3D打印多材料柔性接受腔

作者：湯磊 李滌塵

意大利貝加莫大學(xué)的一個(gè)研究小組研究了假肢接受腔與殘肢之間的界面接觸壓力，并建立了一種利用有限元方法模擬穿戴假肢接受腔的方法，在此基礎(chǔ)上，他們提出了一種基于增材制造的接受腔的設(shè)計(jì)方法。接受腔由承載區(qū)和卸載區(qū)組成，通過(guò)調(diào)整接受腔局部區(qū)域的填充率、微結(jié)構(gòu)及其方向來(lái)獲得該區(qū)域期望的機(jī)械性能。

每個(gè)區(qū)域的期望彈性模量與其接觸壓力有關(guān)，負(fù)載區(qū)域需要承受行走時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷，則材料需要有較高的機(jī)械強(qiáng)度，而卸載區(qū)則只需要貼合殘肢而不傳遞任何顯著地力或位移以保證舒適度，則可以適當(dāng)?shù)慕档筒牧系奶畛渎室越档徒邮芮唤缑鎸?duì)殘肢的壓迫。通過(guò)對(duì)不同填充構(gòu)型的楊氏模量以及泊松比的研究，研究者能夠?yàn)榻邮芮坏拿恳粋€(gè)部位選取最合適的結(jié)構(gòu)和填充率。接受腔可以設(shè)計(jì)為單一的材料及結(jié)構(gòu)，也可以設(shè)計(jì)為不同的填充結(jié)構(gòu)，并且對(duì)每一種填充結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)依據(jù)其所需的機(jī)械性能進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的填充率，如圖1所示，為每一個(gè)區(qū)域選取最佳的填充率。由于不同的填充結(jié)構(gòu)對(duì)于其之間的結(jié)合界面強(qiáng)度有較大程度的影響，因此研究者將具有不同填充結(jié)構(gòu)的接受腔部分分開(kāi)打印，最后在組裝在一起，能夠提高接受腔使用的安全性。

圖1 3D打印接受腔

另一種方法是賦予接受腔柔性，不僅改變其內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)與填充率，而且在不同區(qū)域根據(jù)需要使用不同組成的材料。依據(jù)患者的殘肢形態(tài)以及其受到的日常運(yùn)動(dòng)載荷，分析其殘肢壓力的耐受區(qū)與敏感區(qū)，由此在接受腔設(shè)計(jì)中定義好相應(yīng)的剛性承載區(qū)與柔性釋放區(qū)。柔性材料直接內(nèi)嵌在剛性接受腔的空隙中，兩者緊密結(jié)合，利用多擠出頭的熔融沉積設(shè)備（FDM）能夠同時(shí)一體成型多材料的柔性接受腔，如圖1，多材料的3D打印接受腔由硬質(zhì)材料制成的外殼和柔性材料制成的內(nèi)襯組成，柔性區(qū)域材料為熱塑性聚氨酯，填充密度為100％，硬結(jié)構(gòu)區(qū)為填充密度10％的PLA。柔性區(qū)域不承受高載荷，只需要保證接受腔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和舒適性，另一方面，承載區(qū)必須要能夠完全承擔(dān)體重并傳遞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷而不發(fā)生大的變形，同時(shí)要保證完全殘肢與接受腔之間無(wú)痛的接觸。

參考文獻(xiàn)：
Comotti C, Regazzoni D, Rizzi C, et al. Additive Manufacturing to Advance Functional Design: an Application in the Medical Field[J]. Journal of Computing & Information Science in Engineering, 2017.

供稿人：湯磊 李滌塵
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室