Lūzumu ārstēšanas 3D drukāto fiksatoru topoloģiskā optimizācija ar FreeFEM galīgo elementu programmatūru

Abstract

Kaulu lūzumu ārstēšanai izmantoto ģipšu modernie aizstājēji ir 3D drukāti plastmasas fiksatori. Lai samazinātu izmantotā materiāla daudzumu, drukāšanas laiku un nodrošinātu pieeju ādai higiēnas nolūkos, fiksatorā izvieto caurumus, pēc iespējas saglabājot mehānisko izturību. Darbā aprakstīts uz SIMP metodes bāzēts topoloģiskās optimizācijas modelis un algoritms, kas iteratīvi izveido optimālu materiāla sadalījumu pie noteikta aizpildījuma. Optimizācijas rezultāts ir atkarīgs no daudziem modeļa parametriem un robežnosacījumiem, kuru ietekme pētīta šajā darbā. Tiek iegūta parametru kombinācija, kas dažāda izmēra fiksatoriem veido materiāla sadalījumu, kas atbilst aprēķinu ilguma, caurumu izvietojuma un citiem kritērijiem.

A modern approach to treat bone fractures involves using 3D printed plastic casts. In order to reduce material costs, printing time and to allow access to the hand for hygienic purposes, part of the material is removed to form holes, while preserving as much mechanical strength as possible. This work describes a model for the topological optimization of these casts, which is based on the SIMP method. The algorithm iteratively reaches the optimal material distribution within a specified volume constraint. The result of this optimization depends on various model parameters and boundary conditions, and their effects are researched in this work. A combination of parameters is found, which results in a material distribution for various casts that meets calculation length, hole distribution and other criteria.