[发明专利]一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法

权利要求书

1.一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、踝关节行走步态研究

1.1）分析踝关节生理结构，建立踝关节简化模型，将人体的足部分为三个主要部分，分别为胫骨、踝关节和足弓；

1.2）了解踝关节行走步态周期特点，绘制出健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线；

步骤2、基于所述对踝关节生理结构的分析，建立踝足矫形器的初始三维模型，初始三维模型包括脚底板、支柱、袖口、测试棒和嵌入块五部分，初始三维模型的数据均来源于患者自身数据；

步骤3、对所述踝足矫形器的初始三维模型进行动力学分析，分析分为受力分析和刚度分析两部分；

步骤4、对所述踝足矫形器的初始三维模型的支柱部分进行拓扑优化，过程如下：

4.1）在网格处理软件中切分踝足矫形器初始三维模型的脚底板、支柱和袖口，然后对每一部分分别生成体网格,体网格的尺寸大小为2mm；

4.2）创建材料和属性，并分配给初始三维模型的各个部分；3D打印选取的材料为尼龙，需要设置的材料参数分别为弹性模量、泊松比和密度，大小分别为1800Mpa、0.3和1200kg/m3；

4.3）选择脚底板为约束面，施加约束；

4.4)选择测试棒端面的最高点为施力点，施加集中力，大小为100N；

4.5)定义初始三维模型支柱部分为拓扑优化设计变量；

4.6）创建位移响应约束，大小为83mm；

4.7)优化分析计算，查看结构变形与密度结果云图；

步骤5、对拓扑优化后的初始三维模型进行几何重构；

步骤6、在Ansys workbench软件中对几何重构后的踝足矫形器模型进行瞬态动力学分析,过程如下：

6.1)添加资料库，选用的材料为尼龙材料，设置的材料参数与步骤4中设置的材料参数一致；

6.2)划分网格，网格大小为1mm；

6.3）施加约束和集中力，选择脚底板为约束面，选择测试棒端面的最高点为施力点，设置时间步；

6.4）结果后处理，查看位移曲线；

6.5)根据得到的位移曲线评价拓扑优化是否满足设计要求，即最大位移是否为83mm,如果满足设计要求，则进入步骤7；如果不满足，则返回步骤4重新进行拓扑优化，直到最终的矫形器满足设计要求；

步骤7、利用打印仪对尼龙粉末进行粉末烧结，得到最终的3D打印踝足矫形器实体装置。

2.根据权利要求1所述一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，所述步骤（1），所述健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线为简化曲线，曲线的斜率即为踝关节的刚度，大小为3.3。

3.根据权利要求1所述一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，所述步骤（2），在三维画图软件中设计踝足矫形器的初始三维模型，模型包括脚底板、支柱、袖口、测试棒和嵌入块五部分；其中脚底板、支柱和袖口的尺寸与患者小腿和足部的尺寸相符，分别为脚底板宽度80mm，支柱长度380mm,袖口半径60mm；测试棒的形状为圆柱形，截面半径为1.5mm，长度为400mm；矫形器的厚度为2.5mm。

4.根据权利要求1所述一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于：引入所述测试棒和所述嵌入块是为了复制小腿几何；当把负载施加到所述测试棒的末端时，嵌入块将会把压力分布到踝足矫形器所述袖口的前表面。

5.一种如权利要求1所述基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于：所述的步骤（6）为瞬态动力学分析，在测试棒上添加随时间变化的力，得到位移、应力与应变曲线。