Дослідження демпфувальних властивостей 3D-друкованих лайнерів з керованою перфорацією

Анотація

Предметом дослідження цієї статті є демпфувальні властивості 3D-друкованих прокладок (лайнерів) з термопластичного поліуретану (TPU) з керованою внутрішньою перфорацією, призначених для використання в системі «кукса – лайнер – гільза» у протезах нижніх кінцівок. Досліджується вплив жорсткості матеріалу, геометрії отворів та ступеня перфорації на ефективність гасіння вібрацій при ударно-динамічному навантаженні. Мета роботи – експериментальне визначення та оптимізація демпфувальних характеристик TPU-лайнерів шляхом варіювання жорсткості матеріалу, форми отворів і відсотка перфорації з використанням методу вільних затухаючих коливань. Завдання: проаналізувати функціональну роль лайнера як демпфуального елемента у протезній системі; Виготовити серію 3D-друкованих TPU-зразків з різною жорсткістю, геометрією отворів та ступенем перфорації; реалізувати ударний метод вимірювання затухаючих коливань для кожного зразка; Визначити коефіцієнт демпфування та відсоток гасіння вібрації; провести обробку експериментальних даних з метою виявлення оптимальних комбінацій матеріалу і геометричних параметрів; виявлено закономірність впливу жорсткості матеріалу, перфорації та патерну отворів на демпфувальні властивості лайнерів. Результати: реалізовано та експериментально перевірено метод оцінки демпфувальних характеристик 3D-друкованих TPU-лайнерів із керованою внутрішньою структурою. Встановлено нелінійну залежність ефективності гасіння вібрацій від ступеня перфорації та систематичне зменшення демпфування зі зростанням жорсткості TPU. Показано, що шестикутна геометрія отворів забезпечує більш рівномірний розподіл деформацій і дещо вищу ефективність гасіння порівняно з ромбічною та трикутною. Отримані залежності дозволяють цілеспрямовано проєктувати демпфувальні лайнери з оптимальним співвідношенням жорсткості та здатністю до гасіння вібрації. Це дозволить вирішити наступні питання, такі як: зниження ударних навантажень – зменшення пікових динамічних сил, що передаються від гільзи протеза до м'яких тканин кукси; перерозподіл тиску – формування більш рівномірних контактних напружень у зоні контакту виробу зі шкірою; підвищення комфорту користувача – зменшення вібрацій, болю та подразнення шкіри під час ходьби; індивідуальна оптимізація – персоналізований підбір геометрії та матеріалу лайнеру під параметри тіла, рівня активності та стану тканин пацієнта; інженерне проектування – створення структурно оптимізованих елементів для біомединого застосування. Висновки: за результатами роботи експериментально підтверджено можливість керування демпфувальними властивостями TPU-лайнерів шляхом зміни жорсткості матеріалу, ступеня перфорації та геометрії отворів. Встановлено наявність оптимального діапазону перфорації для кожного рівня жорсткості TPU, а також переваги шестикутної перфорації з точки зору рівномірності деформацій та ефективності гасіння вібрацій.