作者：Rainer Salzberger, EOS数字化制造顾问
EOS和Blackbox Solutions共同研发了定制化的智能膝关节矫正器，成功将3D打印技术与嵌入式传感器以及连接器技术相结合。通过这一创新的概念验证，医疗行业在改善患者康复过程和帮助医生实时分析数据方面迈出了新的步伐。
作为当前的热门话题，物联网（IoT）、消费电子类产品、基础设施建设和机器零部件的互联互通已被多次谈论。作为金属和高分子材料工业3D打印的全球技术领导者，EOS坚信增材制造（AM）的智能运用将帮助物联网充分发挥其潜力，并且可以更便捷、更经济地集成智能和连接组件。事实上，传感器技术、连接器技术和增材制造的结合，还可以将数字化带到目前鲜有谈及的应用领域和商业案例中。
集成了传感器、数据处理功能和射频连接器的膝关节矫正器 （资料来源：EOS） 针对常见挑战的独特解决方案
这个概念可以通过最常见的膝关节损伤之一——韧带撕裂来验证。韧带撕裂等伤害通常需要较长的恢复期，并伴随有长期康复甚至长期残疾的风险。这往往是由于膝盖遭受不当运动和过重的物理负荷所导致。因此，在不严格限制患者动作的情况下将这些不当行为反馈给患者可能会是一种解决之道。
为此，EOS 增材思维部门的专家团队与Blackbox的传感器技术专家共同开发了膝关节矫正器。这款具有膝关节监测功能的矫正器原型揭示了增材制造、传感器和连接器的巨大组合潜力。通过对不当运动的即时反馈，显著缩短患者的康复时间。这种方法可以为不同的行业带来启发，并在众多其他场合进行应用。
开发搭载膝关节监视功能的增材制造智能矫正器
当机械设计元素与嵌入式电子设备（如微控制器，传感器和射频（RF）连接器）整合到一起时，我们就可以将之称为智能零部件。智能零部件可实现定制化产品设计，通过高度准确的安全数据洞察功能，实时满足多个用户群需求。
收集智能零部件传感器数据的嵌入式电子设备 （资料来源：EOS） 增材制造智能零部件具有众多附加优势：
• 精确设计自由最大化
• 完全定制化
• 功能集成的传感器，经济高效地快速生产定制化零部件
• 特定终端用户物理设备的功能优化
• 快速市场交付加快小批量生产速度
• 生产灵活
在这个概念验证原型示例中，EOS 增材思维团队联合Blackbox Solutions设计的3D打印膝关节矫正器是高度定制化的，集成了传感器、数据处理功能和射频连接器。该概念验证展示了同一个产品用户生态系统中的不同利益相关者如何从智能零部件传感器数据中获得宝贵的实时信息，以及这些数据如何被转化为利益相关者的特定利益。
最初的需求是通过与产品所有直接或间接涉及的用户访谈中得出，即直接询问真正的患者、医生和终端设备制造商，哪些数据或信息将有助于改善患者的体验，以及帮助医生提供实时护理的能力。
可根据用户具体需求传递传感器数据的应用程序 （资料来源：EOS） 结果：全面定制化、全面反馈、全面监护、全面康复
最终开发的原型采用了嵌入式技术解决方案，该解决方案允许通过打印定制的外壳替换和直接设计整体打印结构来改造传统矫正器。在所有用户案例中，紧凑的形式使得产品需要的物理空间很少，因此能够实现符合人体工程学和轻量化的终端解决方案。而所选择的测量角度和力度的传感器技术将高精度与非接触式方法相结合，也大大简化了集成过程。WIFI和蓝牙低功耗通信能够实现实时监控，并且可以通过将矫正器直接连接到WLAN或使用诸如智能手机的移动设备作为用户接口和控制器来进行控制。
数据分析可以在远程安全服务器、本地移动设备应用或直接在利用集成嵌入式计算处理器的矫正器设备上进行。重要的是，敏感数据可以在本地安全地进行处理，以实现用户对保障隐私和数据安全的需求。所收集到的信息可以基于不同用户群的需求，通过定制的接口来访问、分析和保护。
基于Blackbox Solutions提供的应用示例、嵌入式电子设备和用户界面原型，EOS进一步研究了改装传感器外壳的定制设计要求，并继续为已使用了纯3D打印智能零部件生产工艺的现有矫正器产品开发其它功能。
电池供电的传感器技术和连接软件应用程序将支持患者和医生实时监控愈合过程，并指导个体患者的康复需求。从智能零部件持续收集到的数据将有助于设备制造商获得实时用户信息和更好的产品性能数据，从而改进未来的设计和功能。同时，健康保险公司和有关卫生部门也可使用这些数据，为现症患者创建更优质的健康问题数据报告。
结论
此智能零部件的原型案例研究展示了增材制造的多项优势，即精确设计的自由度、经济且快速地生产小规模定制化零部件，传感器功能集成化，还可同时为特定用户优化物理设备的功能。此示例的结果也可以运用到其他应用场合和行业。智能零部件的使用将有助于优化和改进现有产品或新产品，从而创造新的商机，提升客户体验。
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