ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ОРТОПЕДИЧЕСКИХ СТЕЛЕК С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Полный текст

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

Об авторах

Николай Васильевич Носов

Самарский государский технический университет

Email: nosov.nv@samgtu.ru
доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты»

Александра Павловна Зябочкина

Самарский государский технический университет

Email: alya_vanilla@mail.ru
аспирант кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты»

Альмир Рафаэлевич Нигматуллин

Самарский государский технический университет

Email: nigmatullin.ar@samgtu.ru
директор Центра разработки и производства «Перспектива»

Список литературы

Дополнительные файлы