prothesenwerk

3d печать

Введение
Аддитивная технология Fused Deposition Modeling (FDM) широко распространилась во многих производственных областях. В настоящее время данная технология используется не только для производства прототипов и образцов, а также для производства функционирующих объектов. [1]

Особенно в последние года произошёл всплеск запросов на использование FDM печатающих устройств. Это связано в основном с ростом общины пользователей свободного ПО - Open-Source-Community. Это позволило снизить цену вопроса и увеличить количество пользователей [2][3]. Почти каждодневно появляются новые разработки в этой области [2][4][7]. Основные инновации направлены в сторону разработки новых, печатаемых материалов [5]. Кроме известных синтетичесих материалов, AБС (ABS)пластика и ПЛА (PLA) появились экзотические, такие как древесина и песчанник материалы. Также гибкие материалы из термополиуретан (TPU) и термопластические эластомеры вошли в использование [6].

Как раз одно из этих инновационных решений в области материалов стало основой для совместных разработок дрезденской фирмы stamos + braun prothesenwerk gmbh и института точного маширостроения и электронного дизайна технического университета Дрездена (IFTE). Stamos & Braun предлагают разные варианты протезов, среди них силиконовые протезы с приближенным к реалистичному внешним видом (Фото 1).
Фото 1: Силиконовый протез предплечья
Рабочая группа "Высокотехнолоическое конструкции и системы" в институте IFTE давно уже работают над техническими решениями для использования технологий в новых областях применения [8][9][10]. Созданные при этом приборы были основой данной кооперации с целью улучшения процессов создания как частей,так и цельных протезов.

Научные исследования

Для того, чтобы использовать технологии 3d печати для работы с силиконом было необходимо провести исследования по поведению материала и найти идеи по созданию необходимой для этого техники.

С прототипом 3d печатающего устройства для силикона мы сделали первые тестовые распечатки. После многочисленных тестов и юстирования системы нам удалось научиться печатаить сложные формы (Фото 2). Одно из преимуществ высокотемпературного медицинского силикона (HTV) в отличии от других материалов, в том, что при печати нет швов между отдельными слоям. При всём этом свойства напечатанного и литого силикона не отличаются друг от друга.
Фото 2: Напечатанный силиконовый объект
На основе этих результатов мы разрабатывали технические решения, которые дали бы нам возможнсть максимального использования потенциала материала. При этом мы отрабатыали разные варианта создания внутренних структур печатного силикона и достижения наилучших качеств прочности и робастности. Мы тестировали разные внутенние структуры и из комбинации с другими материалами (Фото 3).
Фото 3: Силиконовый блок с решетчатой структурой
Одной и особенных пробрем, которым мы посвятили наши исследования касались проблемы высокого веса и слабой способности силиконовых протезов ступни выдерживать боковый и косые нагрузки. Решётчатые и сетчатые внутренние структуры, известные из обычной технологии 3d печати, дают нам первую возоможность снижения веса протезов. Для этого для протеза ступни была разработана и напечатана специальная силиконовая вставка (Фото 4). Возможно создание замкнутых структур с заполнением менее 40%.
Фото 4: Прокладка для силиконового протеза передней части стопы
По сравнению с оригинальными изделиями из цельного силикона мы смогли до 70% уменьшить вес изделия внутренней части протеза, сделанного из сетчатого силикона.

Несмотря на сильное снижение веса наш напечатанный силикон отличается высокой жёсткостью при нагрузказ по вертикальной оси. Это свойство может быть изменено путём юстирования работы как самого печатающего устройства, так и изменения положения самой внутренней решётки.
Фото 5: Силиконовый протез передней части стопы с в 3d напечатанной прокладкой
Другой подход к решению задачи снижения веса, это использование других, более лёгких материалов, например пластиков. В данном случае речь идёт о протезе руки с кистью, где пластик использовался для имитации внутренней костной структуры и таким образом улучшение хаптики и жёсткости протеза. Дополнительно за счёт сниженного заполнения внутреннего пространства искуственных костей снижается вес изделия.
Фото 6: Силиконовый протез кисти с индивидуальной по 3d технологии напечатанной внутренней структурой
Уже первые тестовые распечатки комбинации платика и силикона прошли успешно. Таким образом возможна единовременная распечатка искусственных рук с интегрированными костными структурами ,

Возможности

Использование силиконовых печатаюших устройств ограничивается далеко не только медицинской техникой. Их приложение воможно в различных производственных областях, таких как автомобильная промышленность и самолётостроение, в производстве бытовой техники или даже в области создания художественных масок.

Путём использования решетчатых и сетчатых структур в силиконовых протезах могут снижать вес конструкций и повышать их жёсткость. Оптимизацией в этих направлениях мы будем заниматься в наших дальнейших исследованиях. Кроме этого в будующем будут печататься цельные силиконовые протезы руки, пальцев рук и ног, а также стопы.

Комбинированная одновремененная распечатка пластиковых и силиконовых структур будет следующим этапом для создания цельных силиконовых пальцев с костными структурами в полном цвете оригинала. Отдельно в разработке находятся силиконовые 3d модели сердца, почек, кишечника или селезёнки, а также индивидуальные эпитезы (утерянные части кожи, лица)

Цветовое соответствие силикона орининалу возможно и в настояще время разрабатывается. Первые результаты нас обнадёхивают.
[1] Gebhard, A.: Generative Fertigungsverfahren. 4. Aufl., München: Carl Hanser Verlag 2013

[2] www.trinckle.com/blog/marktstudie-fur-3d-druck/, download, 19.06.2015

[3] reprap.org/, download, 19.06.2015

[4] www.3ders.org/index.html, download, 19.06.2015

[5] 3druck.com/visionen-prognosen/markt-fuer-3d-druck-materialien-soll-bis-2019-jaehrlich-um-204-wachsen-0228316/, download, 19.06.2015

[6] 3druck.com/3d-druck-material-liste/, download, 19.06.2015

[7] 3druck.com/drucker-und-produkte/3d-hubs-veroeffentlicht-trendreport-fuer-november-5826656/, download, 19.06.2015

[8] Böhme, M.: Optimierung der mechanischen Eigenschaften von mittels 3D-Druck erzeugten Objekten. Diplomarbeit TU Dresden 2015.

[9] Günther, L.:Mechanikkonstruktion eines 3D-Druckers. Diplomarbeit TU Dresden 2014.

[10] Entwicklung eines 3D-Druckers für gelartige Pasten. IFTE 2014.

[11] www.prothesenwerk.com, download, 19.06.2015