计算建模提供自动化工作流程和促进骨整合的设计
设计师从核心设计开始，通常在 CAD 中创建。在医疗设备设计中，这个基础模型通常被分成多个主体，以隔离需要保持坚固的区域和可能需要填充结构晶格或多孔结构的区域。图 1 的左侧是基础 CAD 模型，图 1 的右侧是晶格设计区域的选择。增材制造近年来变得越来越复杂，能够生产具有复杂晶格结构的骨科植入物，进一步实现骨整合。但直到最近，设计此类创新医疗产品所需的软件还落后于用于制造它们的硬件。
旧软件, 新的设计需求
传统的 CAD 软件本质上是为了将手工绘图数字化而设计的，但是当减材制造和 CNC 是主要的加工方法时，绘图和经典 CAD 最为相关。现在，增材制造 (AM) 已进入终端部件生产，直接制造更多种类的高度复杂的几何形状已成为可能。然而，使用那些基于绘图的旧方法时，很难定义此类几何形状。
说“从 A 点到 B 点的距离为 10 毫米”很容易，但如何定义复杂的几何形状，在为骨植入物设计小梁晶格时，您在这两点之间创建的有机外观表面？仅仅注意到那里有 40,000 个不同的半径标注是不可行的。您需要一种新的方式来表示复杂的几何形状及其背后的所有驱动参数。
一些软件制造商已经付出了很大的努力尝试通过设计传统 CAD 中本质上的变通方法来表示此类复杂结构。结果可能是密集的、人口众多的、非常非常大的文件。这使得在设计中管理所有这些边缘和曲线变得非常困难。运行时间可能很长；不要试图修改或更改任何几何图形，并期望快速过渡，让您深入设计探索。
使用基于 CAD 的软件可能会遇到另一个挑战，这些软件可能已用于验证几年前与美国食品和药物管理局合作的设备——也许创建它的公司不再支持该版本的软件。要基于这些对产品进行新的设计更改，通常需要进行额外的测试和昂贵的差距分析，以证明您的“新”软件仍然与之前经过验证的版本相关并产生相同的最终结果。
这展示了设计师接下来如何使用 nTop 平台创建一个工作流生成随机的小梁结构，可以通过孔径、支柱厚度和其他此类参数来定义。AM 的计算建模
最近的进展现在为其中的许多挑战提供了解决方案。隐式算法和现场驱动的设计能力可以比传统流程更快地管理大量数据和复杂的几何形状，并且近乎实时。
自动化工作流可快速更新设计以加速创新并满足竞争要求. 材料参数、应力分析和性能很容易通过辅助模拟功能进行评估。输出和工作流被自动捕获以供内部团队共享和重用。这项新技术基于数学的精确可重复性不仅对产品开发有价值opment，它很容易记录在案以供监管提交；生成的数据将随着时间的推移保持一致，即使软件功能不断发展也是如此。
这种方法的好处远远超出了设计阶段。生成的几何图形可以“预切片”直接交付给 3D 打印机。它消除了对中间的、通常是劳动密集型 STL 文件管理阶段的需要。这种切片数据是驱动逐层 AM 工艺的数字基础，该工艺融合了金属粉末并构建了成品。
熟悉的材料，新的设计
无论如何尽管正在使用设计软件，但骨友好型植入物仍仅限于高度监管的医疗行业中的一些经过验证的材料。从历史上看，这些都是非反应性材料，如钛、PEEK 和不锈钢，这些材料在过去都已成功加工。业界了解它们的特性，FDA 已经批准它们供人类使用，因此对由它们制成的产品的限制较少。
这说明一旦将工作流应用到种植体模型的适当区域并且设计者对结果感到满意，不同的配置或零件编号然后，基本模型可以毫不费力地应用完全相同的工作流程。随着增材制造开始作为医疗行业的新解决方案出现，增材制造设备制造商明智地选择了这些核心材料以避免风险。先进的计算建模可以帮助实现这些熟悉的材料的全部潜力，以便为 3D 打印“构建”。
控制任何规模
这种架构材料设计功能可以轻松获得- 使用“工具包”，为医疗设计工程师提供对 AM 几何形状的全面控制在微观和宏观尺度上。现在可以轻松生成具有数百个或数亿个“单元格”的功能模型。单元格可以控制支柱厚度或孔径等参数，并进一步定制或分级以获得最佳骨整合。
然后可以锁定这些单元格，然后在可重复的工作流程中应用于任何表面或体积跨越整条设备线。表面属性可以通过将特定或动态纹理快速应用于整个表面来实现，无论其复杂性如何。体积填充晶格可以从一种几何形状无缝地转移到另一种几何形状，从而形成可以加强薄弱区域或最大限度减少故障点的结构。将复杂的晶格形状平滑过渡到外部实体特征，使工程师能够模拟骨骼结构（如小梁元素）的生物模拟以及它们之间的无缝有机过渡。
这种设计组合n 自由和控制可以非常强大，允许对真正的正交各向异性特性进行复杂的操作。工程师可以使用仿真来研究骨向内生长因素如何随着时间的推移影响植入物的宏观刚度，并了解如何创建独特的晶格元素来延长生物学优化的长期效益。增材制造机器现在能够分辨远小于 0.200 毫米的支柱尺寸和小至 0.080 毫米的特征，制造这种复杂结构的可能性越来越大。
设计探索的自由
通过参与借助本文中描述的强大的计算建模工具，设计工程师可以探索现在可以使用当今先进的 3D 打印机制造的新几何形状和表面。这种方法的最终目标是更快速地定制设计，从而提高医生改善患者治疗效果、舒适度和安全性的能力。
Christopher Cho是高级应用工程师n拓扑结构
