توصيفگر ها :
سوكت زير زانو , چاپ سه بعدي , روش اجزاي محدود , خواص مكانيكي , استاندارد ISO 10328
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.