Протез ноги становится частью тела, поэтому при проектировании уделяют внимание не только его функциональным характеристикам, но и эстетическим. Как создаются прототипы, адаптированные к физическим характеристикам человека? За счет чего протез ноги превращается в стильный аксессуар? Эта статья о том, как 3D-печать и вакуумная формовка помогают совместить в протезах ног полезные функции и красоту.
В студии промышленного дизайна КЛОНА создают рабочие модели, которые помогут человеку оставаться активным, вовлеченным и стильным. Закажите у нас лучший протез ноги, который будет имитировать функции недостающей конечности, и при этом никого не испугает.
Содержание
Производство протезов ног: 12 шагов
1. Осматриваем позиции.
Выясняем, какова мотивация, например, эстетика, возможность путешествовать или заниматься спортом, а также есть ли заболевания, которые не позволят носить протез долго.
2. Подбираем комплектующие.
Выбираем конструкцию будущего протеза ноги, метод крепления и материалы. На решение влияют состояние культи и мышечного тонуса, а также наличие аллергии. Если используется силиконовый чехол, то подбираем его модель и толщину, а затем обговариваем, будет ли текстильное покрытие и каков способ фиксации.
3. Подбираем тип коленного модуля, если ампутация выше колена.
4. Снимаем гипсовый слепок с культи.
5. Изготавливаем пробную гильзу.
6. Делаем предварительную сборку.
7. Примеряем.
Точность сборки проверяем в статике и динамике. Регулируем высоту.
8. Обучаем.
Человек учится надевать протез и уверенно на нем передвигаться.
9. Тестируем.
Проверяем работу протеза в повседневных условиях.
10. Разбираем полеты.
Обговариваем замечания, выявленные в тестовом режиме, корректируем какие-то настройки, а затем окончательно дорабатываем протез.
11. Создаем постоянную гильзу.
По желанию наносим рисунок.
12. Разрабатываем покрытие протеза.
Поговорим о том, как изготавливаются косметические оболочки, которые скрывают металлические части протеза, и при этом полностью дублируют форму здоровой ноги. А также о создании гильзы, которая будет удобной уже на первой примерке.
Как распечатать протез ноги с естественной формой: 3 шага
Протез, напечатанный на 3D-принтере — это реалистичное покрытие, которое окружает металлический стержень и повторяет форму утраченной ноги.
Чтобы создать покрытие, идеально соответствующее конечности, сначала снимают мерки, а затем изготавливают прототип и выполняют постобработку.
3D-сканирование
Замеры выполняются сканером. Скан — это облако точек, которое служит заготовкой для моделирования твердого тела. По возможности сканируются обе ноги — здоровая и поврежденная.
Линейка 3D-сканеров EinScan Pro сканирует человеческую ногу за несколько секунд.
Последние технологии позволяют снимать мерки с протеза удаленно. По ним разрабатывают накладки с точностью 99%.
После сканирования данные обрабатываются и настраиваются для 3D-печати.
3D-моделирование
3D-прототип протеза создается по размерам и форме здоровой ноги. Этот этап трудоемок. Задача — из двух облаков точек, полученных после сканирования здоровой и травмированной ног, создать 3D-модель, учитывающую все пожелания клиента. Если нога одна, то после сканирования создают файл дизайна, сделав зеркальное отражение здоровой ноги.
Решение:
- твердотельное 3D-моделирование обеих ног в программном комплексе САПР для разработки изделий SolidWorks;
- модель здоровой конечности отзеркаливается, делаются поправки на высоту;
- от отзеркаленной ноги вычитается объемная модель поврежденной ноги, с учетом допусков для дыхания кожи.
Если данные были получены с 3D-сканера EinScan-Pro, они экспортируются в Geomagic Essentials — программное обеспечение для переноса замеров сканирования на платформу CAD. Обработка ведется в программе Solid Edge, которая предназначена для обратного проектирования 3D-сканов.
3D-модель будущего протеза отправляется заказчику вместе с библиотекой шаблонов. Выбранный шаблон станет основой для покрытия, обтекающего протеза.
Разработать и создать 3D-модель креплений для протеза можно в программе SolidWorks, а затем интегрировать в основную 3D-модель.
3D-печать
После того как дизайнер и заказчик согласуют дизайн, окончательный файл в цифровом виде отправляется в печать.
Это завершающая стадия. Белый пластик PA 2200, он же полиамид, — идеален для протеза, который будет использоваться часто, так как он легкий и прочный.
При производстве протезов из полиамида используется технология выборочного лазерного спекания, при которой лазер наращивает объемную модель в нужных местах.
После примерки протеза анализируются:
- как работают крепления;
- сел ли корпус по ноге;
- нужна ли прослойка между культей и протезом, так как конечность потеет;
- шероховатость текстуры материала.
Первый прототип полностью печатается на 3D–принтере, а затем выполняется постобработка, чтобы протез выглядел завершенным.
Разработка концепции дизайна оболочек протезов, 3D-печать
Контур-каверы
Изготавливают по снятым меркам, вес ≈ 400 г.
При разработке важно:
- изучить конструкцию протеза;
- продумать, как закрепить контур-кавер, чтобы он ни за что не цеплялся и не мешал искусственной конечности сгибаться;
- проследить, чтобы часть, имитирующая икроножную мышцу, не находилась низко, так как это смотрится неестественно.
Концепция: носите протезы как модную одежду, меняйте как часы и сотовые телефоны.
Такой чехол визуально делает протез ноги стильным аксессуаром, похожим на современный гаджет.
В моделях, где наносится графика, применяют особую фольгу. Поверхность часто делают сетчатой для вентиляции.
Благодаря эстетическому покрытию, которое надевается на протез и формирует форму ноги, можно носить платье и узкие джинсы. Изготовлено четыре конструкции сердечника: ребристый, сплошной, с ромбовидными и цилиндрическими отверстиями.
Фишка: вместо жидкой смолы применяют пластиковый порошок, сплавленный лазером. Это делает материал прочным.
Протез ноги Art4Leg
Концепция Art4Leg — красивые и кастомизированные оболочки.
Фишка: чехол крепится к протезу ноги сильными магнитами, поэтому его можно фиксировать или снимать за несколько секунд. Магниты плотно удерживают переднюю и заднюю панели.
Протез ноги Alleles Design Studio
Канадская студия Alleles Design Studio разработала коллекцию накладок для протезов ног, которые восстанавливают силуэт человека. У этих чехлов естественная форма. Узоры и цвета подбирают сочетающимися с одеждой.
Необычные протезы ног, 3D-печать
Накладки превращают протез в нечто удивительное не только с помощью узоров, графики и татуировок, но и за счет материалов — это может быть кожа, баллистическая нейлоновая ткань и хромирование.
Цель дизайнера — придать протезу уникальность. Стили — от средневекового до высоких технологий.
Корпус изготовлен из нейлона и смолы. Чтобы создать каркас, который легко надевается, дизайнеры работают с 3D-сканами.
Читайте также: Почему бионические протезы ног интересней механических: промышленный дизайн
Создание протезов ног: примеры
Протез ноги фирмы Bespoke Innovations, 3D-печать
Цель разработки — соединить надежную конструкцию и пользовательский дизайн.
Промышленный дизайнер Скотт Саммит печатает красивые протезы на 3D-принтере.
Точная графическая модель протеза создается на программном обеспечении для двухмерных и трехмерных чертежей. Это GeoMagic — программа для перехода от 3D-скана к CAD-модели, а также Pro/Engineer Creo — полнофункциональная САПР для разработки виртуальных моделей.
Протез изготавливается с применением 3D Systems Selective Laser Sintering — технологии печати, при которой слои материала сплавляются в деталь лазером.
Нога была распечатана на основе сканирования здоровой ноги на противоположной стороне тела, а также дополнительных биометрических данных. У этой искусственной конечности один шарнир для колена, из-за чего сборка деталей более надежна.
Фишка: коленный стержень окружают 36 керамических подшипников, поэтому вся нога водонепроницаема.
Колено блокируется встроенным ременным тормозом. Материал протеза — Duraform EX Black, полиамид.
Протез стопы Upya, 3D-печать
3D-печатные детали можно собрать менее чем за пять минут, а также адаптировать под пациента. Материалы: армированный полиамид, стекловолокно, алюминий и пенополиуретан.
Дизайн протеза стопы основан на биомимикрии. Его цель — обеспечить комфортные ощущения при ходьбе. Набор лезвий, пружина и система амортизации имитирует сухожилия и мышцы, чтобы воспроизвести энергию и динамику человеческого шага.
В форме проявлены лодыжка, пятка и пальцы ног, которые затем можно заключить в кожух.
Экзопротез ноги, 3D-печать
Такая нога — альтернатива традиционному роботизированному протезу за счет технологий 3D-сканирования, моделирования и печати. Созданный титановый экзоскелет точно воспроизводит форму ампутированной конечности.
При помощи технологии FitSocket анализируются ткани ноги. Измерения проводятся с точностью до миллиметра.
3D-сетчатая модель протеза объединяется со стандартными механизмами внутри экзопротеза.
Чтобы персонализировать протезы, выполняют узоры из легкой, но прочной титановой сетки, цвет которой человек выбирает сам. Для уменьшения веса каркас полый, его можно покрыть силиконом.
Распечатанный как единый 3D-экзоскелет, протез сразу готов к сборке. С помощью соединителей, напечатанных на 3D-принтере, стандартные компоненты протеза вставляются в ногу и надежно крепятся.
Стильный протез ноги от Bespoke Innovations, 3D-печать
Стиль этого покрытия — черный кружевной узор спереди и блестящая хромированная спинка. Ноге возвращена естественная форма, а девушка может снова носить юбки и платья, а также менять разные обтекатели в зависимости от настроения, активности или одежды.
На 3D-принтере можно распечатывать трехмерные модели из пластика, гипса или металла. Полученный протез подойдет человеку по размерам, при этом будет удобным и красивым.
Читайте также: Бионический протез руки: промышленный дизайн для полноценной жизни
Вакуумная формовка протезов ног
При формовании накладка получается легче, прочнее и нуждается в меньшей обработке, чем при 3D-печати.
Технология: листовой пластик разогревается, затем вытягивается вокруг матрицы под воздействием всасывания, и в результате приобретает заданную форму.
При такой технологии накладки делают из листового пластика, а дополнительные детали и крепления распечатывают. Затем на обтекатель наносят краску и текстуру. Дизайн берут из каталога или разрабатывают под заказ, например, можно сделать подсветку.
Главный этап производства протезов ног при вакуумной формовке — это создать матрицу. Для этого фрезеруют заготовки из алюминия или из MDF-листов (Medium Density Fiberboard). Для уменьшения затрат матрицы печатают на 3D-принтере, а также создают линейку размеров.
Этапы производства:
- создание компьютерной модели протеза;
- наложение дизайна на 3D-модель;
- изготовление матрицы накладки;
- формовка и вырезание деталей из листового пластика;
- распечатка некоторых деталей на 3D-принтере;
- сборка готовой накладки.
Создание гильзы протеза ноги, 3D-печать
Для захвата культи пациента используется лазерный сканер и компьютерная томография. Данные DICOM с КТ преобразуются в 3D-структуру в программном обеспечении InVesalius, а затем сравниваются с данными, полученными от лазерного сканера. Файлы с расширением *.stl импортируются в программу САПР. Теперь можно начать проектирование, основанное на анатомических данных пациента.
Конструкция раструба тестируется с помощью FEM-анализа. Так можно убедиться в механической прочности гильзы, распечатанной на 3D-принтере, до того, как ее получит пациент.
После того как тесты завершены, гильза распечатывается на 3D-принтере, например, SLS HiQ. Затем гильза совмещается с полным протезом.
Такая гильза удобна с первой примерки — нужно отрегулировать единственный винт.
Для печати гильз также подойдет 3D-принтер Squirt Shape.
Итоги
3D-печать делает протезирование дешевле, а индивидуальную постобработку и настройку — легче и доступней. В простых случаях человек может распечатать искусственную конечность сам. Нужная модель грузится из интернета, а затем подгоняется под свои параметры.
3D-технологии позволяют создавать легкие, прочные и удобные корпуса, а также гильзы протезов ног, которые точно соответствуют замерам. Кроме накладок и гильз на 3D-принтере распечатывают дополнительные детали протеза: муфту, опору, всасывающую розетку, а также хорошо подогнанные вкладыши. Интересна конструкция вкладышей: две формы скользят, а силиконовый материал заполняет пустоты между ними. Это для тех, у кого нетипичная форма культи или чувствительная кожа.
Закажите протез в студии промышленного дизайна КЛОНА. Мы разработаем и создадим удобную, прочную и симпатичную искусственную конечность, которая будет помощником надолго.
