3D打印和数值模拟技术在足底矫形器中的应用研究
发布时间：2021-11-28 03:57
随着医疗技术和3D打印技术的不断成熟,尤其是医学与工程学的不断交叉与创新,对人体足部的保护已从以往简单而单一的平面型鞋垫逐渐向着具有特殊功能的足底矫形器发展。本文借助3D打印技术在个性化和异形结构制造方面的强大优势,设计并制造具有蜂窝结构和全贴合式足弓支撑结构的足底矫形器,在结构设计层面上发挥足底矫形器对人体足部的减震减压作用。基于步态分析仪输出的人体足底压力图像,对图像进行特征提取获得大压力区域的边缘轮廓,提出基于曲率特征的曲线平滑处理算法,并实现足底压力区域轮廓的个性化建模;结合目前成熟的蜂窝结构理论和有限元分析技术,总结出基于结构势能最小的有限元分析方法,确定刚度最大化的设计目标,通过三维建模和数值模拟分析技术,对蜂窝式足底垫片进行结构优化设计;因为足弓支撑和全贴合式结构有利于减小足底峰值压力,所以将全贴合式足弓支撑结构引入对足底矫形器的设计中。基于蜂窝结构和足弓支撑结构的全贴合设计,具有缓冲减震和提供支撑的作用。缓冲减震的功能可以通过基于TPU材料的3D打印蜂窝足底垫片达到,提供支撑的功能可以通过具有足弓支撑结构的全贴合式足底垫片实现。本文建立具有图像特征提取、三维建模、数值模...
【文章来源】：北京工业大学北京市 211工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人体足部模型
图 1-2 FDM 的工作原理Figure 1-2 The working principle of FDM）选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术，其末材料在激光高温辐射下易烧结。具体工作过程如下：首先，材料的铺垫，通过设备内部的恒温设施将粉末加热至恰好低于一温度；计算机通过定位装置实现光源的精确定位（SLS 利用）；然后红外激光束辐射在粉层上，使粉末温度升至熔化点之并与下面已成形的部分实现黏结；接下来，打印平台下降一个系统为打印平台铺上新的粉末材料，激光束再次进行辐射并烧，实现整个三维实体的打印成型，如图 1-3 所示。本文使用 S打印全贴合式足弓支撑的足底垫片，采用的材料为尼龙（Ny，因为尼龙材料具有无毒害、质量轻便、机械强度优异、耐磨，故适合足底垫片的制造。
图 1-2 FDM 的工作原理Figure 1-2 The working principle of FDM（2）选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术，其基本理为粉末材料在激光高温辐射下易烧结。具体工作过程如下：首先，借助滚成粉末材料的铺垫，通过设备内部的恒温设施将粉末加热至恰好低于该粉末点的某一温度；计算机通过定位装置实现光源的精确定位（SLS 利用红外激结粉末）；然后红外激光束辐射在粉层上，使粉末温度升至熔化点之上实现，同时并与下面已成形的部分实现黏结；接下来，打印平台下降一个层厚的，铺粉系统为打印平台铺上新的粉末材料，激光束再次进行辐射并烧结粉层叠加，实现整个三维实体的打印成型，如图 1-3 所示。本文使用 SLS 型印技术打印全贴合式足弓支撑的足底垫片，采用的材料为尼龙（Nylon，聚）材料，因为尼龙材料具有无毒害、质量轻便、机械强度优异、耐磨性和耐性较好，故适合足底垫片的制造。
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于3D打印的热塑性聚氨酯弹性体[J]. 张兰波,王喆. 世界橡胶工业. 2017(11)
[2]基于拓扑优化技术的军用头盔内胆结构三维打印[J]. 姜缪文,闫健卓,陈继民. 兵工学报. 2017(09)
[3]3D打印参数对TPU制品力学性能的影响[J]. 迟百宏,马昊鹏,刘晓军,王成硕,焦志伟,杨卫民. 塑料. 2017(02)
[4]面向光固化3D打印技术的汽车车身整体化制造及层厚优化[J]. 闫健卓,姜缪文,陈继民,梁晨霄. 北京工业大学学报. 2017(04)
[5]基于插值细分的逼近细分法[J]. 檀结庆,童广悦,张莉. 计算机辅助设计与图形学学报. 2015(07)
[6]平衡足底压力及稳定步态在早期糖尿病足防治中的意义[J]. 胡伊玢,孟晓静. 中国全科医学. 2013(22)
[7]基于蜂窝结构的传感器网络覆盖问题求解算法[J]. 陆克中,江钊,毛睿,刘刚,明仲. 计算机研究与发展. 2012(08)
[8]足部矫形器在下肢运动损伤中的应用[J]. 魏晨婧,曹学军. 中国康复理论与实践. 2010(01)
[9]图像纹理特征提取方法综述[J]. 刘丽,匡纲要. 中国图象图形学报. 2009(04)
[10]图像特征提取研究[J]. 翟俊海,赵文秀,王熙照. 河北大学学报(自然科学版). 2009(01)
博士论文
[1]矫形鞋垫对扁平足和内翻膝步态矫正效果的研究[D]. 廖苏.北京体育大学 2013
[2]蜂窝结构多功能优化设计[D]. 王博.大连理工大学 2007
[3]可重复使用运载器热防护系统性能分析研究[D]. 马忠辉.西北工业大学 2004
硕士论文
[1]碰撞吸能元件耐撞特性的数值研究[D]. 乔振.湖南大学 2012
[2]图像特征提取在逆向工程三维建模中的研究及应用[D]. 杨刚生.重庆大学 2012
[3]人体起动步态与停止步态生物力学研究[D]. 宋航.大连理工大学 2011
本文编号：3523657
【文章来源】：北京工业大学北京市 211工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人体足部模型
图 1-2 FDM 的工作原理Figure 1-2 The working principle of FDM）选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术，其末材料在激光高温辐射下易烧结。具体工作过程如下：首先，材料的铺垫，通过设备内部的恒温设施将粉末加热至恰好低于一温度；计算机通过定位装置实现光源的精确定位（SLS 利用）；然后红外激光束辐射在粉层上，使粉末温度升至熔化点之并与下面已成形的部分实现黏结；接下来，打印平台下降一个系统为打印平台铺上新的粉末材料，激光束再次进行辐射并烧，实现整个三维实体的打印成型，如图 1-3 所示。本文使用 S打印全贴合式足弓支撑的足底垫片，采用的材料为尼龙（Ny，因为尼龙材料具有无毒害、质量轻便、机械强度优异、耐磨，故适合足底垫片的制造。
图 1-2 FDM 的工作原理Figure 1-2 The working principle of FDM（2）选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术，其基本理为粉末材料在激光高温辐射下易烧结。具体工作过程如下：首先，借助滚成粉末材料的铺垫，通过设备内部的恒温设施将粉末加热至恰好低于该粉末点的某一温度；计算机通过定位装置实现光源的精确定位（SLS 利用红外激结粉末）；然后红外激光束辐射在粉层上，使粉末温度升至熔化点之上实现，同时并与下面已成形的部分实现黏结；接下来，打印平台下降一个层厚的，铺粉系统为打印平台铺上新的粉末材料，激光束再次进行辐射并烧结粉层叠加，实现整个三维实体的打印成型，如图 1-3 所示。本文使用 SLS 型印技术打印全贴合式足弓支撑的足底垫片，采用的材料为尼龙（Nylon，聚）材料，因为尼龙材料具有无毒害、质量轻便、机械强度优异、耐磨性和耐性较好，故适合足底垫片的制造。
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于3D打印的热塑性聚氨酯弹性体[J]. 张兰波,王喆. 世界橡胶工业. 2017(11)
[2]基于拓扑优化技术的军用头盔内胆结构三维打印[J]. 姜缪文,闫健卓,陈继民. 兵工学报. 2017(09)
[3]3D打印参数对TPU制品力学性能的影响[J]. 迟百宏,马昊鹏,刘晓军,王成硕,焦志伟,杨卫民. 塑料. 2017(02)
[4]面向光固化3D打印技术的汽车车身整体化制造及层厚优化[J]. 闫健卓,姜缪文,陈继民,梁晨霄. 北京工业大学学报. 2017(04)
[5]基于插值细分的逼近细分法[J]. 檀结庆,童广悦,张莉. 计算机辅助设计与图形学学报. 2015(07)
[6]平衡足底压力及稳定步态在早期糖尿病足防治中的意义[J]. 胡伊玢,孟晓静. 中国全科医学. 2013(22)
[7]基于蜂窝结构的传感器网络覆盖问题求解算法[J]. 陆克中,江钊,毛睿,刘刚,明仲. 计算机研究与发展. 2012(08)
[8]足部矫形器在下肢运动损伤中的应用[J]. 魏晨婧,曹学军. 中国康复理论与实践. 2010(01)
[9]图像纹理特征提取方法综述[J]. 刘丽,匡纲要. 中国图象图形学报. 2009(04)
[10]图像特征提取研究[J]. 翟俊海,赵文秀,王熙照. 河北大学学报(自然科学版). 2009(01)
博士论文
[1]矫形鞋垫对扁平足和内翻膝步态矫正效果的研究[D]. 廖苏.北京体育大学 2013
[2]蜂窝结构多功能优化设计[D]. 王博.大连理工大学 2007
[3]可重复使用运载器热防护系统性能分析研究[D]. 马忠辉.西北工业大学 2004
硕士论文
[1]碰撞吸能元件耐撞特性的数值研究[D]. 乔振.湖南大学 2012
[2]图像特征提取在逆向工程三维建模中的研究及应用[D]. 杨刚生.重庆大学 2012
[3]人体起动步态与停止步态生物力学研究[D]. 宋航.大连理工大学 2011
本文编号：3523657
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