DEVELOPMENT OF DESIGN AND MANUFACTURING TECHNOLOGY OF ORTHOPEDIC INSOLES IN CAD-CAE-CAM SYSTEMS


Cite item

Full Text

Abstract

The paper proposes a method of designing individual orthopedic insoles, selected rational design and material of insoles. Designed in OrthoModel Model insoles in solid format, which was exported to the STL file format. Then, using the FreeCAD program, the STL format was exported to STEP, so that the resulting model was more adapted for further application and analysis. In the ANSYS environment, a finite element model of deformation of insoles was developed and the behavior of the insole arch material under different loads and combinations of EVA materials of different hardness was studied. Stresses and deformations of the insole arch during operation are obtained depending on the combination of the material and the geometric parameters of the foot, which are confirmed by the results of experimental studies. The calculated values of deformation of insoles are taken into account in the subsequent programming of processing insoles on CNC machines. Having a 3D model of the insole, it can be made not only on the CNC machine, but also printed on a 3D printer. The cost of production of individual orthopedic insoles is calculated, which showed that the proposed technology is quite competitive.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ Ортопедические стельки из этиленвинилацетата (ЭВА) эксплуатируются в сложных динамических условиях, стопа совершает разнообразные движения при стоянии, ходьбе, беге с различной амплитудой и частотой [1-3]. Процесс эксплуатации ортеза сопровождается сложным комплексом повторных механических действий между стопой, стелькой и обувью [4, 5]. Применение метода конечных элементов (МКЭ) позволяет определить деформацию материала и ортеза, граничные давления в ступне и распределение нагрузок при эксплуатации. В работе [8, 9] были проведены сравнительные исследования контактного давления ноги на объемную и плоскую модель стельки с учетом нелинейных свойств материалов. Анализ конечно-элементной модели показал, что использование ортопедических стелек с полноконтактным сводом снижают контактные давления за счет перераспределения нагрузки. Упругие свойства и недостаточная жесткость стельки из материала ЭВА, не позволяют реализовать изготовление индивидуальных стелек с учетом веса пациента [ 10, 11]. В связи с этими возникает проблема разработки конструкции ортопедической стельки и определение величины прогиба (перемещения) свода для пациентов различного веса, влияющих на технологию изготовления стелек. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Цель данной работы: разработка конструкции и технологии изготовления индивидуальных ортопедических стелек на основе трехмерной модели стелек с использованием компьютерных технологий, повышение производительности и сокращения сроков технологической подготовки производства. Для выполнения поставленной цели поставлены следующие задачи: 1. Разработать конечно-элементную модель в программе ANSYS. Исследовать деформацию модели стельки при различной силе нагружения и комбинации материалов. 2. На основе CAE- анализа разработать модель индивидуальной ортопедической стельки. 3. Разработать технологию изготовления стелек, рассчитать затраты на технологическую подготовку производства и определить себестоимость изготовления индивидуальных ортезов. МЕТОД РЕШЕНИЯ Для исследования деформации стельки, воспроизведем поведение свойств материала образцов в программе ANSYS на образцах. Для наших экспериментов был выбран материал образцов - этиленвинилацетат с двумя видами твердости по Шору: 50+3 и 70+3. Из ЭВА были собраны образцы, с двумя комбинациями по твердости по Шору: 70 и 50 (образец №1) и 50 и 70 (образец №2) . Высота одного слоя 10+1 мм, общая высота образцов 20+2 мм. Исследование на сжатие образцов проводилось на испытательной машине Instron 5988 Bluehill 3 с программным обеспечением - Bluehill 3 Testing Software при комнатной температуре, в соответствии ГОСТ 269-66 [16, 17, 18] со следующими режимами: скорость нагружения - 0,1 мм/сек, прилагаемое усилие - 300 Н . На рис. 1 показаны кривые деформации образцов при статической нагрузке 150 Н. Исследованиями установлено, что деформация образца №1 составила около 2,73 мм , а образца №2 почти 6,32 мм . Кроме этого, определена нагрузка (до 30 Н), при которой данный материал ведет себя по закону линейной упругости. Это позволит использовать данные о материалах для дальнейшего анализа конструкции стельки. Основным свойством любой индивидуальной ортопедической стельки является перераспределения давления на стопу за счет 2 факторов: эластичных свойств материала (амортизация) и геометрических параметров стельки. Известно [8], что материал ортеза при ходьбе испытывает нагрузки, как на сжатие, так и на удар, что приводит к деформации стельки и изменению его геометрии, особенно элемента, поддерживающего продольный свод. Важным параметром исследования деформации стельки является определение максимальной силы нагружения стопы [9]. Автор предложил проводить на пациентах клинический тест «сопротивление супинации», который позволяет получить количественную оценку силы действующей на свод, сохраняя свод стопы в нейтральном (корригированное) положении. Этот параметр может отличаться для правой и левой ноги, поэтому средняя сила может варьироваться от 60 до 300 Н . МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ СТЕЛЕК Для создания конечно-элементной модели стельки в ANSYS нужно выполнить ряд действий. Спроектированную в OrthoModel модель стельки экспортируем в формат файла STL. Далее с помощью программы FreeCAD формат STL экспортируем в STEP, т.к. ANSYS более адаптирован для твердотельного формата [ 10, 11]. Подгружаем в созданный ранее проект геометрию, задаем ей материал первого образца. Далее разбиваем модель на сетку размером 4 мм. На поверхность свода задаем силу нагружения 300 Н. По нижней поверхности модели стельки задаем опору. Ограничиваем перемещение модели по осям Z и Y. Результаты нагружения свода стельки из материала соответствующего образцу №1 и №2 показывают , что для образца №1 максимальная деформация составила 1,06мм, а для №2 - 1,52 мм.. Результаты исследования деформаций образцов из комбинированных материалов приведены в таблице №1. Полученные результаты позволяют уточнить конструкции стелек в зависимости от материала и нагрузки на свод стопы. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕЛЕК Разработана технология изготовления стелек на фрезерном станке с ЧПУ в программе OrthoMill ( таблица 2). В данной работе была рассчитана себестоимости услуг по проектированию и изготовлению одной пары индивидуальных стелек по методики [12, 13]. Все расчёты выполнялись с использованием программы EXCEL. Установлено, что штучное время изготовления 1 пары индивидуальных стелек составило 0,9 ч., а с учетом стоимости работы 1 часа работы станка в 2111,38 руб. себестоимость обработки с учетом НДС составит 2 300,00 руб. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполнен анализ и проведены испытания на сжатие образцов материала на основе этиленвинилацетата для изготовления индивидуальных ортопедических стелек. Разработана конечно-элементная модель в программе ANSYS для исследования деформации стелек, что позволит учитывать в конструкции ортезов необходимые нагрузки на свод пациента в процессе эксплуатации. Разработана технология изготовления стелек на станках с ЧПУ. Рассчитана себестоимость услуг по проектированию и изготовлению одной пары индивидуальных стелек. Суммарная цена на одну пару индивидуальных стелек составляет 2600 руб. Прибыль по минимально назначенной цене 5,6 %. Рис. 1. Кривые деформирования образца №1 и образца №2 Таблица 1. Деформация свода в зависимости от силы нагружения Таблица 2. Проектирование маршрута обработки стельки в OrthoMill
×

About the authors

Nikolay Vasil'evich Nosov

Samara State Technical University

Email: nosov.nv@samgtu.ru
Doctor of Technics, Professor of the Department «Engineering Technology, Machine Tools and Tools»

Alexandra Pavlovna Zyabochkina

Samara State Technical University

Email: alya_vanilla@mail.ru
Post-graduate student Samara State Technical University

Almir Rafaelevich Nigmatullin

Samara State Technical University

Email: nigmatullin.ar@samgtu.ru
Director of the Development and Production Center «Perspective»

References

  1. Борисов В.В., Клинико-экспериментальное исследование материала для изготовления защитных зубных шин на основе этиленвинилацетата методом термоформирования : автореферат дисс.. канд. мед. наук / В. В. Борисов ; рук. работы А. В. Севбитов; Первый МГМУ им. И. М. Сеченова МЗ РФ. - М., 2017. - 24 с.
  2. ГОСТ 269-66, Резина. Общие требования к проведению физикомеханических испытаний - М.: Издательство стандартов, 1993. - 11 c.
  3. Wu, L. Nonlinear finite element analysis for musculoskeletal biomechanics of medial and lateral plantar longitudinal arch of Virtual Chinese Human after plantar ligamentous structure failures // Clinical Biomechanics. - 2007, Vol. 22. - P. 221-229.
  4. Cheung, J,T., Zhang, M., Leung, A.K., Fan, Y.B. Three-dimensional finite element analysis of the foot during standing-a material sensitivity study // J. Biomech. - 2005, Vol. 38. - Р. 1045-1054.
  5. George J. J., Bhowmick Anil K. Influence of matrix polarity on the properties of ethylene vinyl acetate-Carbon Nanofiller Nanocomposites // Nanoscale Research Letters - 2009, Vol. 4. - P. 655-664.
  6. Sasikala1 A., Kala1 A. Thermal stability and mechanical strength analysis of EVA and blend of EVA with natural rubber // Materials today: Proceedings - 2018. - Vol. 5. - P. 8862-8867.
  7. Yasuhiro Shimazaki, Shigeru Nozu, Takahiro Inoue. Shock-absorption properties of functionally graded EVA laminates for footwear design // Polymer Testing. - 2016. - Vol. 54. - P. 98-103.
  8. Zahari Taha1, Muhammad Syukur Norman, Syed Faris Syed Omar, Edin Suwarganda. A finite element analysis of a human foot model to simulate neutral standing on ground // Procedia Engineering - 2016. - Vol. 147. - P. 240-245.
  9. Cheung J. T.-M., Zhang M. Parametric design of pressure-relieving foot orthosis using statistics-based finite element method // Medical Engineering & Physics. - 2008. - Vol. 30. - P. 269-277.
  10. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах. - М.: КомпьютерПресс, 2002 - 224 с.
  11. Roy KJ. Force, pressure, and motion measurements in the foot: current concepts // Clin Podiatr Med Surg. - Jul 1988. - Vol. 5(3). - P. 491-508.
  12. Косилова А.Г., Мещеряков Р.П. Справочник технолога-машиностроителя. Т.2/ А.Г. Косилова Р.П. Мещеряков. - М.: Машиностроение, 1986. - С. 496.
  13. Мельник, Е.А. Экономика предприятия: Учебник для бакалавров / Е.А. Мельник - Москва: Издательство Юрайт, 2013. - С. 86.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2020 Nosov N.V., Zyabochkina A.P., Nigmatullin A.R.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies