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Multidisciplinary topology and material optimization approach for developing patient-specific limb orthosis using 3D printing

熔融沉积模型 3D打印 拓扑优化 可扩展性 计算机科学 变形 矫形学 机械工程 工程类 模拟 结构工程 有限元法 人工智能 医学 物理疗法 数据库
作者
Ashwani Kumar,Deepak Chhabra
出处
期刊:Rapid Prototyping Journal [Emerald (MCB UP)]
卷期号:29 (8): 1757-1771 被引量:6
标识
DOI:10.1108/rpj-12-2022-0435
摘要

Purpose This study aims to explore the potential benefits favoring the adaptation of structural optimization techniques in the additive manufacturing (AM) of medical utilities to meet the repetitive demand for functionally precise customized orthoses. Irregularities encountered during the conventional treatment of tendon injuries can be eschewed using advanced structural simulation in design and innovative splint fabrication using 3D printing. Design/methodology/approach A customized mallet finger splint designed from 3D scans was subjected to ANSYS topological simulation comprising multi-level weight reduction to retain optimal mass (100%, 90%, 80%, 70% and 60%). A batch of the four typical 3D printing materials was chosen to conduct a comparative mechanical and thermal stress analysis, facilitating the selection of the optimal one for fabricating functionally adaptive splints. Assurance of structural safety was accomplished through the experimental validation of simulation results against the testing data set of ASTM D695 and ASTM D638 Type-1 specimens over a universal testing machine (UTM). Fused deposition modeling (FDM) 3D printing processed the optimized splint fabrication to assist evaluation of weight reduction percentage, fitting aesthetics, appearance, comfort, practicality and ventilation ease at the user end. Findings AM efficacy can efficiently execute the design complexity involved in the topology optimization (TO) results and introduces rehabilitation practicality into the application. Topologically optimized splint provided with favorable comfort, stiffness and strengthening features, offers ventilation ease and structural stability for customized appliances, with 30.52% lighter weight and 121.37% faster heat dissipation than unoptimized one. Originality/value The state of art multidisciplinary optimization featured with structural and material optimization attributes can deliberately meet medical necessity for performance-oriented orthotic devices.
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