Zastosowanie technologii druku 3D w komponentach poddawanych znacznym obciążeniom mechanicznym na przykładzie prototypu stopy protezowej do wspinaczki

• Autorzy: Warchoł Kamil , Szuba Monika , Kopeć Anna , Martowicz Adam , Bryła Jakub

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.7921

Warianty tytułu

EN

Application of 3D printing technology to the components subjected to significant mechanical loads, using the example of a prosthetic climbing foot prototype

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł opisuje wyniki badań, których celem była identyfikacja parametrów mechanicznych stopy protezowej przeznaczonej do wspinaczki ściankowej. Proteza została wykonana przy użyciu metody przyrostowej, w technologii FDM/MEX (ang. Fused Deposition Modelling/ Material Extrusion). na wstępnym etapie prac badawczych, w celu doboru materiału do produkcji elementu protetycznego, przeprowadzono testy jednoosiowego rozciągania oraz trzypunktowego zginania na próbkach wykonanych z sześciu różnych materiałów. na podstawie otrzymanych wyników zaprojektowano i wykonano z dwóch wyselekcjonowanych polimerów funkcjonalny prototyp stopy protezowej. Ostatecznym krokiem było poddanie protezy testowi cyklicznego zginania na dynamicznej maszynie wytrzymałościowej wyposażonej w autorski adapter. Funkcjonalność wykonanego komponentu została również potwierdzona na ściance wspinaczkowej w kontrolowanych warunkach użytkowania. Na podstawie badań eksperymentalnych i analiz ich wyników stwierdzono, że stworzona proteza spełnia założone zadanie i zapewnia większy komfort podczas wspinaczki niż proteza codziennego użytku, utrzymując jednocześnie niski koszt produkcji.

EN

The paper describes the results of a study aimed at identifying the mechanical parameters of a prosthetic foot designed for wall climbing. The prosthesis was manufactured with an additive method using FDM/MEX [Fused deposition modelling/ material Extrusion] technology. at the initial stage of the research, uniaxial tensile and three-point bending tests were carried out on specimens made of six different materials to select a material for the production of the prosthetic component. Based on the results, a functional prosthetic foot prototype was designed and fabricated from two selected polymers. The final step of the study was to subject the prosthesis to a cyclic bending test on a dynamic testing machine equipped with a newly-designed adapter. The functionality of the fabricated component was also confirmed on a climbing wall, under controlled conditions of use. Based on the tests and analysis conducted, it was concluded that the created prosthesis fulfills its purpose and provides more comfort during climbing than an everyday prosthesis, while keeping the production cost low.

Słowa kluczowe

PL

inżynieria mechaniczna; wytwarzanie przyrostowe; druk 3D; stopa protezowa; proteza; wspinaczka

EN

mechanical engineering; additive manufacturing; 3D printing; prosthetic foot; prosthesis; climbing

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 72, nr 4
• Strony: 121--142
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Warchoł Kamil

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Koło Naukowe „AGH Rapid Prototyping”

• https://orcid.org/0009-0002-9141-7452

autor

Szuba Monika

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Koło Naukowe „AGH Rapid Prototyping”

autor

Kopeć Anna

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Koło Naukowe „AGH Rapid Prototyping”

autor

Martowicz Adam

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

• https://orcid.org/0000-0001-9630-0355

autor

Bryła Jakub

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

• https://orcid.org/0000-0003-3047-498X

Bibliografia

• [1] Highsmith M. J., Kahle J. T., Fox J. L., Shaw K. L., Quillen W. S., Mengelkoch L. J., Metabolic Demands of Rock Climbing in Transfemoral Amputees, International Journal of Sports Medicine, 31, 1, 2010, 38-43, https://doi.org/10.1055/s-0029-1239562.
• [2] Huang X., Li X., Liu S., Li Y., Xu H., Pang W., Advance in Neural Control in Eccentric Exercise, Chin. J. Rehabil. Theory Pract., 27, 2021, 97-101.
• [3] Shi S., Pang W., Application Progress of Eccentric Exercise, Train. Rehabil., 24, 2018, 173-178.
• [4] Grant S., Hynes V., Whittaker A., Aitchison T., Anthropometric, Strength, Endurance and Flexibility Characteristics of Elite and Recreational Climbers, J. Sports Sci., 14, 1996, 301-309.
• [5] Heitkamp H.C., Worner C., Horstmann T., Sport Climbing with Adolescents: Effect on Spine Stabilising Muscle Strength, Sportverletz, Sportschaden, 19, 2005, 28-32.
• [6] Grant S., Hasler T., Davies C., Aitchison T. C., Wilson J., Whittaker A., A Comparison of the Anthropometric, Strength, Endurance and Flexibility Characteristics of Female Elite and Recreational Climbers and Non-climbers, J. Sports Sci, 19, 2001, 499-505.
• [7] Schöffl V. R., Hoffmann G., Küpper T., Acute Injury Risk and Severity in Indoor Climbing - A Prospective Analysis of Indoor Climbing Wall Visits in 5 Years, Wilderness Environ. med., 24, 2013, 187-194.
• [8] Aras D., Ewert A. W., The Effects of Eight Weeks Sport Rock Climbing Training on Anxiety, Acta Med. Mediterr, 32, 2016, 223-230.
• [9] ADK Rock Climbing Foot, mountain O&P Services, 2021, https://www.mountainoandp.com/adk-rock-climbing-foot [dostęp: 29.09.2023].
• [10] TRS Prosthetic - Z-axis Climbing Foot, https://www.trsprosthetics.com/wp-content/up-loads/2022/09/TRS-Catalog-2023-08-22_web.pdf [dostęp: 29.09.2023].
• [11] Klippa: Prosthetic leg for Rock Climbers, https://kailindesign.com/project/klippa-2-0 [dostęp: 29.09.2023].
• [12] Dizon J. R. C., Espera A. H. Jr., Chen Q., Advincula R. C., Mechanical Characterization of 3D-printed Polymers, additive manufacturing, 20, 2018, 44-67.
• [13] Gordelier T. J., Thies P. R., Turner L., Johanning L., Optimising the FDM Additive Manufacturing Proces to Achieve Maximum Tensile Strength: a State-of-the-art Review, Rapid Prototyping Journal, vol. 25, no. 6, 2019, 953-971.
• [14] Vyavahare X., Teraiya S., Panghal D., Kumar S., Fused Deposition Modeling: a Review, Rapid Prototyping Journal, 26, 1, 2020, 176-201.
• [15] Chacon J. M., Caminero M. A., Garcia-Plaza E., Nunez P. J., Additive Manufacturing of PLA Structures Using Fused Deposition Modeling: Effect of Process Parameters on Mechanical Properties and Their Optimal Selection, Materials & Design, 124, 2017, 143-157.
• [16] Gao X., Qi S., Kuang X., Su Y. et al., Fused Filament Fabrication of Polimer Materials: A Review of Interlayer Bond, Additive Manufacturing, vol. 37(5), 2021, 101658.
• [17] Bryła J., The Influence of the MEX Manufacturing Parameters on the Tensile Elastic Response of Printed Elements, Rapid Prototyping Journal, 27, 1, 2021,187-196.
• [18] Bryła J., Martowicz A., Study on the Importance of a Slicer Selection for the 3D Printing Process Parameters Via Investigation of G-code Readings, machines, 9, 8, 2021, 163.
• [19] Schnittker K., Arrieta E., Jimenez X., Espalin D. et al., Integrating Digital Image Correlation in Mechanical Testing for the Materials Characterization of Big Area Additive Manufacturing Feedstock, additive manufacturing, 26, 2019, 129-137.
• [20] Guessasma S., Nouri H., Belhabib S., Digital Image Correlation and Finite Element Computation to Reveal Mechanical Anisotropy in 3D Printing of Polymers, Materials, 15, 2022.
• [21] Warchoł K., Szuba M., Kopeć A., Bryła J., Martowicz A., Opracowanie i wykonanie w technologii druku 3D prototypu spersonalizowanej stopy protezowej z uwzględnieniem zagadnień materiałowych i wytrzymałościowych, [w:] P. Bogacz (red.), Artykuły laureatów 63. Barbórkowej Konferencji Studenckich Kół Naukowych AGH, Kraków 2023, 211-220.
• [22] norma EN ISO 527-2:2012: Plastics - Determination of Tensile Properties. Part 2: Test Conditions for Molding and Extrusion Plastics.
• [23] Norma ISO 178:1975: Plastics - Determination of Flexural Properties of Rigid Plastics.