3D打印多材料柔性接受腔

作者：汤磊 李涤尘

意大利贝加莫大学的一个研究小组研究了假肢接受腔与残肢之间的界面接触压力，并建立了一种利用有限元方法模拟穿戴假肢接受腔的方法，在此基础上，他们提出了一种基于增材制造的接受腔的设计方法。接受腔由承载区和卸载区组成，通过调整接受腔局部区域的填充率、微结构及其方向来获得该区域期望的机械性能。

每个区域的期望弹性模量与其接触压力有关，负载区域需要承受行走时产生的动态载荷，则材料需要有较高的机械强度，而卸载区则只需要贴合残肢而不传递任何显著地力或位移以保证舒适度，则可以适当的降低材料的填充率以降低接受腔界面对残肢的压迫。通过对不同填充构型的杨氏模量以及泊松比的研究，研究者能够为接受腔的每一个部位选取最合适的结构和填充率。接受腔可以设计为单一的材料及结构，也可以设计为不同的填充结构，并且对每一种填充结构的具体参数依据其所需的机械性能进行相应的优化，改变其内部结构的填充率，如图1所示，为每一个区域选取最佳的填充率。由于不同的填充结构对于其之间的结合界面强度有较大程度的影响，因此研究者将具有不同填充结构的接受腔部分分开打印，最后在组装在一起，能够提高接受腔使用的安全性。

图1 3D打印接受腔

另一种方法是赋予接受腔柔性，不仅改变其内部填充结构与填充率，而且在不同区域根据需要使用不同组成的材料。依据患者的残肢形态以及其受到的日常运动载荷，分析其残肢压力的耐受区与敏感区，由此在接受腔设计中定义好相应的刚性承载区与柔性释放区。柔性材料直接内嵌在刚性接受腔的空隙中，两者紧密结合，利用多挤出头的熔融沉积设备（FDM）能够同时一体成型多材料的柔性接受腔，如图1，多材料的3D打印接受腔由硬质材料制成的外壳和柔性材料制成的内衬组成，柔性区域材料为热塑性聚氨酯，填充密度为100％，硬结构区为填充密度10％的PLA。柔性区域不承受高载荷，只需要保证接受腔的结构稳定性和舒适性，另一方面，承载区必须要能够完全承担体重并传递运动过程中产生的动态载荷而不发生大的变形，同时要保证完全残肢与接受腔之间无痛的接触。

参考文献：
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：汤磊 李涤尘
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室