西交大：连续纤维增强复合材料康复辅具形性协同设计与3D打印

西安交通大学李涤尘、王玲教授团队与英国伦敦大学学院合作研究成果以题为“A shape-performance synergistic strategy fordesign and additive manufacturing of continuous fiber reinforced transfemoralprosthetic socket”发表在复合材料领域顶级期刊《Composites Part B: Engineering》上。西安交大机械学院副研究员孙畅宁、博士生汤磊为论文共同第一作者，王玲教授为通讯作者，精密微纳制造技术全国重点实验室为第一完成单位。研究工作收到国家重点研发计划项目“外场诱导高分子粉末床吸能高速烧结3D打印技术研究”的资助。

假肢是截肢者恢复行动能力所必须的康复辅具，假肢接受腔作为连接残肢与假肢系统之间重要的生机界面，具有包容残肢、支撑体重和传递运动载荷的重要作用。传统的假肢接受腔一般需要假肢技师手工完成翻模、修型、试戴等工作，效率低且手工劳动量大，我国注册在岗的假肢技师仅有1000余人，无法满足假肢接受腔巨大的市场需求。西安交通大学李涤尘、王玲教授团队提出使用连续纤维增强复合材料3D打印技术的假肢接受腔制造策略，通过搭建基于工业机器人的多自由度连续纤维复合材料3D打印硬件系统并开发路径规划算法，实现了根据假肢接受腔受力环境的连续纤维路径的精确设计与制造。

研究内容

1. 基于工业机器人的多自由度连续纤维复合材料3D打印系统

传统的“层层叠加”的3D打印方法面临Z向强度不足的问题，该问题在连续纤维增强复合材料的3D打印中尤为严重，根据文献数据，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。为解决该问题，团队建立了复合材料接受腔多自由度3D打印硬件基础。如图1所示，搭建的多自由度3D打印设备耦合了六自由度工业机械臂、双自由度打印平台和连续纤维复合材料挤出头，能够实现大尺寸（30-50cm）样件的多自由度复杂曲面的连续纤维打印。

图1. 多自由度连续纤维复合材料3D打印系统原理图和实物图

2. 假肢接受腔曲面表面纤维路径规划方法

为在假肢接受腔的曲面表面实现复合材料的多自由度3D打印，需生成驱动多自由度3D打印系统运动的打印路径，当前没有可在曲面表面进行纤维复合材料3D打印的路径规划软件。团队提出使用CAM软件基于接受腔外腔面生成铣削路径，将铣削加工路径倒序排列来生成增材制造打印路径，如图2所示。

图2. 接受腔曲面表面的纤维路径规划方法

3. 假肢接受腔表面纤维路径的形性协同设计

假肢接受腔在服役过程中受到复杂的力学环境，团队提出了接受腔连续纤维路径的形性协同设计策略。一方面，使用有限元方法分析假肢接受腔在各种日常活动下的应力，并提取假肢接受腔在坐骨平台、装配边界等关键区域内的拉应力、压应力和剪应力，如图3A所示。根据各个区域拉应力的方向设计区域内的纤维方向，使纤维方向与应力方向匹配；根据各区域的应力大小设计区域内的纤维层数，使纤维数量与应力幅值相匹配，如图3B。通过上述方法实现假肢接受腔纤维分布与性能需求的匹配。

图3. 3D打印假肢接受腔纤维路径的形性协同设计

4. 连续纤维增强复合材料假肢接受腔的性能评价与应用

根据测试标准GB/T 18375.3《假肢——下肢假肢结构检验 第三部分：主结构检验》对接受腔的疲劳性能进行测试。测试所使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，通过检测的标准为300万次。所制备的接受腔完成了两个步态共计600万次的疲劳性能测试，未发生可见损伤，满足3年以上的穿戴需求。

图4. 3D打印假肢接受腔的应用

总结

假肢接受腔是一种大尺寸、类回转体的薄壁曲面零件，为连续纤维增强复合材料3D打印提出了严峻的挑战。李涤尘教授、王玲教授团队提出的假肢接受腔的形性协同设计与多自由度3D打印策略，通过搭建多自由度连续纤维增强复合材料3D打印系统、开发连续纤维打印路径规划算法及自适应打印速率和纤维/树脂比例调控方法，建立了与接受腔力学性能需求精确匹配的连续纤维增强假肢接受腔的制造方法。该研究不仅为假肢接受腔提供了有力的设计制造途径，也为其他的薄壁自由曲面零件的高性能制造提供了参考。

相关论文及链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111518

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