3D打印多材料柔性接受腔

作者：湯磊 李滌塵

意大利貝加莫大學的一個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，在此基礎上，他們提出了一種基于增材制造的接受腔的設計方法。接受腔由承載區(qū)和卸載區(qū)組成，通過調整接受腔局部區(qū)域的填充率、微結構及其方向來獲得該區(qū)域期望的機械性能。

每個區(qū)域的期望彈性模量與其接觸壓力有關，負載區(qū)域需要承受行走時產生的動態(tài)載荷，則材料需要有較高的機械強度，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，則可以適當的降低材料的填充率以降低接受腔界面對殘肢的壓迫。通過對不同填充構型的楊氏模量以及泊松比的研究，研究者能夠為接受腔的每一個部位選取最合適的結構和填充率。接受腔可以設計為單一的材料及結構，也可以設計為不同的填充結構，并且對每一種填充結構的具體參數依據其所需的機械性能進行相應的優(yōu)化，改變其內部結構的填充率，如圖1所示，為每一個區(qū)域選取最佳的填充率。由于不同的填充結構對于其之間的結合界面強度有較大程度的影響，因此研究者將具有不同填充結構的接受腔部分分開打印，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，不僅改變其內部填充結構與填充率，而且在不同區(qū)域根據需要使用不同組成的材料。依據患者的殘肢形態(tài)以及其受到的日常運動載荷，分析其殘肢壓力的耐受區(qū)與敏感區(qū)，由此在接受腔設計中定義好相應的剛性承載區(qū)與柔性釋放區(qū)。柔性材料直接內嵌在剛性接受腔的空隙中，兩者緊密結合，利用多擠出頭的熔融沉積設備（FDM）能夠同時一體成型多材料的柔性接受腔，如圖1，多材料的3D打印接受腔由硬質材料制成的外殼和柔性材料制成的內襯組成，柔性區(qū)域材料為熱塑性聚氨酯，填充密度為100％，硬結構區(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構穩(wěn)定性和舒適性，另一方面，承載區(qū)必須要能夠完全承擔體重并傳遞運動過程中產生的動態(tài)載荷而不發(fā)生大的變形，同時要保證完全殘肢與接受腔之間無痛的接觸。

參考文獻：
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：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室