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

技術要約：デュアルノズル3Dプリンターを用いたCB-PLAおよびFe-PLAフィラメントによる3Dプリント複合インソールの特性評価と設計

問題提起
足底圧や歩行パラメータをモニタリングするための既存のスマートインソール技術は、外部に取り付けられたセンサー、有線電子機器、または多層構造のアセンブリに依存していることが多い。これらの従来の設計は、快適性の低下、構造の複雑化、および繰り返しの荷重下での機械的故障への脆弱性を頻繁に引き起こす。熱溶解積層法（FDM）は複雑な形状への経路を提供するが、従来の単一材料による印刷では機能的な統合が制限される。さらに、接着剤や機械的な締結具を介して別々のコンポーネクションを組み立てることは、耐久性と性能を損なう弱い界面結合を生み出す。構造的な堅牢性とユーザー体験を向上させるために、センシング機能（電気的および磁気的）を構造体の中に直接埋め込んだ、統合型のインソールシステムが必要とされている。

手法
本研究では、デュアルノズルFDM 3Dプリンター（Ultimaker S3）を使用し、3種類のポリ乳酸（PLA）フィラメント（標準的なPLA［シース］、カーボンブラック充填PLA［CB-PLA、導電性コア］、および鉄充填PLA［Fe-PLA、磁性コア］）を用いて、複合構造体およびスマートインソールを製作した。

研究は以下の2つのフェーズで進行した：

1. 複合構造体の製作： 著者らは2つの製作戦略を比較した：
   • 組立構造（Assembled Structures）： シース成分とコア成分を個別に印刷し、印刷後に物理的に結合させたもの。
   • 統合構造（Integrated Structures）： シース材料とコア材料を、単一の連続したプロセス内で同時に共印刷したもの。
     サンプルは、コア径1.25、2.50、5.00、7.50、10.00 mm、および固定厚さ5.00 mmで作成された。
2. スマートインソールの製作： 複合構造体の性能に基づき、インソール製作には統合戦略が選択された。インソールは、主要な足底圧ゾーン（中足骨、中足部、踵）に対応する6つのセンシング領域を持つように設計された。これらは、コア径2.50、5.00、7.50、10.00 mm、および変動する厚さ1.00、2.50、5.00 mmで製作された。

特性評価および試験
製作されたサンプルは、以下の項目に基づいて評価された：

• 印刷効率： 実際の印刷時間および総重量。
• 電気的特性： CB-PLA構造の導電性を評価するために、ソースメーター（Keithley 2450）を用いて測定された電流－電圧（I-V）特性。
• 磁気的特性： Fe-PLA構造の磁場強度をガウスメーター（LANDTEK GS-100D2）を用いて測定。
• 機械的特性： 万能試験機（Instron 5567）を介した圧縮強度および変形挙動の試験。これには、応力－ひずみ曲線および圧縮後の寸法変化の分析が含まれる。

主な結果

• 製作効率： 組立構造は、コンポーネントの個別製作により、統合構造よりも印刷時間が約1分短かった。しかし、統合構造は組立構造よりも一貫して軽量であった。
• 電気導電性： PLA/CB-PLA構造のみが電気伝導性を示した。PLA/Fe-PLA構造は電気絶縁体であった。統合型PLA/CB-PLA構造において、電気的性能はコア径が大きくなるにつれて向上した。統合型PLA/CB-PLA-10.00構造（厚さ1.0 mm）は、24 Vにおいて0.10 Aという最高の電流値に達した。薄いインソールは一般に高い導電性を示した。
• 磁場強度： PLA/Fe-PLA構造は磁場を発生させたが、PLA/CB-PLA構造は無視できる程度の磁気応答しか示さなかった。磁気強度はコア径とともに増加し、磁束の減衰によりインソールの厚さとともに減少した。統合型PLA/Fe-PLA-10.00インソール（厚さ1.0 mm）は、351 ± 8.84 Gsの最大磁場強度を達成した。
• 機械的性能： 統合構造は、組立構造と比較して優れた機械的完全性を示した。組立サンプルは界面結合が弱く、圧縮中の急激な応力の低下や不規則な応力－ひずみ曲線を示した。対照的に、統合構造は安定したS-S曲線、高い荷重支持能力（統合型PLA/Fe-PLA-10.00で最大10.22 kN）、および均一な変形を示した。デュアルノズルプロセスによる連続的な結合は、効率的な応力伝達を促進し、内部空隙を減少させた。

意義および主張
本研究は、PLAベースの複合フィラメントのデュアルノズルFDM印刷が、多機能インソールを製造するための実用的かつスケーラブルな手法を提供すると結論付けている。主な意義は、統合型シース・コア設計にあり、これによりポスト印刷の組み立てや接着剤による結合を排除し、構造の複雑さを軽減し、機械的耐久性を向上させている。

著者らは、コアサイズと厚さを制御することで、特定のセンシングアプリケーションに合わせてインソールの電気的および磁気的特性を調整することが可能であると主張している。統合アプローチは、構造的完全性と（CB-PLAによる電気的、Fe-PLAによる磁気的な）埋め込み型センシング機能を正常に組み合わせ、外部センサーの取り付けによる制限のない、歩行モニタリングやリハビリテーションのための完全統合型ウェアラブルフットウェアへの将来の研究に向けた基礎を確立した。