机械工程学报

作者：刘腾达, 汤磊, 孙畅宁, 单存清, 李涤尘, 田小永, 刘朝宗, 王玲

单位：1. 西安交通大学机械工程学院机械制造系统工程国家重点实验室 西安 710049;2. 国家药品监督管理局医用增材制造器械研究与评价重点实验室 西安 710054;3. 伦敦大学学院皇家骨科医院整形外科与骨肌科学研究所 伦敦 HA7 4LP 英国

关键词：材料挤出成形,假肢接受腔,Z向增强,连续纤维,力学性能；

基金：国家重点研发计划(2018YFE0207900)、广东省重点领域研发计划(2018B090906001)、国家重点研发计划(2018YFB1107000)、陕西省自然科学基础研究计划项目(2022JQ-378)、中国博士后科学基金项目(2020M683458)、英国工程和自然科学研究委员会(EPSRC)(No.EP/T517793/1)、中央高校基本科研业务费和陕西高校青年创新团队资助项目。

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、传递运动载荷的重要作用。与传统工艺制备的假肢接受腔相比，MEX(Material Extrusion，材料挤出成形)3D打印接受腔具有加工周期短，成本低等优势，能够满足接受腔快速低成本制造的需求，但该工艺制备的接受腔以Z向力学性能较差为突出劣势，应用也因此受到限制。之前的研究针对该问题提出了一系列的策略对MEX打印工艺的Z向力学性能进行提升，但受到材料与工艺限制，优化后的打印策略制备接受腔的Z向力学性能依然不足。为解决该问题，本研究首先基于假肢接受腔的打印需求，自主研发了可控制挤出头姿态变换的多自由度MEX打印设备。随后，本研究系统地研究了多自由度打印工况下纤维方向和打印层厚对芳纶纤维增强复合材料打印件Z向力学性能的影响。最后，本研究根据多步态下假肢接受腔的力学分析结果，将纤维方向和接受腔厚度等参数和接受腔受力状态进行关联，提出了接受腔Z向强化打印策略。结果表明，与传统3D打印工艺相比，Z向强化制造策略可显著提升接受腔的力学性能，所制备的假肢接受腔可满足穿戴疲劳要求。

来源：2022年第7期

《机械工程学报》期刊编辑部

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