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

Sintesi Tecnica: Caratterizzazione e Progettazione di un Plantare Composito Stampato in 3D mediante Stampante 3D a Doppia Ugello utilizzando Filamenti CB-PLA e Fe-PLA

Problematica
Le attuali tecnologie di plantari intelligenti per il monitoraggio della pressione plantare e dei parametri del cammino si affidano spesso a sensori montati esternamente, componenti elettronici cablati o assemblaggi multistrato. Questi design convenzionali soffrono frequentemente di una ridotta comodità, un aumento della complessità strutturale e una suscettibilità al cedimento meccanico sotto carichi ripetuti. Sebbene la modellazione ad deposizione fusa (FDM) offra una via per geometrie complesse, la stampa tradizionale a singolo materiale limita l'integrazione funzionale. Inoltre, l'assemblaggio di componenti separati tramite adesivi o giunzioni meccaniche crea legami interfacciali deboli che compromettono la durata e le prestazioni. È necessario un sistema di plantari integrati in cui le funzionalità di rilevamento (elettriche e magnetiche) siano direttamente incorporate nel corpo strutturale per migliorare la robustezza e l'esperienza dell'utente.

Metodologia
Questo studio ha utilizzato una stampante 3D FDM a doppio ugello (Ultimaker S3) per fabbricare strutture composite e plantari intelligenti utilizzando tre tipi di filamenti di acido polilattico (PLA): PLA standard (guaina), PLA caricato con nero di carbonio (CB-PLA, nucleo conduttivo) e PLA caricato con ferro (Fe-PLA, nucleo magnetico).

La ricerca si è articolata in due fasi:

1. Fabbricazione di Strutture Composite: Gli autori hanno confrontato due strategie di fabbricazione:
   • Strutture Assemblate: La guaina e i componenti del nucleo sono stati stampati separatamente e uniti fisicamente dopo la stampa.
   • Strutture Integrate: I materiali della guina e del nucleo sono stati co-stampati simultaneamente in un unico processo continuo.
     I campioni sono stati creati con diametri del nucleo di 1,25, 2,50, 5,00, 7,50 e 10,00 mm, e uno spessore fisso di 5,00 mm.
2. Fabbricazione di Plantari Intelligenti: Sulla base delle prestazioni delle strutture composite, la strategia integrata è stata selezionata per la produzione dei plantari. I plantari sono stati progettati con sei regioni di rilevamento corrispondenti alle principali zone di pressione plantare (metatarsi, mesopiede, tallone). Questi sono stati fabbricati con diametri del nucleo di 2,50, 5,00, 7,50 e 10,00 mm, e spessori variabili di 1,00, 2,50 e 5,00 mm.

Caratterizzazione e Test
I campioni fabbricati sono stati valutati in base a:

• Efficienza di Stampa: Tempo di stampa effettivo e peso totale.
• Proprietà Elettriche: Caratteristiche corrente-tensione (I-V) misurate utilizzando un misuratore di sorgente (Keithley 2450) per valutare la conducibilità nelle strutture CB-PLA.
• Proprietà Magnetiche: Intensità del campo magnetico misurata utilizzando un gaussmetro (LANDTEK GS-100D2) per le strutture Fe-PLA.
• Proprietà Meccaniche: Resistenza alla compressione e comportamento di deformazione testati tramite una macchina di prova universale (Instron 5567), inclusa l'analisi delle curve sforzo-deformazione e le variazioni dimensionali post-compressione.

Risultati Chiave

• Efficienza di Fabbricazione: Le strutture assemblate hanno richiesto circa 1 minuto in meno di tempo di stampa rispetto alle strutture integrate a causa della fabbricazione separata dei componenti. Tuttavia, le strutture integrate sono risultate costantemente più leggere delle rispettive controparti assemblate.
• Conducibilità Elettrica: Solo le strutture PLA/CB-PLA hanno esibito conducibilità elettrica; le strutture PLA/Fe-PLA erano elettricamente isolanti. Nelle strutture integrate PLA/CB-PLA, le prestazioni elettriche sono migliorate con diametri del nucleo più grandi. La struttura integrata PLA/CB-PLA-10.00 (spessore 1,0 mm) ha raggiunto la corrente massima di 0,10 A a 24 V. I plantari più sottili hanno generalmente dimostrato una conducibilità maggiore.
• Intensità del Campo Magnetico: Le strutture PLA/Fe-PLA hanno generato campi magnetici, mentre le strutture PLA/CB-PLA hanno mostrato una risposta magnetica trascurabile. La forza magnetica aumentava con il diametro del nucleo e diminuiva con lo spessore del plantare a causa dell'attenuazione del flusso magnetico. Il plantare integrato PLA/Fe-PLA-10.00 (spessore 1,0 mm) ha raggiunto un'intensità di campo magnetico massima di 351 ± 8,84 Gs.
• Prestazioni Meccaniche: Le strutture integrate hanno dimostrato un'integrità meccanica superiore rispetto alle strutture assemblate. I campioni assemblati hanno esibito legami interfacciali deboli, portando a bruschi cali di tensione e curve sforzo-deformazione irregolari durante la compressione. Al contrario, le strutture integrate hanno mostrato curve S-S stabili, una maggiore capacità di carico (fino a 10,22 kN per la struttura integrata PLA/Fe-PLA-10.00) e una deformazione uniforme. Il legame continuo nel processo a doppio ugello ha facilitato un efficiente trasferimento degli sforzi e ridotto i vuoti interni.

Significatività e Rivendicazioni
Lo studio conclude che la stampa 3D FDM a doppio ugello di filamenti compositi a base di PLA offre un metodo pratico e scalabile per la produzione di plantari multifunzionali. La principale significatività risiede nel design integrato guaina-nucleo, che elimina la necessità di assemblaggio post-stampa e di legame adesivo, riducendo così la complessità strutturale e migliorando la durata meccanica.

Gli autori affermano che, controllando la dimensione del nucleo e lo spessore, è possibile personalizzare le proprietà elettriche e magnetiche dei plantari per specifiche applicazioni di rilevamento. L'approccio integrato combina con successo l'integrità strutturale con le capacità di rilevamento incorporate (elettrico per CB-PLA, magnetico per Fe-PLA), ponendo le basi per la ricerca futura in calzature indossabili completamente integrate per il monitoraggio del cammino e la riabilitazione, senza i limiti del montaggio di sensori esterni.