CN108451676A - 一种具有自适应性的3d打印柔性接受腔 - Google Patents

一种具有自适应性的3d打印柔性接受腔 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有自适应性的3D打印柔性接受腔，包括接受腔内腔和接受腔外壳，所述接受腔的内腔和外壳采用3D打印一体成型，打印材料为连续纤维增强复合材料；该接受腔具有柔性，制作该接受腔的材料的弹性模量分别在轴向、径向梯度可变，通过调整3D打印的工艺参数，加工制备具有弹性模量梯度变化并且能够自适应的接受腔；本发明采用连续纤维复合打印的方式来制备假肢接受腔，既减轻了重量也提高了强度，同时采用柔性设计提高使用者和假肢接受腔接触部分残端的舒适度；一体化打印有利于提高接受腔内腔与接受腔外壳的吻合程度，增加假肢穿戴的舒适度，缩短制备流程的时间，大大降低制造成本。

Description

一种具有自适应性的3D打印柔性接受腔
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体地说，涉及一种具有自适应性的3D打印柔性接受腔。
背景技术
接受腔是假肢最重要的组成部分，它直接与残肢接触，容纳残肢，包容残肢的软组织，支撑人体重量，控制假肢运动。
吸着式接受腔的底部与残端不接触，它们之间留有一个吸着空间，并用吸着阀门进行封闭。吸着空间产生的负压是这种接受腔悬吊的机理之一。在吸着负压的作用下，血液滞留于残端，易造成残端淤血，水肿，对截肢者造成伤害。由于残端不与接受腔接触，残肢与接受腔接触面积减小，残肢表面所承受的力量相应地也减小，更多的力要通过坐骨来传递。这种力的传递方式对病人穿着假肢的步态会产生不利影响。对某些患者还会会引起坐骨的不舒适感。尽管这种接受腔有如此严重的缺点，它仍然在大腿假肢装配中应用比较广泛，主要原因是这种接受腔的制作技术要求较低。
理想的假肢应该是最大端承重，截肢者应该能用残肢站立在接受腔底部，就像截肢前站立在地面一样，最大程度地用残端承重是假肢趋于生理的重要条件。残端承重不仅具有重要的生物力学意义，而且通过残端接触和承重，截肢者的感觉神经***能够直接感受来自底端的压力和动作的重要信息。
为了实现假肢的最大端承重，需要接受腔与残肢末端很好的配合。由于患者的残肢情况不同，假肢接受腔的形状因人而异。目前已经很多人采取了3D打印来制作接受腔，但是只能解决个性化的问题，是否配合完整一定程度还是取决于技师的经验、手法、技巧等因素，难以保证准确性。根据很多截肢者反馈，在截肢者不同姿态下安装的假肢并没有一定的适用性，如：当患者坐姿安装调试好的假肢，由于肌肉的收缩程度不同，站起来走路就会产不适感；站立安装调试好的假肢，坐姿也会产生不适感。而且接受腔使用的材料各处硬度固定单一，加剧了假肢穿戴的不适感。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种具有自适应性的3D打印柔性接受腔，该接受腔采用连续纤维复合打印的方式来制备，既减轻了重量也提高了强度，同时采用柔性设计提高使用者和假肢接受腔接触部分残端的舒适度。一体化打印有利于提高接受腔内腔与接受腔外壳的吻合程度，增加假肢穿戴的舒适度，缩短制备流程和时间，大大降低制造成本。
为了达到上述目的，本发明的技术方案：
一种具有自适应性的3D打印柔性接受腔，包括接受腔内腔和接受腔外壳，所述接受腔的内腔和接受腔外壳采用3D打印一体成型，打印材料为连续纤维增强复合材料；所述接受腔具有柔性，制作该接受腔的材料的弹性模量分别在轴向、径向梯度可变，制作该接受腔的材料的弹性模量由3D打印中结晶度和纤维含量控制，通过调整3D打印工艺参数，加工制备具有弹性模量梯度变化并且能够自适应的接受腔。
所述的接受腔要求弹性模量高的区域分布在接受腔内腔的外壁与接受腔外壳、接受腔轴向底端与连接件连接部位以及接受腔外壳应力集中部位，而与皮肤直接接触的接受腔内腔的内壁弹性模量低，接受腔剩余区域由低弹性模量向高弹性模量逐级渐变过渡，即材料弹性模量从接受腔轴向的顶端到底端、径向的内侧到外侧梯度变化，变化范围为6MPa‐21GPa之间。
所述接受腔不同区域的弹性模量分布向3D打印设备可识别的数据信息转换需遵循连续纤维增强复合材料的3D打印产品的弹性模量与连续纤维增强复合材料结晶度和连续纤维增强复合材料纤维含量的映射关系，根据不同结晶度下和不同纤维含量下的材料的力学性能的实验数据，实现材料弹性模量与结晶度和纤维含量的映射关系。同时接受腔材料的弹性模量也能够根据残肢的表面皮肤情况与实际受力进行局部调控。
具体地，连续纤维增强复合材料的3D打印产品的弹性模量与连续纤维增强复合材料的纤维含量的映射关系包括：连续纤维增强复合材料中纤维成分所占比例与连续纤维增强复合材料的3D打印产品的弹性模量的映射关系，以及连续纤维增强复合材料中所含纤维长短与连续纤维增强复合材料的3D打印产品的弹性模量映射关系；连续纤维增强复合材料中纤维含量与连续纤维增强复合材料的3D打印产品的拉伸、弯曲模量在一定范围呈正相关性；长纤维增强复合材料增强其3D打印产品的拉伸、弯曲模量，短纤维增强复合材料增强其3D打印产品的抗剪切强度。
所述接受腔采用熔融沉积成型的3D打印技术结合复合材料纤维铺放技术制备。
所述的实现弹性模量梯度变化的可调工艺参数包括：3D打印机的工作腔温度，3D打印机的打印底板温度，3D打印机喷头温度和用于3D打印的连续纤维增强复合材料中添加连续纤维的含量和纤维的长短。
所述的接受腔内腔的打印材料采用柔性的连续纤维复合增强材料，包括硅橡胶、热塑性聚氨酯橡胶或热塑性弹性体；接受腔外壳的打印材料采用连续纤维增强复合材料，包括碳纤维增强ABS树脂复合材料、碳纤维增强聚乳酸复合材料、碳纤维增强尼龙复合材料、碳纤维增强ASA复合材料、碳纤维增强PETG复合材料、玻璃纤维增强ABS树脂复合材料、玻璃纤维增强聚乳酸复合材料、玻璃纤维增强尼龙复合材料、玻璃纤维增强ASA复合材料或玻璃纤维增强PETG复合材料。
与现有技术相比，本发明具备如下优点：
1)本发明设计的接受腔采用连续纤维增强复合材料的3D打印来制备，利用纤维增强复合材料的机械特性，极大地提高了接受腔的强度，同时减轻了重量。
2)本发明设计的接受腔采用柔性设计，提高使用者和假肢接受腔接触部分残端的舒适度，制作该接受腔的材料的弹性模量在轴向、径向都具有梯度变化，截肢者穿戴过程中肌肉能够与接受腔相互适应，提高了假肢的穿戴舒适性。
3)本发明设计的接受腔的内腔与外壳采用一体化打印，一体化打印有利于提高接受腔内腔与接受腔外壳的吻合程度，增加假肢穿戴的舒适度，缩短制备流程和时间，大大降低制造成本。
附图说明
图1为本发明实施例提出的假肢接受腔的结构图，(1)为接受腔内腔，(2)为接受腔外壳。
图2为本发明实施例提出的假肢接受腔的弹性模量分布示意图，其中：图2(a)为接受腔轴向的弹性模量分布示意图，图2(b)为接受腔A‐A截面的径向的弹性模量分布示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明进行详细说明，本实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。
如图1所示，为本发明提出的假肢接受腔的结构图，包括接受腔内腔1和接受腔外壳2；假肢接受腔内腔1与接受腔外壳2采用3D打印机一体打印成型。接受腔内腔1的打印材料采用热塑性聚氨酯橡胶；接受腔外壳2的打印材料采用碳纤维增强聚乳酸复合材料。
根据熔融沉积成型实验测量不同材料结晶度条件下材料的力学性能数据和不同纤维含量的连续纤维增强复合材料的力学性能数据，建立材料力学性能与结晶度和纤维含量的映射关系，将接受腔不同区域的弹性模量分布转化为3D打印设备可识别的结晶度和纤维含量数据信息。通过调整3D打印机的打印底板温度，3D打印机喷头温度和用于3D打印的连续纤维增强复合材料中添加连续纤维的含量和纤维的长短，最终完成柔性假肢接受腔的加工制造。
接受腔要求弹性模量高的区域分布在接受腔外壳、接受腔轴向底端与连接件连接部位以及接受腔外壳应力集中部位，这些区域采用连续碳纤维增强聚乳酸复合材料打印，其中碳纤维含量大约为27％，如图2(a)和图2(b)所示，此时接受腔的弹性模量达到Emax，其中抗弯强度为263MPa，弯曲模量为13.3GPa，抗拉强度256MPa，拉伸模量为20.6Gpa。与皮肤直接接触的接受腔内腔的内壁弹性模量较低，这部分由热塑性聚氨酯橡胶3D打印而成，如图2(a)和图2(b)所示，其弹性模量为最小Emin，大约为10MPa。接受腔内腔的外壁的弹性模量介于Emin～Emax之间，这部分采用的是短切碳纤维增强聚乳酸复合材料，抗弯强度介于110～260MPa之间，弯曲模量介于3～10GPa之间，抗拉强度介于60～200MPa之间，拉伸模量介于4～10Gpa之间。接受腔剩余区域由低弹性模量向高弹性模量逐级渐变过渡，即材料弹性模量从接受腔轴向的顶端到底端、径向的内侧到外侧梯度变化。如图2所示，从接受腔轴向的顶端到底端，径向的内侧到外侧接受腔材料的弹性模量从Emin～Emax梯度变化。图2所示的弹性模量梯度变化为3级，具体产品不局限于3级变化，其弹性模量可以是很多级逐渐变化。
根据熔融沉积成型实验测量不同材料结晶度条件下材料的力学性能数据，建立材料力学性能与结晶度的数学关系，将接受腔不同区域的模量分布转化为3D打印设备可识别的结晶度数据信息。通过调整打印机内部工作腔温度、3D打印机的打印底板温度、3D打印机喷头温度，来打印不同结晶度的产品。打印产品的结晶度越高，弹性模量越高。最终完成柔性接受腔的加工制造。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的设计理念和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有自适应性的3D打印柔性接受腔，包括接受腔内腔(1)和接受腔外壳(2)，其特征在于：所述接受腔内腔(1)和接受腔外壳(2)采用3D打印一体成型，打印材料为连续纤维增强复合材料；所述接受腔具有柔性，制作该接受腔的材料的弹性模量分别在轴向、径向梯度可变，制作该接受腔的材料的弹性模量由3D打印中结晶度和纤维含量控制，通过调整3D打印工艺参数，加工制备具有弹性模量梯度变化并且能够自适应的接受腔。
2.根据权利要求1所述的一种具有自适应性的3D打印柔性接受腔，其特征在于：接受腔要求弹性模量高的区域分布在接受腔内腔的外壁与接受腔外壳、接受腔轴向底端与连接件连接部位以及接受腔外壳应力集中部位，而与皮肤直接接触的接受腔内腔的内壁弹性模量低，接受腔剩余区域由低弹性模量向高弹性模量逐级渐变过渡，即材料弹性模量从接受腔轴向的顶端到底端、径向的内侧到外侧梯度变化，变化范围为6MPa-21GPa之间。
3.根据权利要求1所述的一种具有自适应性的3D打印柔性接受腔，其特征在于：接受腔不同区域的弹性模量分布向3D打印设备可识别的数据信息转换需遵循连续纤维增强复合材料的3D打印产品的弹性模量与连续纤维增强复合材料结晶度和连续纤维增强复合材料纤维含量的映射关系，根据不同结晶度下和不同纤维含量下的材料的力学性能的实验数据，实现材料弹性模量与结晶度和纤维含量的映射关系；同时接受腔材料的弹性模量也能够根据残肢的表面皮肤情况与实际受力进行局部调控。
4.根据权利要求1所述的一种具有自适应性的3D打印柔性接受腔，其特征在于：所述连续纤维增强复合材料的3D打印产品的弹性模量与连续纤维增强复合材料的纤维含量的映射关系包括：连续纤维增强复合材料中纤维成分所占比例与连续纤维增强复合材料的3D打印产品的弹性模量的映射关系，以及连续纤维增强复合材料中所含纤维长短与连续纤维增强复合材料的3D打印产品的弹性模量映射关系；连续纤维增强复合材料中纤维含量与连续纤维增强复合材料的3D打印产品的拉伸、弯曲模量在一定范围呈正相关性；长纤维增强复合材料增强其3D打印产品的拉伸、弯曲模量，短纤维增强复合材料增强其3D打印产品的抗剪切强度。
5.根据权利要求1所述的一种具有自适应性的3D打印柔性接受腔，其特征在于：该接受腔采用熔融沉积成型的3D打印技术结合复合材料纤维铺放技术制备。
6.根据权利要求1所述的一种具有自适应性的3D打印柔性接受腔，其特征在于：实现弹性模量梯度变化的可调工艺参数包括：3D打印机的工作腔温度，3D打印机的打印底板温度，3D打印机喷头温度和用于3D打印的连续纤维增强复合材料中添加连续纤维的含量和纤维的长短。
7.根据权利要求1所述的一种具有自适应性的3D打印柔性接受腔，其特征在于：接受腔内腔(1)的打印材料采用柔性的连续纤维复合增强材料，包括硅橡胶、热塑性聚氨酯橡胶或热塑性弹性体；接受腔外壳(2)的打印材料采用连续纤维增强复合材料，包括碳纤维增强ABS树脂复合材料、碳纤维增强聚乳酸复合材料、碳纤维增强尼龙复合材料、碳纤维增强ASA复合材料、碳纤维增强PETG复合材料、玻璃纤维增强ABS树脂复合材料、玻璃纤维增强聚乳酸复合材料、玻璃纤维增强尼龙复合材料、玻璃纤维增强ASA复合材料或玻璃纤维增强PETG复合材料。
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