Протез ноги из углепластика

Актуальность

В современном мире идёт активное развитие технологий и роботизации производств, но люди по-прежнему получают травмы. Это влияет на качество жизни человека. Для решения такого типа медицинских проблем существуют различные виды протезирования. Беговые протезы имеют совершенно отличные от обычных протезов форму и принцип работы. Основная задача, которую решали инженеры при разработке спортивных протезов для бега, – это обеспечение хорошей амортизации, что должно снять напряжение с живой части ноги, так как ударные нагрузки во время бега могут быть весьма ощутимы и болезненны.

В результате большинство производителей остановились на универсальной форме, которая была позаимствована в живой природе.

Беговой протез в целом повторяет форму задней ноги гепарда. Пятка в нём отсутствует, а стопа имеет С-образную форму, причем изгиб направлен в сторону, противоположную движению. Образуется дуга, изготовленная из прочных сплавов, обычно с добавлением титана.

При соприкосновении с поверхностью и переносе веса на эту дугу она сжимается, после чего амортизирует и распрямляется, добавляя бегуну дополнительное ускорение. Кроме особенностей конструкции протезы обеспечивают амортизацию за счёт дополнительно установленных амортизаторов. Место соприкосновения с поверхностью имеет небольшую площадь, на нём установлено специальное антискользящее покрытие. Это обеспечивает надёжную сцепку и отсутствие скольжения даже на мокрых поверхностях.

В настоящее время протезирование способно значительно улучшить качество жизни человека. Научные исследования в области биопротезирования не замедляют темпов; в дальнейшем можно будет ожидать, что протезы станут лёгкими, сильными, чувствительными, энергоёмкими, максимально адаптированными к потребностям человека, чутко отвечающими всем его запросам.

На современном этапе развития протезирования человечество проявляет большой интерес к новым технологиям, что свидетельствует о готовности социума принять новую ступень технологического прогресса в медицине.

Цель

Создать протез ноги человека из композиционных материалов (углепластика).

Задачи

Изготовление протеза ноги с такими важными показателями как:

1. Влагостойкость (протез можно использовать в любых погодных условиях, так как композиционные материалы не боятся влаги).

2. Долговечность (протез выдерживает большие нагрузки, обладает высокой износостойкостью и прочностью).

3. Упругость (композитные материалы позволяют использовать протез в спортивном образе жизни).

4. Лёгкость (композиты легче классических материалов, из которых сделаны аналоги).

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Вакуумная установка
• Пневматическая шлифовальная машина
• Ручная мини-дрель Dremel 4000
• 3D-принтер, нож и ножницы
• ПК с установленным ПО (Maestro Wizard,  Autodesk PowerMill Ultimate 2019)
• Высокопрочная ткань чёрного цвета из углеродных волокон диаметром 5,15 мкм
• Двухкомпонентная эпоксидная смола ЭД-20 с отвердителем ТЭТА в весовой пропорции 100:10
• МДФ, клей-спрей
• Проводящая сетка
• Препреги разделительного состава
• Перфорированная плёнка

Описание

Технологию изготовления протеза авторы разделили на четыре основных этапа, которые включали в себя множество вспомогательных операций.

1. Подготовка 3D-модели и изготовление оснасток

   1.1 Моделирование главной поверхности изделия – создание пространственной 3D-модели поверхности, на которой будут лежать изделия.

   1.2 Резка заготовки. На основе 3D-моделей оснасток производилась подготовка материала для фрезеровки на станке с ЧПУ. Был выбран простой в обработке и бюджетный материал МДФ. Производилась резка плиты при помощи циркулярной пилы.

   1.3 Далее создавалась управляющая программа в ПО Autodesk PowerMill Ultimate 2019 для обработки заготовки на станке с ЧПУ, она состояла из нескольких этапов: черновая обработка – удаление основной массы материала, предчистовая обработка – обработка заготовок по заданной 3D-модели с припуском в 1 мм.

2. Изготовление изделия

  2.1 Был проведён раскрой материала. На этом этапе для начала производился раскрой имеющихся армирующих материалов согласно чертежу.

Препреги — это композиционные материалы-полуфабрикаты. Представляют собой листы тканых или нетканых волокнистых материалов, пропитанных неотверждёнными полимерными связующими.

  2.2. Нанесён разделительный состав. Этот состав необходим для беспроблемного снятия изделия с оснастки после отверждения.

  2.3. Уложены армирующие слои. На данном этапе слои препрега укладывались на поверхность оснастки согласно чертежу изделия.

3. Изготовлена верхняя часть протеза.

  3.1. Нанесён разделительный состав. Этот состав необходим для беспроблемного снятия изделия с оснастки после отверждения.

  3.2. При формовании изделия деталь изготавливалась методом вакуумной инфузии. На данном этапе непропитанные слои укладывались на поверхность оснастки с помощью клей-спрея. На одной половине оснастки фланцы не подрезались, на другой – отрезались встык; это делалось для того, чтобы после пропитки место шва было прочнее.

  3.3. Произведена сборка оснастки. После укладки всех армирующих слоёв оснастка собиралась на шканты и помещалась в вакуумный пакет.

  3.4. Уложены технологические слои. На армирующие слои укладывалась жертвенная ткань, упрощающая снятие технологических слоёв с детали. Далее укладывалась проводящая сетка, необходимая для равномерной пропитки всех слоёв. В жертвенную ткань оборачивались также спиральные трубки, через которые будет подаваться и откачиваться связующее. Трубка откачки укладывалась на оснастку по верхней кромке будущей детали. Трубка подачи помещалась на дно верхней части протеза.

4. Произведена 3D-печать деталей шарнира (коленного сустава).

Результаты работы/выводы

В результате работы был создан прототип протеза ноги человека из углепластика.

Строение протеза позволяет людям с ограниченными возможностями заниматься спортом.

За счёт свойств композитных материалов такой протез легче, прочнее и долговечнее аналогов из классических материалов. Он может использоваться в абсолютно любых погодных условиях. Несмотря на высокую стоимость композиционных материалов, прототип будет выгоднее аналогов: за счёт своей устойчивости к внешним факторам он будет реже нуждаться в ремонте и замене деталей.

Перспективы использования результатов работы

В дальнейшем планируется изготовить детали шарнира из алюминия с помощью фрезеровки на пятикоординатном фрезерном станку с ЧПУ.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Технопарк «Инжинируим» МГТУ им. Н.Э. Баумана;  

НОЦ «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Награды/достижения

Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект — от знаний к практике, от практики к результату», 2020-21 уч. год – победитель

Мнение автора

«Работа над проектом помогла мне определиться с выбором дальнейшего образования (в МГТУ им. Н.Э. Баумана). Кроме этого, я много узнал о композиционных материалах, получил огромный опыт в выполнении проекта и публичных выступлениях. Во время выполнения проекта я побывал на различных акселераторах, соревнованиях, конференциях, и это стало для меня хорошим стартом»