[發明專利]一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法

有效

• 申請號: 202111104279.4
• 申請日: 2021-09-18
• 公開（公告）號: CN113742981B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 周子柯;劉晏榕;田懷文;劉建濤;葉若萱;李辰月;孫睿琰
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F113/10;G06F119/14;G06F119/18
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 王偉

本發明公開了一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法，包括如下步驟：第一步、使用軟件實現柔性外科手術用夾鉗形狀的設計；第二步、利用3D打印技術，將第一步得到的建模文件進行3D打印制造。本發明所提供的一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法可以根據醫生不同的手型和用力習慣自動化設計夾鉗，實現了用戶個性化的設計方式，并采用3D打印技術完成實物進行功能的檢測。本發明設計出的醫用柔性夾鉗由一個單獨的主體構成，極大的減小了夾鉗的磨損并延長了醫用夾鉗的使用壽命。本發明不僅節省了材料的使用也減輕了夾鉗的重量，使其在長時間的手術中能幫助醫生極大的減輕手部負擔。

技術領域

本發明屬于醫用設備制造技術領域，具體涉及一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法。

背景技術

傳統的醫用夾鉗生產大多采用不銹鋼為材料，利用了其耐空氣和水等弱腐蝕介質，耐熱，強度大等特點。材料特點決定了傳統夾鉗是剛性，也就是用鉚釘連接，并由杠桿原理產生有規律的運動。這樣的特性造成了醫生使用的不便利，且也對病人產生傷害。并且其傳統制作工藝復雜(鍛壓(使加熱好的剛材呈現理想形狀)，沖床(處理毛胚上多余的材料)，打磨，鉆孔，淬火回火，拋光，組裝)，人工投入大，且設計單一，難以實現每位醫生所需要的個性化定制。

3D打印技術是快速成型技術的一種，也叫作增材制造。它是以數字模型為基礎，用粉末狀可粘合材料，通過逐層打印的方式來制造物體的技術。這種制造技術不再需要各類復雜的機械加工和勞動力投入，只需要使用計算機來設計所需的三維模型，以立刻光體文件(STL)或者虛擬現實建模語言(VRML)導入打印機，選擇合適的材料，設置打印的溫度，濕度，速度和壓力等參數，便可通過3D打印機和最后的表面處理來生成所需的產品，極大的縮短了生產周期，精準至微米的誤差也大大增加了生產的精度。

目前傳統的醫用夾鉗制造成型時間較長，加工精度較低。

發明內容

本發明的目的是解決上述問題，提供一種能夠快速成型，精度高的柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法，包括如下步驟：

S1、使用軟件實現柔性外科手術用夾鉗形狀的設計；

S2、利用3D打印技術，將步驟S1得到的建模文件進行3D打印制造。

進一步地，所述步驟S1還包括以下步驟：

S11、定義材料的各項性質，然后編寫拓撲優化程序；

S12、采集柔性夾鉗的長寬高尺寸參數，確定柔性夾鉗的大小，并將柔性夾鉗的長寬高尺寸參數輸入代碼，輸入的參數作為設計域；

S13、將步驟S12中的設計域通過有限元分析，得到整個設計域的有限元分析結果；

S14、柔性夾鉗的結構為對稱結構，確定柔性夾鉗鉗口部分和對稱軸部分的單位格的位置和載荷的輸入輸出位置及大小，并輸入相關向量；

S15、設置懲罰函數取最優解，將材料密度介于0到1之間的位置重新判斷并定義為有材料或無材料；

S16、并利用OC(optimum criteria)算法對于設計域進行優化并畫圖；OC算法為：

S17、計算剛度矩陣：利用各向同性的六面體的剛度矩陣作為每個單元格的剛度矩陣，按照單元格的連接方式，將每個節點的剛度系數首位相加，得到適用于該定義域的全局剛度矩陣，將默認無材料部分的剛度系數定義為無限小，并輸入剛度矩陣；

S18、計算設計域的位移矩陣：利用力等于剛度系數乘以形變量的關系：F＝K*x，通過步驟S17所計算得到的力的矩陣和剛度矩陣，計算得到相應的唯一矩陣；