利用西門(mén)子NX將非骨水泥全膝關(guān)節(jié)置換術(shù) (TKA)建模和準(zhǔn)備時(shí)間減少50%
魔猴君 行業(yè)資訊 911天前
對(duì)于骨科植入物制造商來(lái)說(shuō),找到一種更快、更簡(jiǎn)單的方法來(lái)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(guò)程的構(gòu)建策略和確保3D打印過(guò)程的可靠性是成功的關(guān)鍵。今天與大家一起來(lái)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(mén)子NX AM 來(lái)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?xún)?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(shū)
更好的植入物帶來(lái)更好的生命質(zhì)量
意大利外科醫(yī)生在植入物制造商Lima是一家全球骨科公司,專(zhuān)注于數(shù)字創(chuàng)新和定制骨科植入物,以推進(jìn)以患者為中心的護(hù)理。其產(chǎn)品范圍包括關(guān)節(jié)植入物、四肢固定解決方案以及專(zhuān)門(mén)的患者專(zhuān)用假肢。Lima最近的發(fā)展是從與西門(mén)子合作改進(jìn)了3D打印的設(shè)計(jì)與制造流程中,從而將 AM-增材制造建模和工作準(zhǔn)備時(shí)間減少了 50%。Lima使用 3D 打印“無(wú)水泥”植入物由來(lái)已久,根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察這一切始于2005 年,那時(shí)候幾乎沒(méi)有任何公司考慮使用 3D 打印進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn),Lima這家總部位于意大利的全球骨科開(kāi)發(fā)商也剛剛開(kāi)始使用3D打印技術(shù)進(jìn)行快速原型制作,當(dāng)時(shí)甚至無(wú)法使用植入物所需的鈦合金材料進(jìn)行3D打印,并且當(dāng)時(shí)的廢品率很高,大約一半的報(bào)廢率。盡管如此,Lima仍決心追求將3D打印-增材制造技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化。
時(shí)至今日,從初次購(gòu)買(mǎi)EBM 3D打印設(shè)備進(jìn)行髖臼杯植入物產(chǎn)品原型的開(kāi)發(fā),到2007年推出首個(gè)成熟的3D打印髖臼杯植入物Lima Delta TT Cup,再到如今使用TT技術(shù)制造從髖部到四肢等多種類(lèi)型的骨科產(chǎn)品組合,以及面向患者提供特定需求的定制化植入物解決方案,Lima十年如一日的堅(jiān)持,不僅幫助醫(yī)生解決了眾多臨床上的難題,對(duì)于推動(dòng)3D打印技術(shù)在骨科植入物制造領(lǐng)域的應(yīng)用也做出了貢獻(xiàn)。骨科植入物發(fā)展的一大趨勢(shì)是在關(guān)節(jié)置換中使用點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)。這些輕量化的金屬結(jié)構(gòu)改善了骨整合——植入物表面和活骨之間的連接。在行業(yè)開(kāi)始開(kāi)發(fā)基于點(diǎn)陣晶格的金屬之前 – 甚至在今天 – 關(guān)節(jié)成形術(shù)的黃金標(biāo)準(zhǔn)是用水泥固定關(guān)節(jié)。在這種情況下,骨向內(nèi)生長(zhǎng)是通過(guò)等離子噴涂涂層的擴(kuò)散結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種方法導(dǎo)致低摩擦、低孔隙率以及有限的骨整合。而使用帶點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)的3D打印金屬植入物,這種非骨水泥關(guān)節(jié)成形術(shù),帶來(lái)的直觀益處是骨骼向內(nèi)生長(zhǎng)會(huì)隨著時(shí)間的推移而加強(qiáng)。
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并不是唯一一家看到點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)用于植入物所帶來(lái)的價(jià)值的公司。其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手甚至收購(gòu)了一家開(kāi)發(fā)鉭基多孔金屬的公司。該技術(shù)需要將鉭沉積在聚合物材料上,然后使用擴(kuò)散鍵合技術(shù)與固體材料結(jié)合。Lima的設(shè)想是通過(guò) 3D 打印一步將多孔鈦和固體鈦結(jié)合起來(lái),而無(wú)需涂層。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),Lima于 2007 年發(fā)明了 Trabecular Titanium? (TT)。3D科學(xué)谷在《十年磨一劍,意大利骨科醫(yī)療器械企業(yè)Lima 堅(jiān)持打造3D打印植入物產(chǎn)品》一文中提到Trabecular Titanium 技術(shù)是一種使用金屬3D打印設(shè)備制造鈦金屬骨科植入物的技術(shù),3D打印的植入物表面具有多孔結(jié)構(gòu),與等離子噴涂等工藝制造的表面涂層的不同之處在于,該結(jié)構(gòu)是由3D打印設(shè)備直接制造出來(lái)的仿生結(jié)構(gòu),孔的幾何結(jié)構(gòu)可以得到精確的控制,例如通過(guò)Trabecular Titanium 技術(shù)制造的髖臼杯植入物的孔隙率為65%,平均孔徑為640μm。金屬3D打印技術(shù)所創(chuàng)建的多孔植入物結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)骨長(zhǎng)入,從而帶來(lái)更加良好的康復(fù)效果。
Lima用 Trabecular Titanium 技術(shù)制造了髖臼杯,當(dāng)時(shí),3D打印零件沒(méi)有國(guó)際準(zhǔn),而說(shuō)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(lái)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(méi)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(guò)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(lái)保證植入物的安全性。
自 2007 年推出Trabecular Titanium 技術(shù)制造的髖臼杯以來(lái),Lima已經(jīng)生產(chǎn)了超過(guò) 100,000 個(gè)具有出色臨床效果的髖臼杯。2015 年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),手術(shù)后至少五年,患者的平均 Harris 髖關(guān)節(jié)評(píng)分從 44.2 提高到 95.9,滿分為 100 分。最近,該髖臼杯獲得了骨科數(shù)據(jù)評(píng)估小組 (ODEP) 10A 評(píng)級(jí),這是 10 年隨訪中存活率的最高評(píng)級(jí)。髖臼杯的成功讓 Lima確信可以使用Trabecular Titanium 技術(shù)來(lái)3D 打印其他植入物。不過(guò)隨著市場(chǎng)上越來(lái)越多的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手競(jìng)相利用非水泥關(guān)節(jié)置換術(shù),Lima需要提高其增材制造工作流程的速度和效率。
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(guò)精密加工生產(chǎn)的實(shí)心金屬。
為了更好地了解步行運(yùn)動(dòng)如何將力傳遞到脛骨板,Lima與位于紐約的特殊外科醫(yī)院 (HSS) 的生物力學(xué)系合作,該團(tuán)隊(duì)研究了使用膝關(guān)節(jié)植入物行走的患者,以確定脛骨板和骨骼之間三個(gè)接觸點(diǎn)的最佳位置和形狀。
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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)了“數(shù)字不連續(xù)性”。
Lima需要一種新方法來(lái)設(shè)計(jì)其脛骨板,需要一種集成的、關(guān)聯(lián)的數(shù)字線程來(lái)貫穿設(shè)計(jì)與制造過(guò)程。在這方面,西門(mén)子NX 和 Teamcenter 是 Xcelerator 產(chǎn)品組合的一部分,Xcelerator 產(chǎn)品組合是西門(mén)子數(shù)字工業(yè)軟件提供的全面、集成的軟件和服務(wù)組合。
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(mén)子NX AM beta 測(cè)試的合作伙伴,通過(guò)NX AM減少了對(duì) STL 文件的依賴(lài),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(wú)縫集成。
© 西門(mén)子
使用 NX AM 為脛骨板的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了立竿見(jiàn)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)。考慮到專(zhuān)有晶格結(jié)構(gòu)的所有特性,定制設(shè)計(jì)晶胞,通過(guò)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(guò)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。
© 西門(mén)子
現(xiàn)在,Lima不僅在開(kāi)發(fā)一種脛骨板,還在生產(chǎn) 10 種現(xiàn)成的尺寸。這對(duì)3D打印走向量產(chǎn)頗具意義。Lima目前有一系列針對(duì)全球市場(chǎng)優(yōu)化的尺寸,從小到大的患者和有不同需求的人,每種尺寸都需要調(diào)整脛骨板的特征。通過(guò)NX AM將3D打印-增材制造建模和工作準(zhǔn)備時(shí)間減少了 50%。通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化,Lima可以通過(guò)更少的實(shí)驗(yàn)就可以實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)計(jì),通過(guò)西門(mén)子軟件生態(tài)系統(tǒng)減少了錯(cuò)誤并提高了可靠性。3D打印還幫助制造商離患者更近一步,Lima目前在HSS醫(yī)院安裝了一個(gè)增材生產(chǎn)設(shè)施,在那里有 Lima的生產(chǎn)工程師,使用西門(mén)子軟件幫助外科醫(yī)生開(kāi)發(fā)針對(duì)患者的植入物。
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