Characterization and Design of 3D Printed Composite Insole Fabricated by Dual-Nozzle 3D Printer Using CB-PLA and Fe-PLA Filaments

Technische Zusammenfassung: Charakterisierung und Design einer 3D-gedruckten Verbund-Einlegesohle, hergestellt mittels eines Dual-Nozzle-3D-Druckers unter Verwendung von CB-PLA- und Fe-PLA-Filamenten

Problemstellung
Bestehende intelligente Einlegesohlen-Technologien zur Überwachung des Plantar-Drucks und der Gangparameter verlassen sich häufig auf extern montierte Sensoren, kabelgebundene Elektronik oder mehrschichtige Baugruppen. Diese konventionellen Designs leiden häufig unter reduziertem Komfort, erhöhter struktureller Komplexität und einer Anfälligkeit für mechanisches Versagen unter wiederholter Belastung. Während die Fused Deposition Modeling (FDM) einen Weg für komplexe Geometrien bietet, begrenzt das traditionelle einmaterialige Drucken die funktionale Integration. Darüber hinaus führt die Montage separater Komponenten mittels Klebstoffen oder mechanischer Befestigungen zu schwachen Grenzflächenbindungen, welche die Haltbarkeit und Leistung beeinträchtigen. Es besteht ein Bedarf an integrierten Einlegesohlen-Systemen, bei denen die Sensorfunktionen (elektrisch und magnetisch) direkt in den strukturellen Körper eingebettet sind, um die Robustheit und das Nutzererlebnis zu verbessern.

Methodik
In dieser Studie wurde ein Dual-Nozzle-FDM-3D-Drucker (Ultimaker S3) verwendet, um Verbundstrukturen und intelligente Einlegesohlen unter Verwendung von drei Arten von Polylactid-Filamenten (PLA) herzustellen: Standard-PLA (Mantel), kohlenstoffschwarzgefülltes PLA (CB-PLA, leitfähiger Kern) und eisengefülltes PLA (Fe-PLA, magnetischer Kern).

Die Forschung verlief in zwei Phasen:

1. Fabrikation von Verbundstrukturen: Die Autoren verglichen zwei Fertigungsstrategien:
   • Montierte Strukturen: Mantel- und Kernkomponenten wurden separat gedruckt und nach dem Drucken physisch zusammengefügt.
   • Integrierte Strukturen: Mantel- und Kernmaterialien wurden gleichzeitig in einem kontinuierlichen Prozess ko-gedruckt.
     Proben wurden mit Kerndurchmessen von 1,25, 2,50, 5,00, 7,50 und 10,00 mm und einer festen Dicke von 5,00 mm erstellt.
2. Fabrikation intelligenter Einlegesohlen: Basierend auf der Leistungsfähigkeit der Verbundstrukturen wurde die integrierte Strategie für die Produktion der Einlegesohlen ausgewählt. Die Einlegesohlen wurden mit sechs Sensorregionen entworfen, die den primären Plantar-Druckzonen (Metatarsus, Mittelfuß, Ferse) entsprechen. Diese wurden mit Kerndurchmessen von 2,50, 5,00, 7,50 und 10,00 mm sowie variierenden Dicken von 1,00, 2,50 und 5,00 mm gefertigt.

Charakterisierung und Testung
Die hergestellten Proben wurden basierend auf folgenden Kriterien evaluiert:

• Druckeffizienz: Tatsächliche Druckzeit und Gesamtgewicht.
• Elektrische Eigenschaften: Strom-Spannungs-Kennlinien (I-V), gemessen mit einem Source-Meter (Keithley 2450), um die Leitfähigkeit in CB-PLA-Strukturen zu bewerten.
• Magnetische Eigenschaften: Magnetische Feldstärke, gemessen mit einem Gauss-Meter (LANDTEK GS-100D2) für Fe-PLA-Strukturen.
• Mechanische Eigenschaften: Druckfestigkeit und Deformationsverhalten, getestet mittels einer Universalprüfmaschine (Instron 5567), einschließlich der Analyse von Spannungs-Dehnungs-Kurven und post-kompressiven Dimensionsänderungen.

Wichtigste Ergebnisse

• Fertigungseffizienz: Montierte Strukturen benötigten etwa 1 Minute weniger Druckzeit als integrierte Strukturen, bedingt durch die separate Fertigung der Komponenten. Integrierte Strukturen waren jedoch konsistent leichter als ihre montierten Gegenstücke.
• Elektrische Leitfähigkeit: Nur PLA/CB-PLA-Strukturen wiesen eine elektrische Leitfähigkeit auf; PLA/Fe-PLA-Strukturen waren elektrisch isolierend. In integrierten PLA/CB-PLA-Strukturen verbesserte sich die elektrische Leistung mit größeren Kerndurchmessern. Die integrierte PLA/CB-PLA-10,00-Struktur (1,0 mm Dicke) erreichte den höchsten Strom von 0,10 A bei 24 V. Dünnere Einlegesohlen zeigten generell eine höhere Leitfähigkeit.
• Magnetische Feldstärke: PLA/Fe-PLA-Strukturen erzeugten Magnetfelder, während PLA/CB-PLA-Strukturen eine vernachlässigbare magnetische Reaktion zeigten. Die magnetische Stärke nahm mit dem Kerndurchmesser zu und sank mit der Dicke der Einlegesohle aufgrund der magnetischen Flussabschwächung. Die integrierte PLA/Fe-PLA-10,00 Einlegesohle (1,0 mm Dicke) erreichte eine maximale magnetische Feldstärke von 351 ± 8,84 Gs.
• Mechanische Leistung: Integrierte Strukturen zeigten eine überlegene mechanische Integrität im Vergleich zu montierten Strukturen. Montierte Proben wiesen schwache Grenzflächenbindungen auf, was zu plötzlichen Spannungsabfällen und unregelmäßigen Spannungs-Dehnungs-Kurven während der Kompression führte. Im Gegensatz dazu zeigten integrierte Strukturen stabile S-S-Kurven, eine höhere Tragfähigkeit (bis zu 10,22 kN für die integrierte PLA/Fe-PLA-10,00) und eine gleichmäßige Deformation. Die kontinuierliche Bindung im Dual-Nozzle-Prozess ermöglichte eine effiziente Spannungsübertragung und reduzierte interne Hohlräume.

Bedeutung und Ansprüche
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass der Dual-Nozzle-FDM-Druck von PLA-basierten Verbundfilamenten eine praktische und skalierbare Methode zur Herstellung multifunktionaler Einlegesohlen darstellt. Die primäre Bedeutung liegt im integrierten Mantel-Kern-Design, welches die Notwendigkeit einer Montage nach dem Druck sowie die Verwendung von Klebstoffen eliminiert, wodurch die strukturelle Komplexität reduziert und die mechanische Haltbarkeit verbessert wird.

Die Autoren behaupten, dass durch die Steuerung von Kerngröße und Dicke die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Einlegesohlen für spezifische Sensoranwendungen maßgeschneidert werden können. Der integrierte Ansatz kombelt erfolgreich strukturelle Integrität mit eingebetteten Sensorfunktionen (elektrisch für CB-PLA, magnetisch für Fe-PLA) und schafft damit eine Grundlage für zukünftige Forschung an voll integrierten, tragbaren Schuhen zur Gangüberwachung und Rehabilitation ohne die Einschränkungen einer externen Sensorbefestigung.