假肢是截肢者恢復行動能力所必須的康復輔具，假肢接受腔作為連接殘肢與假肢系統(tǒng)之間重要的生機界面，具有包容殘肢、支撐體重、傳遞運動載荷的重要作用。與傳統(tǒng)手工工藝制備的接受腔相比，MEX（Material Extrusion，材料擠出成形）3D打印接受腔具有加工周期短、成本低等優(yōu)勢，滿足個性化假肢接受腔快速低成本制造的需求，有益于擴大個性化假肢接受腔在低收入殘障群體中的普適應用。然而擠出打印工藝制備的接受腔在Z向的力學性無法滿足接受腔在服役狀態(tài)下的強度需求，也因此限制了3D打印個性化假肢接受腔的應用。

        西安交通大學的王玲教授團隊在《機械工程學報》2022年第7期發(fā)表了《3D打印連續(xù)纖維復合假肢接受腔Z向強化制造策略》一文，本研究旨在根據(jù)假肢接受腔服役狀態(tài)下的應力分布特性和結構特性，通過工藝試驗建立假肢接受腔強度需求和復合材料鋪層參數(shù)的關系，設計了一種基于MEX-3D打印工藝的接受腔Z向強化制造策略，并利用該制造策略實現(xiàn)接受腔的高性能快速成形。

 1 引用本文

     劉騰達, 湯磊, 孫暢寧, 單存清, 李滌塵, 田小永, 劉朝宗, 王玲. 3D打印連續(xù)纖維復合假肢接受腔Z向強化制造策略[J]. 機械工程學報, 2022, 58(7): 267-275.

LIU Tengda, TANG Lei, SUN Changning, SHAN Cunqing, LI Dichen, TIAN Xiaoyong, LIU Chaozong, WANG Ling. Z-direction Enhancing Manufacturing Strategy for 3D Printing Prosthetic Socket of Continuous Fiber Composite[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(7): 267-275.

 2 重要結論

     本文針對MEX假肢接受腔Z向力學性能不足的問題，對MEX假肢接受腔制備工藝進行了優(yōu)化。根據(jù)接受腔打印需求，研發(fā)了基于機械臂的多自由度復合材料3D打印平臺；系統(tǒng)研究了連續(xù)纖維鋪放設計和打印層厚對復合材料彎曲強度與拉伸強度的影響，為接受腔的結構設計提供實驗數(shù)據(jù)基礎；基于數(shù)值模擬分析獲得的假肢接受腔服役狀態(tài)下的應力分布和強度需求對接受腔局部薄弱區(qū)域進行力學性能增強設計，建立了接受腔腔體分區(qū)強度需求與所需材料厚度和鋪放角度的對應關系，提出了在假肢接受腔Z向鋪設纖維的變厚度接受腔Z向強化打印策略。所制備的Z向增強的大腿假肢接受腔力學性能獲得了顯著提升，經(jīng)過專業(yè)動態(tài)疲勞測試驗證可滿足穿戴3年以上的壽命需求。

 3 前景與應用

在常規(guī)MEX-3D工藝中，接受腔的打印以平面“層層疊加”的方式實現(xiàn)，接受腔容易發(fā)生層間分層斷裂失效，無法滿足其長期服役性能需求。而本文提出的多自由度3D打印制造策略通過沿著接受腔Z向鋪放連續(xù)纖維復合材料來增強該向的力學強度，進而實現(xiàn)接受腔的高性能快速打印制造，提高接受腔的強度和服役壽命。此外，高性能連續(xù)纖維復合材料的引入也有利于降低接受腔的壁厚與重量，有利于提高穿戴者對假肢的控制和假肢穿戴的整體舒適度。因此，本文提出的連續(xù)纖維復合材料3D打印大腿假肢接受腔的策略，解決了擠出式3D打印接受腔力學性能不足的難題，實現(xiàn)了個性化假肢接受腔的高性能快速制造，為個性化低成本假肢接受腔在低收入人群中普及提供了制造基礎。

 4 主創(chuàng)簡介

王玲

西安交通大學

王玲，西安交通大學教授，博士生導師，英國利茲大學博士、博士后。先后獨立承擔和參與多個自然科學基金項目、國家科技支撐計劃、科技部重點研發(fā)計劃、歐盟框架協(xié)議Horizon2020、英國皇家工程協(xié)會、中德留學基金委等多個項目。國家醫(yī)療器械技術評審專家，全國外科植入物和矯形器械標準化技術委員會委員，中國醫(yī)學裝備協(xié)會醫(yī)用增材制造專業(yè)委員會委員，中國生物材料學會生物材料先進制造分會常務委員。研究方向包括增材制造、生物制造、生物力學、組織工程等。發(fā)表SCI收錄論文70余篇，參加國際國內(nèi)學術會議報告20余次，作為第一發(fā)明人申請國家發(fā)明專利三十余項。參與制定醫(yī)療器械相關國家指導原則、行業(yè)、團體標準等二十余項。

劉騰達

西安交通大學

劉騰達，男，1999年出生，西安交通大學機械工程學院機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，碩士研究生。主要研究方向為復合材料康復輔具的3D打印制造和臨床應用評價。

 5 課題組特色

      課題組基于西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，是國內(nèi)最早開展增材制造技術研究的單位之一。西安交通大學生物增材制造研究團隊在李滌塵教授的帶領下，面向生物醫(yī)療領域先后研發(fā)了生物陶瓷光固化成形、多孔金屬增材制造以及連續(xù)纖維復合材料擠出成形等一系列增材制造技術裝備與工藝。利用增材制造技術開展了人體骨組織、軟組織、關節(jié)等多類人體組織器官替代的定制化增材制造研究，以及個性化康復輔具的仿生設計和增材制造研究。研發(fā)的3D打印PEEK人工胸肋骨、肩胛骨、股骨等、多孔鈦合金人工椎體、拓撲優(yōu)化人工盆骨、糖尿病足鞋墊等均實現(xiàn)了臨床應用，解決了傳統(tǒng)技術無法解決的醫(yī)療修復難題。2021年正式獲批國家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)用增材制造器械研究與評價重點實驗室，聯(lián)合國家藥品監(jiān)督管理局和陜西省醫(yī)療器械檢驗院一起致力于增材制造醫(yī)療器械的創(chuàng)新性研究與評價。

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