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3D打印連續纖維復合假肢接受腔Z向強化制造策略

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期發表了《3D打印連續纖維復合假肢接受腔Z向強化制造策略》一文，本研究旨在根據假肢接受腔服役狀態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接受腔的高性能快速成形。

1.引用文章

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化。根據接受腔打印需求，研發了基于機械臂的多自由度復合材料3D打印平臺；系統研究了連續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據基礎；基于數值模擬分析獲得的假肢接受腔服役狀態下的應力分布和強度需求對接受腔局部薄弱區域進行力學性能增強設計，建立了接受腔腔體分區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，經過專業動態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MEX-3D工藝中，接受腔的打印以平面“層層疊加”的方式實現，接受腔容易發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向鋪放連續纖維復合材料來增強該向的力學強度，進而實現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。