Косметическая накладка анатомической формы для механизированного протеза ноги, выполненная с применением аддитивных технологий и реверс-инжиниринга

Актуальность

Протезы – это искусственные изделия, которые используют для замены утраченных конечностей. Они помогают людям реабилитироваться в обществе, а также в будущем позволяют добавить телу больше практичных функций. Косметические протезы скрывают физиологические недостатки в теле человека, а функциональные позволяют вернуть физические возможности, утраченные из-за потери конечности

Для того чтобы придать протезу эстетический вид, расширить функционал протеза, применяют накладки. Иногда их используют для защиты устройства от внешних повреждений. Накладка должна повторять форму и размеры протеза, чтобы быть удобной в эксплуатации. Для соблюдения такой точности нужно применить 3D-моделирование, а конкретно – технологии реверс-инжиниринга.

Накладки являются важной частью эксплуатации протеза, поскольку позволяют помочь человеку быстрее вернуться к привычной жизни за счет анатомического внешнего вида, добавить в протез больше функций, которые будут полезны в повседневной жизни, а также защитить протез от повреждений, повышая практичность. Сохраняя эстетический вид, накладка ускоряет привыкание человека к новой жизни.

Цель

Создать индивидуальную накладку на механизированный протез Ottobock genium таким образом, чтобы протез полностью соответствовал размеру непротезированной ноги.

Задачи

1. Выполнить 3D-сканирование ноги и протеза.
2. Выполнить обработку облаков точек, полученных в результате сканирования.
3. Создать 3D-модели ноги и протеза, заданные математическими поверхностями.
4. Используя построенные поверхности протеза и ноги, создать 3D-модель накладки.
5. Подобрать подходящий для изготовления накладки материал.
6. Найти удобный способ крепления накладки к протезу.
7. Напечатать прототип накладки.
8. Сравнить накладку с протезом, внести корректировки.
9. Напечатать чистовой вариант накладки.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• 3D-сканер Calibry
• Штангенциркуль электронный
• 3D-принтер Maestro Classic
• PLA- пластик жëлтый
• PLA- пластик чëрный
• Болт с внутренним шестигранником DIN 912 M5×20мм
• Гайка самоконтрящаяся DIN 985 M5
• Шайба DIN 125A 5мм
• Наждачная бумага разной зернистости
• Персональный компьютер с установленным ПО:
  - Calibry Nest;
  - Autodesk Inventor Professional 2020;
  - Geomagic DesignX 2019;
  - Siemens NX 1957;
  - Cura 4.7.

Описание

Авторы выбрали тему данного проекта, поскольку в ассортименте производителя нет накладок на протез Ottobock genium необходимого объема. Изготовить кастомизированную накладку от производителя также не представляется возможным. Поэтому при реализации проекта нужно не только создать конечный продукт, но и получить возможность автоматизировать процесс моделирования подобных накладок за счет систематизации процесса создания накладки. Такой подход даст возможность относительно быстро заменить часть исходных данных непротезированной ноги в модели на геометрию, снятую с другого человека, ведь каждая нога уникальна, а накладка создается индивидуально для каждого человека.

Для того чтобы это сделать, было решено применить технологию реверс-инжиниринга и создать удобную и точную 3D-модель накладки. Далее подобрать нужный материал и, используя аддитивные технологии, легко и быстро изготовить нужную деталь. Таким образом, извлекая выгоду из современных технологий, можно сконструировать накладку на протез и одновременно выполнить работы по систематизации этого процесса.

Работа над проектом состояла из нескольких этапов.

На начальном этапе авторы определились с требованиями при проектировании накладок, выделив несколько условий: практичность, удобство, прочность, функциональность.

На следующем этапе авторы с использованием ручного 3D-сканера выполнили сканирование в режиме трекинга по геометрии, для того чтобы получить точные анатомические данные конкретного человека.

На втором этапе авторы выполнили обработку сканов в режиме реверс-инжиниринга в программе Siemens NX с применением методов фасетного моделирования.

На следующем этапе после получения предварительной модели по технологии 3D-печати на FDM принтере изготовлена накладка. Далее было проверено соответствие полученного прототипа реальной ноге, внесены корректировки геометрии, добавлена дизайнерская гравировка и распечатано окончательное изделие.

На завершающем этапе окончательная 3D-печать выполнялась по аналогии с тестовой, однако потребовалось разделить деталь на 4 сегмента вместо двух, поскольку стандартной области печати принтера недостаточно по высоте.

В процессе работы удалось реализовать все задачи, поставленные в начале проекта.

Результаты работы/выводы

В результате проекта была разработана накладка протеза, собирающаяся из четырех составных частей. Были учтены анатомические особенности конкретного человека, что позволило создать накладку с геометрией внешней поверхности, идентичной непротезированной ноге.

Перспективы использования результатов работы

Для каждого человека размеры такой накладки будут индивидуальны, поэтому появляется возможность систематизировать процесс изготовления подобных деталей, имея данную 3D-модель. Путём изменения внешней поверхности можно создать накладку практически для любого человека с подобным протезом.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГТУ им. Н. Э. Баумана

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» – участники.

Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» – призëры.

Мнение автора

«Для нас участие в открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» позволило не только раскрыть свой потенциал, но и посмотреть на ряд интересных работ ее участников, почерпнуть для себя что-то новое и найти мотивацию для дальнейшего развития в данном направлении»