增材制造可以在不同材料分布的幫助下根據(jù)負(fù)載和其他要求調(diào)整局部密度。此外，借助定制的數(shù)字材料，可以優(yōu)化組件的重量、成本和生產(chǎn)時(shí)間。增材制造(AM)作為一項(xiàng)突破性的生產(chǎn)技術(shù)，由于其幾何自由度和免模具生產(chǎn)，成為可以高效生產(chǎn)數(shù)字材料的工藝。

3D打印植入物? 3D科學(xué)谷白皮書

更好的植入物帶來更好的生命質(zhì)量

基于目標(biāo)函數(shù)，AM增材制造的多孔結(jié)構(gòu)中的孔隙特征分布可以是均勻的或不均勻的。均勻支架具有特定形狀和孔隙率的晶胞，而非均勻（梯度）支架包括晶胞陣列，其中孔隙特征在設(shè)計(jì)空間中空間變化以在支架中實(shí)現(xiàn)一種或多種功能。

Lima用Trabecular Titanium技術(shù)制造了髖臼杯，當(dāng)時(shí)，3D打印零件沒有國(guó)際準(zhǔn)，而說服當(dāng)局接受Lima所制造的產(chǎn)品充滿了挑戰(zhàn)，必須提供用于驗(yàn)證、測(cè)試和質(zhì)量保證的全套數(shù)據(jù)。最終，監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)了——這引發(fā)了更大的挑戰(zhàn)。Lima獲得認(rèn)證后，需求如此之高，立即缺貨。當(dāng)時(shí)金屬增材制造的狀態(tài)未經(jīng)證實(shí)，而3D打印的廢品率非常高，Lima不得不繼續(xù)訂購(gòu)更多的3D打印-增材制造機(jī)器來完成訂單，而且驗(yàn)證每臺(tái)機(jī)器都需要時(shí)間。

據(jù)了解，當(dāng)前即使是對(duì)于沒有機(jī)會(huì)進(jìn)行多年臨床試驗(yàn)的個(gè)性化定制3D打印植入物，也能夠通過在植入物設(shè)計(jì)階段進(jìn)行科學(xué)而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳锪W(xué)評(píng)價(jià)與分析，對(duì)3D打印工藝和材料的嚴(yán)格監(jiān)控以及后期的質(zhì)量檢測(cè)等流程來保證植入物的安全性。

關(guān)鍵合作推動(dòng)了創(chuàng)新的膝關(guān)節(jié)置換術(shù)

當(dāng)Lima決定采用非骨水泥全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)時(shí)，這其中的挑戰(zhàn)將比髖臼杯面臨的挑戰(zhàn)更加困難。3D科學(xué)谷了解到髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)比膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)更簡(jiǎn)單。髖關(guān)節(jié)是一個(gè)球窩關(guān)節(jié)，而膝關(guān)節(jié)是一個(gè)復(fù)雜的關(guān)節(jié)，可以進(jìn)行更廣泛的運(yùn)動(dòng)。膝關(guān)節(jié)植入物包含三個(gè)組件：股骨部件連接到大腿下部骨，脛骨板連接到上部脛骨，聚乙烯插入物介于兩者之間。股骨部件是通過精密加工生產(chǎn)的實(shí)心金屬。

該團(tuán)隊(duì)還評(píng)估了美國(guó)和意大利植入患者的骨密度。通過這兩項(xiàng)研究，HSS醫(yī)院 對(duì)接觸點(diǎn)配置進(jìn)行了計(jì)算機(jī)應(yīng)力分析，以得出一個(gè)設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)多孔TT釘、一個(gè)帶有實(shí)心尖端的多孔前釘和板下方的多孔表面。這其中經(jīng)歷了多次的設(shè)計(jì)迭代，包括掛釘數(shù)量、位置、形狀、深度等等。

這種高度迭代暴露了Lima的增材制造流程需要改進(jìn)的領(lǐng)域。3D打印每個(gè)更改，都必須創(chuàng)建一個(gè)stl文件并將其放入不同的軟件包中。然后，如果有另一個(gè)變化，隨后對(duì)應(yīng)的stl文件轉(zhuǎn)換就非常困難。使用點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)的數(shù)字表示使設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，嘗試從STL文件編輯點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)會(huì)消耗大量計(jì)算資源，于是Lima需要一種更快、更簡(jiǎn)單的方法來生成和修改具有高設(shè)計(jì)量的點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)。此外，Lima所面臨的挑戰(zhàn)不僅限于處理復(fù)雜3D打印文件所帶來的時(shí)間延誤。例如，當(dāng)在一個(gè)孤立的軟件工具中操作STL文件，該軟件工具帶來了“數(shù)字不連續(xù)性”。

解決點(diǎn)陣晶格設(shè)計(jì)的“數(shù)字不連續(xù)性”

Lima在2018年評(píng)估了NX AM，此后不久，Lima成為西門子NX AM beta測(cè)試的合作伙伴，通過NX AM減少了對(duì)STL文件的依賴，使用lattice進(jìn)行點(diǎn)陣晶格設(shè)計(jì)變得更加容易，并在Lima的Teamcenter環(huán)境中無縫集成。

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使用NX AM為脛骨板的開發(fā)帶來了立竿見影的好處。設(shè)計(jì)人員不再需要為處理STL文件而苦惱，可以參數(shù)化編輯脛骨板的大部分特征，因?yàn)樗鼈冊(cè)跀?shù)學(xué)上與幾何形狀相關(guān)聯(lián)。使用NX AM還簡(jiǎn)化了Lima點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)任務(wù)?？紤]到專有晶格結(jié)構(gòu)的所有特性，定制設(shè)計(jì)晶胞，通過NX AM，Lima減少了設(shè)計(jì)小梁鈦結(jié)構(gòu)的計(jì)算時(shí)間。而且因?yàn)閹缀跏峭耆珔?shù)化的，設(shè)計(jì)修改會(huì)自動(dòng)更新。在Lima的舊流程中，修改STL文件與工作流程脫節(jié)，因此增加了人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，了解到通過單一數(shù)字流中的所有內(nèi)容和一鍵式點(diǎn)陣設(shè)計(jì)，使得整個(gè)流程更加高效。

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