17、模块化产品架构在假肢与矫形器设计制造中的应用

模块化产品架构在假肢与矫形器设计制造中的应用

1. 拓扑优化

拓扑优化（TO）是利用数学模型来设计多孔结构内微观结构的优化配置，旨在实现所需的最佳性能。通过算法与计算模型的结合，设计师能够识别拓扑优化系统和局部微观结构的兼容性。其潜在的目标函数之一是最大化特定刚度，即刚度与质量之比。

这种方法将拓扑优化的设计元素与增材制造（AM）的特点相结合，尤其是注重在增材制造过程中优化支撑材料的布置。这样做可以减少格子结构中支柱及其连接处的应力集中，无论是在 3D 打印过程中还是在去除支撑材料后。最终结果是减少了材料使用量，并缩短了假肢与矫形器（P&O）的制造时间。

拓扑优化的操作步骤如下：
1. 定义目标函数，如最大化特定刚度。
2. 建立数学模型，结合算法和计算模型。
3. 设计微观结构的配置，考虑 AM 过程中支撑材料的布置。
4. 通过模拟和分析，评估应力集中情况并进行优化。

具体的拓扑优化流程可以用以下 mermaid 流程图表示：

graph LR
    A[定义目标函数] --> B[建立数学模型]
    B --> C[设计微观结构配置]
    C --> D[模拟分析]
    D --> E{是否满足要求}
    E -- 是 --> F[确定优化方案]
    E -- 否 --> C

2. 3D 打印假肢与矫形器的模块化设计

由于截肢者面临皮肤问题（如伤口和溃疡）的挑战，在 P&O 生产中采用多材料定制化方案显得尤为重