3Dプリントマルチマテリアルフレキシブルソケット

3Dプリントマルチマテリアルフレキシブルソケット
著者: 唐磊、李迪塵

イタリアのベルガモ大学の研究チームは、義足ソケットと残存肢の界面接触圧を研究し、有限要素法を用いて義足ソケットの装着をシミュレートする方法を確立しました。これに基づいて、積層造形に基づくソケットの設計方法を提案しました。受容キャビティは、荷重支持領域と除荷領域で構成され、受容キャビティの局所領域の充填速度、微細構造、方向を調整することで、その領域の所望の機械的特性が得られます。

各領域の予想弾性率は、その接触圧力と関連しています。荷重領域は、歩行中に発生する動的荷重に耐える必要があるため、材料はより高い機械的強度を備えている必要があります。除荷領域は、快適性を確保するために、大きな力や変位を伝達することなく、残存肢にフィットするだけで済みます。材料の充填率を適切に下げることで、残存肢に対する受容空洞界面の圧力を軽減できます。さまざまな充填構成のヤング率とポアソン比を研究することで、研究者はソケットの各部分に最も適切な構造と充填率を選択できます。受容キャビティは、単一の材料と構造で設計することも、異なる充填構造で設計することもできます。各充填構造の特定のパラメータは、必要な機械的特性に基づいてそれに応じて最適化され、その内部構造の充填率が変更されます。図1に示すように、各領域に最適な充填率が選択されます。異なる充填構造はそれらの間の接合界面の強度に大きな影響を与えるため、研究者は異なる充填構造を持つ受容空洞部品を別々に印刷し、最終的にそれらを組み立てることで、受容空洞の使用の安全性を向上させることができました。


図 1 受容キャビティを 3D プリントする別の方法は、受容キャビティに柔軟性を持たせ、内部の充填構造と充填速度を変更するだけでなく、必要に応じて異なる領域に異なる組成の材料を使用することです。患者の残存肢の形態と日常の動作負荷に応じて、残存肢圧力の許容領域と感受性領域を分析し、対応する剛性負荷支持領域と柔軟な解放領域をソケット設計で定義します。フレキシブル材料は剛性受容キャビティの隙間に直接埋め込まれ、両者は緊密に結合されます。複数の押し出しヘッドを備えた熱溶解積層法(FDM)デバイスは、図1に示すように、複数の材料のフレキシブル受容キャビティを1つのピースに同時に形成できます。マルチマテリアル3Dプリント受容キャビティは、硬質材料で作られた外殻とフレキシブル材料で作られた内張りで構成されています。フレキシブル領域の材料は充填密度100%の熱可塑性ポリウレタンであり、ハード構造領域は充填密度10%のPLAです。フレキシブルエリアは大きな負荷に耐える必要はなく、ソケットの構造的安定性と快適性を確保するだけで十分です。一方、荷重支持エリアは、完全な残存肢とソケットの間の痛みのない接触を確保しながら、体重を完全に支え、動作中に発生する動的負荷を大きな変形なしに伝達できなければなりません。

参考文献:
Cootti C、Regazzoni D、Rizzi C、他「機能設計を推進する付加製造:医療分野への応用[J]」。Journal of Computing & Information Science in Engineering、2017 年。

寄稿者: Tang Lei、Li Dichen 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

ファジィ

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