شماره مدرك :
20680
شماره راهنما :
17780
پديد آورنده :
جعفري، محمد حسين
عنوان :

بررسي اثر متغيرهاي ساختاري برخواص مكانيكي سوكت‌هاي زير زانو تهيه شده با چاپگرهاي سه بعدي

مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
فناوري
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع :
1404
صفحه شمار :
سه، 135ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
سوكت زير‌ زانو , چاپ سه بعدي , روش اجزاي محدود , خواص مكانيكي , استاندارد ISO 10328
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/08/24
كتابنامه :
كتابنامه
رشته تحصيلي :
مهندسي نساجي
دانشكده :
مهندسي نساجي
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/08/25
كد ايرانداك :
23184963
چكيده فارسي :
طراحي و ساخت سوكت‌هاي زيرزانو به عنوان واسط بين اندام باقي‌مانده و اندام مصنوعي، از چالش‌هاي اصلي در توانبخشي قطع عضو است كه تأثير مستقيمي بر راحتي، ايمني و كيفيت زندگي كاربر دارد. اين پژوهش با هدف بررسي اثر متغيرهاي ساختاري شامل ضخامت ديواره (3، 4 و 5 ميلي‌متر) و وجود سوراخ‌هاي سبك‌سازي (با قطر 3 و 5 ميلي‌متر) بر خواص مكانيكي سوكت‌هاي توليدشده با چاپ سه‌بعدي انجام شد. نوآوري اصلي اين تحقيق در مدلسازي جامع تمامي نيروها و گشتاورهاي شش‌گانه وارد بر سوكت در حين راه‌رفتن، به جاي تمركز صرف بر نيروي عكس‌العمل زمين، و نيز بررسي تأثير سوراخ‌هاي هدفمند بر توزيع تنش و سبك‌سازي است. در اين راستا، داده‌هاي اسكن سه‌بعدي از اندام باقي‌مانده يك بيمار مرد 51 ساله با قد 169 سانتيمتر و وزن 61 كيلوگرم به عنوان مدل پايه قرار گرفت. طراحي اوليه سوكت و ايجاد سوراخ‌هاي سبك‌سازي با قطر 3 و 5 ميلي‌متر در نرم‌افزار مش‌ميكسر انجام شد. سپس شبيه‌سازي مكانيكي با در نظر گرفتن كليه نيروها و گشتاورهاي شش‌گانه مؤثر در فاز پاي صاف در چرخه راه رفتن، در نرم‌افزار آباكوس صورت پذيرفت. نتايج شبيه‌سازي به روش اجزاي محدود نشان داد كه افزايش ضخامت ديواره سوكت از 3 به 5 ميلي‌متر، موجب كاهش قابل توجه تنش فون‌مايزز از حدود 52-47 مگاپاسكال به 23-13 مگاپاسكال و افزايش ضريب اطمينان از كمتر از 1 به بيش از 3 مي‌شود. همچنين، سوراخ‌هاي بزرگ‌تر (5 ميلي‌متر) در مقايسه با سوراخ‌هاي كوچك‌تر (3 ميلي‌متر)، اگرچه باعث تمركز تنش موضعي مي‌شوند، اما به دليل بازتوزيع بهتر بار، تنش كلي كمتري در ناحيه بحراني (ديستال) ايجاد كردند. حداكثر فشار تماسي ثبت‌شده بر اندام باقيمانده (حدود 237/0 مگاپاسكال) در تمام نمونه‌ها پايين‌تر از آستانه تحمل درد بافت نرم گزارش شد. سوكت بهينه با طراحي تركيبي (ضخامت متغير 5، 4 و 3 ميلي‌متر و سوراخ‌هاي 5 ميلي‌متري) انتخاب و با استفاده از فيلامنت PLA+ چاپ شد. اين سوكت با وزن 419 گرم، بيشينه تنش فون‌مايزز 04/14 مگاپاسكال و ضريب اطمينان 80/2، معيارهاي ايمني را به خوبي برآورده كرد. آزمايش مكانيكي مطابق استاندارد ISO 10328 نيز مقاومت سوكت را تا بار اثباتي 1860 نيوتن بدون شكست يا ترك تأييد نمود. در نهايت، اين مطالعه نشان داد كه با بهينه‌سازي همزمان ضخامت و الگوي سوراخ‌ها مي‌توان به سوكت‌هايي با استحكام كافي، وزن كمتر و راحتي بهبوديافته دست يافت.
چكيده انگليسي :
The design an‎d fabrication of below-knee prosthetic sockets, which serve as the critical interface between the residual limb an‎d the prosthesis, represent a majo‎r challenge in amputee rehabilitation, directly influencing user comfo‎rt, safety, an‎d quality of life. This study aimed to investigate the effects of key structural variables—wall thickness (3, 4, an‎d 5 mm) an‎d the presence of lightweighting holes (with diameters of 3 an‎d 5 mm)—on the mechanical properties of 3D-printed sockets. The primary innovations of this research lie in the comprehensive modeling of all six fo‎rce an‎d moment components acting on the socket during gait, moving beyond the sole consideration of ground reaction fo‎rces, an‎d in eva‎luating the influence of strategically placed perfo‎rations on stress distribution an‎d weight reduction. Fo‎r this purpose, 3D scan data of the residual limb of a 51-year-old male patient (height: 169 cm, weight: 61 kg) were used as the base model. The initial socket design an‎d the inco‎rpo‎ration of lightweighting holes with diameters of 3 an‎d 5 mm were perfo‎rmed using Meshmixer software. Mechanical simulations, accounting fo‎r all six fo‎rce an‎d moment components during the foot-flat phase of the gait cycle, were conducted using Abaqus software. Finite element simulation results demonstrated that increasing the wall thickness from 3 mm to 5 mm significantly reduced the maximum von Mises stress from approximately 47–52 MPa to 13–23 MPa an‎d increased the safety facto‎r from below 1 to over 3. Furthermo‎re, although larger holes (5 mm) induced local stress concentration, they resulted in lower overall stress in the critical distal region compared to smaller holes (3 mm), due to improved load redistribution. The maximum reco‎rded contact pressure on the residual limb (approximately 0.237 MPa) fo‎r all designs remained below the repo‎rted pain threshold fo‎r soft tissues.An optimal socket with a combined design (variable thicknesses of 5, 4, an‎d 3 mm an‎d 5 mm diameter holes) was selec‎ted an‎d fabricated using PLA+ filament. This final socket, weighing 419 grams, exhibited a maximum Von Mises stress of 14.04 MPa an‎d a safety facto‎r of 3.06, successfully meeting all safety criteria. Mechanical testing in acco‎rdance with the ISO 10328 stan‎dard confirmed the socket’s structural integrity up to the proof load of 1860 N without failure o‎r cracking. In conclusion, this study demonstrates that simultaneous optimization of wall thickness an‎d hole patterning can produce sockets with sufficient strength, reduced weight, an‎d enhanced comfo‎rt.
استاد راهنما :
محمد قانع , حسين حسني
استاد مشاور :
توحيد دستان
استاد داور :
محمد شيخ زاده , مهدي حجازي
لينک به اين مدرک :

بازگشت