【48812】西交大：接连纤维增强复合材料恢复辅具形性协同规划与3D打印

  假肢是截肢者恢复举动才能所有必要的恢复辅具，假肢承受腔作为衔接残肢与假肢体系之间重要的活力界面，具有容纳残肢、支撑体重和传递运动载荷的及其重要的效果。传统的假肢承受腔一般要假肢技师手艺完结翻模、修型、试戴等作业，功率低且手艺劳动量大，我国注册在岗的假肢技师仅有1000余人，缺乏以满意假肢承受腔巨大的市场需求。西安交通大学李涤尘、王玲教授团队提出运用接连纤维增强复合材料3D打印技能的假肢承受腔制作战略，经过建立依据工业机器人的多自在度接连纤维复合材料3D打印硬件体系并开发途径规划算法，完成了依据假肢承受腔受力环境的接连纤维途径的准确规划与制作。

  传统的“层层叠加”的3D打印办法面对Z向强度缺乏的问题，该问题在接连纤维增强复合材料的3D打印中尤为严峻，依据文献数据，沿纤维方向拉伸强度可达300 MPa以上，但Z向拉伸强度仅为3-10 MPa。为处理该问题，团队建立了复合材料承受腔多自在度3D打印硬件根底。如图1所示，建立的多自在度3D打印设备耦合了六自在度工业机械臂、双自在度打印渠道和接连纤维复合材料挤出面，能够在必定程度上完结大尺度（30-50 cm）样件的多自在度杂乱曲面的接连纤维打印。

  为在假肢承受腔的曲面外表完成复合材料的多自在度3D打印，需生成驱动多自在度3D打印体系运动的打印途径，当时没有可在曲面标明上进行纤维复合材料3D打印的途径规划软件。团队提出运用CAM软件依据承受腔外腔面生成铣削途径，将铣削加工途径倒序摆放来生成增材制作打印途径，如图2所示。

  假肢承受腔在执役过程中遭到杂乱的力学环境，团队提出了承受腔接连纤维途径的形性协同规划战略。一方面，运用有限元办法剖析假肢承受腔在各种日常活动下的应力，并提取假肢承受腔在坐骨渠道、安装鸿沟等要害区域内的拉应力、压应力和剪应力，如图3A所示。依据各个区域拉应力的方向规划区域内的纤维方向，使纤维方向与应力方向匹配；依据各区域的应力巨细规划区域内的纤维层数，使纤维数量与应力幅值相匹配，如图3B。经过上述办法完成假肢承受腔纤维散布与功能需求的匹配。

  依据测验规范GB/T 18375.3《假肢——下肢假肢结构查验 第三部分：主结构查验》对承受腔的疲惫功能来测验。测验所运用的载荷环境包含患侧着地和患侧蹬离两个步态，，加载频率设置为6 HZ，经过查验测验的规范为300万次。所制备的承受腔完结了两个步态合计600万次的疲惫功能测验，未产生可见损害，满意3年以上的穿戴需求。

  假肢承受腔是一种大尺度、类回转体的薄壁曲面零件，为接连纤维增强复合材料3D打印提出了严峻的应战。李涤尘教授、王玲教授团队提出的假肢承受腔的形性协同规划与多自在度3D打印战略，经过建立多自在度接连纤维增强复合材料3D打印体系、开发接连纤维打印途径规划算法及自适应打印速率和纤维/树脂份额调控办法，建立了与承受腔力学功能需求准确匹配的接连纤维增强假肢承受腔的制作办法。该研讨不仅为假肢承受腔供给了有力的规划制作途径，也为其他的薄壁自在曲面零件的高功能制作供给了参阅。

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