适用于糖尿病足鞋垫的热塑性聚氨酯熔融成型工艺与压缩性能关系的研究

【作者】 汤磊； 王玲； 李涤尘； 包宛男； 贺健康； 连芩； 刘朝宗；

【机构】 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室； John Scale Centre for Biomedical Engineering University College London Royal National Orthppaedic Hospital Stanmore；

【摘要】 糖尿病足是一种高发的糖尿病并发症,患者足部神经病变和血液不流畅,导致足部局部受力过大,进而引发溃烂,严重时患者需截肢。通过穿戴糖尿病足鞋垫可有效预防糖尿病足的发生,使溃疡的复发几率降低60%-85%。然而,现有糖尿病足鞋垫的制造成本较高,是糖尿病足鞋垫的推广普及的重要阻力。而熔融沉积成形技术(FDM)以其快捷和低成本的特点为解决上述问题提供了一种新思路。针对于糖尿病足鞋垫材料柔性低模量的性能需求,本研究采用低成本FDM打印方式和柔性热塑性聚氨酯(TPU)材料,研究了TPU丝材的FDM工艺参数与其成型试样机械性能的关联。以试样的压缩弹性模量、回弹率以及收缩率作为评价指标,对FDM工艺参数(打印温度、分层厚度、打印速度、打印路径角度以及填充率)进行研究,并通过三因素水平正交试验探究打印温度、分层厚度以及打印速度对试样压缩性能的影响,优化得出压缩模量较低的三种工艺参数的最佳组合。结果表明,压缩弹性模量随着分层厚度的增加而减小,且当分层厚度大于0.2mm后,压缩弹性模量的减小趋于平缓;当分层厚度增大时,回弹率有所降低;且无论是在径向,还是轴向上,试样的收缩率均随着分层厚度的增大而逐渐增大。随着打印速度的增加,试样径向上的收缩率增大;轴向上的收缩率变化不明显;当打印速度大于25mm/s时,压缩弹性模量呈下降趋势,而小于25mm/s时,呈上升趋势,且涨幅较小。单角度打印(如0°、45°、90°)试样的压缩弹性模量略低于双角度交叉打印(如0°/90°、±45°)试样。随着填充率的降低,试样的各项力学性能都会随之降低。各因素对压缩弹性模量影响水平的重要性为:分层厚度t>打印速度v>打印温度T0。通过正交试验对工艺参数的优化,得出最佳打印工艺为打印速度15mm/s、分层厚度0.2mm、打印温度230℃,试样的压缩弹性模量可降低至24.78MPa。更多还原