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

Technische Samenvatting: Karakterisering en Ontwerp van een 3D-geprinte Composiet Inlegzool Geproduceerd door een Dual-Nozzle 3D-printer met CB-PLA en Fe-PLA Filamenten

Probleemstelling
Bestaande slimme inlegzooltechnologieën voor het monitoren van plantaire druk en loopparameters vertrouwen vaak op extern gemonteerde sensoren, bedrade elektronica of meerlagige assemblages. Deze conventionele ontwerpen lijden frequent aan verminderd comfort, verhoogde structurele complexiteit en gevoeligheid voor mechanisch falen onder herhaalde belasting. Hoewel Fused Deposition Modeling (FDM) een pad biedt naar complexe geometrieën, beperkt traditionele single-material printing de functionele integratie. Bov�elijk zorgt het assembleren van afzonderlijke componenten via lijm of mechanische bevestigingen voor zwakke interfaceverbindingen die de duurzaamheid en prestaties in gevaar brengen. Er is behoefte aan geïntegreerde inlegzoolsystemen waarbij de sensorische functionaliteiten (elektrisch en magnetisch) direct in het structurele lichaam zijn ingebed om de robuustheid en gebruikerservaring te verbeteren.

Methodologie
Deze studie maakte gebruik van een dual-nozzle FDM 3D-printer (Ultimaker S3) om composietstructuren en slimme inlegzolen te fabriceren met behulp van drie soorten polylactic acid (PLA) filamenten: standaard PLA (mantel), carbon black-gevulde PLA (geleidende kern, CB-PLA) en ijzer-gevulde PLA (magnetische kern, Fe-PLA).

Het onderzoek verliep in twee fasen:

1. Fabricage van Composietstructuren: De auteurs vergeleken twee fabricagestrategieën:
   • Geassembleerde Structuren: Mantel- en kerncomponenten werden afzonderlijk geprint en na het printen fysiek samengevoegd.
   • Geïntegreerde Structuren: Mantel- en kernmaterialen werden simultaan in één continu proces co-geprint.
     Monsters werden gemaakt met kerndiameters van 1,25, 2,50, 5,00, 7,50 en 10,00 mm, en een vaste dikte van 5,00 mm.
2. Fabricage van Slimme Inlegzolen: Op basis van de prestaties van de composietstructuren werd de geïntegreerde strategie geselecteerd voor de productie van de inlegzolen. De inlegzolen werden ontworpen met zes sensorische regio's die overeenkomen met de primaire plantaire drukzones (metatarsale, middenvoet, hiel). Deze werden vervaardigd met kerndiameters van 2,50, 5,00, 7,50 en 10,00 mm, en variërende diktes van 1,00, 2,50 en 5,00 mm.

Karakterisering en Testen
De gefabriceerde monsters werden geëvalueerd op basis van:

• Printefficiëntie: Werkelijke printtijd en totaal gewicht.
• Elektrische Eigenschappen: Stroom-spanning (I-V) karakteristieken gemeten met een source meter (Keithley 2450) om de geleidbaarheid in CB-PLA structuren te beoordelen.
• Magnetische Eigenschappen: Magnetische veldsterkte gemeten met een Gauss-meter (LANDTEK GS-100D2) voor Fe-PLA structuren.
• Mechanische Eigenschappen: Druksterkte en vervormingsgedrag getest via een universele testmachine (Instron 5567), inclusief analyse van spanning-rek curves en post-compressie dimensionale veranderingen.

Belangrijkste Resultaten

• Fabricage-efficiëntie: Geassembleerde structuren vereisten ongeveer 1 minuut minder printtijd dan geïntegreerde structuren vanwege de afzonderlijke fabricage van componenten. Geïntegreerde structuren waren echter consequent lichter dan hun geassembleerde tegenhangers.
• Elektrische Geleidbaarheid: Alleen PLA/CB-PLA structuren vertoonden elektrische geleidbaarheid; PLA/Fe-PLA structuren waren elektrisch isolerend. In geïntegreerde PLA/CB-PLA structuren verbeterde de elektrische prestatie bij grotere kerndiameters. De geïntegreerde PLA/CB-PLA-10.00 structuur (1,0 mm dikte) bereikte de hoogste stroom van 0,10 A bij 24 V. Dunnere inlegzolen vertoonden over het algemeen een hogere geleidbaarheid.
• Magnetische Veldsterkte: PLA/Fe-PLA structuren genereerden magnetische velden, terwijl PLA/CB-PLA structuren een verwaarloosbare magnetische respons vertoonden. De magnetische sterkte nam toe met de kerndiameter en nam af met de dikte van de inlegzool door magnetische fluxattenuatie. De geïntegreerde PLA/Fe-PLA-10.00 inlegzool (1,0 mm dikte) bereikte een maximale magnetische veldsterkte van 351 ± 8,84 Gs.
• Mechanische Prestaties: Geïntegreerde structuren vertoonden een superieure mechanische integriteit vergeleken met geassembleerde structuren. Geassembleerde monsters vertoonden zwakke interfaceverbindingen, wat leidde tot plotselinge spanningsvallen en onregelmatige spanning-rek curves tijdens compressie. In tegen tegenstelling hiertoe vertoonden geïntegreerde structuren stabiele S-S curves, een hoger belastbaar vermogen (tot 10,22 kN voor geïntegreerde PLA/Fe-PLA-10.00) en uniforme vervorming. De continue binding in het dual-nozzle proces faciliteerde efficiënte spanningsoverdracht en verminderde interne holtes.

Significantie en Claims
De studie concludeert dat de dual-nozzle FDM printing van PLA-gebaseerde composietfilamenten een praktische en schaalbare methode biedt voor de productie van multifunctionele inlegzolen. De primaire significantie ligt in het geïntegreerde mantel-kern ontwerp, dat de noodzaak voor assemblage en adhesieve hechting na het printen elimineert, waardoor de structurele complexiteit wordt verminderd en de mechanische duurzaamheid wordt verbeterd.

De auteurs claimen dat door controle van de kerngrootte en dikte, het mogelijk is om de elektrische en magnetische eigenschappen van de inlegzolen af te stemmen op specifieke sensorische toepassingen. De geïntegreerde aanpak combineert succesvol structurele integriteit met ingebedde sensorische capaciteiten (elektrisch voor CB-PLA, magnetisch voor Fe-PLA), wat een fundament legt voor toekomstig onderzoek naar volledig geïntegreerde, draagbare schoeisel voor loopmonitoring en revalidatie zonder de beperkingen van externe sensorbevestiging.