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

Resumo Técnico: Caracterização e Design de Palmilha Composta Impressa em 3D por Impressora 3D de Dual-Nozzle Utilizando Filamentos de CB-PLA e Fe-PLA

Definição do Problema
As tecnologias de palmilhas inteligentes existentes para monitoramento da pressão plantar e parâmetros de marcha frequentemente dependem de sensores montados externamente, eletrônicos com fios ou montagens multicamadas. Esses designs convencionais sofrem frequentemente de redução de conforto, aumento da complexidade estrutural e suscetibilidade à falha mecânica sob carregamento repetido. Embora a Modelagem por Deposição Fundida (FDM) ofereça um caminho para geometrias complexas, a impressão tradicional de material único limita a integração funcional. Além disso, a montagem de componentes separados via adesivos ou fixadores mecânicos cria ligações interfaciais fracas que comprometem a durabilidade e o desempenho. Há uma necessidade de sistemas de palmilhas integrados onde as funcionalidades de sensoriamento (elétrica e magnética) sejam diretamente incorporadas ao corpo estrutural para aumentar a robustez e a experiência do usuário.

Metodologia
Este estudo utilizou uma impressora 3D FDM de bico duplo (Ultimaker S3) para fabricar estruturas compostas e palmilhas inteligentes usando três tipos de filamentos de ácido polilático (PLA): PLA padrão (bainha), PLA preenchido com negro de carbono (CB-PLA, núcleo condutor) e PLA preenchido com ferro (Fe-PLA, núcleo magnético).

A pesquisa procedeu em duas fases:

1. Fabricação de Estruturas Compostas: Os autores compararam duas estratégias de fabricação:
   • Estruturas Montadas: Os componentes de bainha e núcleo foram impressos separadamente e unidos fisamente após a impressão.
   • Estruturas Integradas: Materiais de bainha e núcleo foram coimpressos simultaneamente em um único processo contínuo.
     As amostras foram criadas com diâmetros de núcleo de 1,25, 2,50, 5,00, 7,50 e 10,00 mm, e uma espessura fixa de 5,00 mm.
2. Fabricação de Palmilhas Inteligentes: Com base no desempenho das estruturas compostas, a estratégia integrada foi selecionada para a produção das palmilhas. As palmilhas foram projetadas com seis regiões de sensoriamento correspondentes às zonas primárias de pressão plantar (metatarso, mediopé, calcanhar). Estas foram fabricadas com diâmetros de núcleo de 2,50, 5,00, 7,50 e 10,00 mm, e espessuras variando entre 1,00, 2,50 e 5,00 mm.

Caracterização e Testes
As amostras fabricadas foram avaliadas com base em:

• Eficiência de Impressão: Tempo de impressão real e peso total.
• Propriedades Elétricas: Características de corrente-voltagem (I-V) medidas usando um medidor de fonte (Keithley 2450) para avaliar a condutividade nas estruturas de CB-PLA.
• Propriedades Magnéticas: Força do campo magnético medida usando um gaussímetro (LANDTEK GS-100D2) para estruturas de Fe-PLA.
• Propriedades Mecânicas: Resistência à compressão e comportamento de deformação testados via máquina de ensaio universal (Instron 5567), incluindo análise de curvas tensão-deformação e mudanças dimensionais pós-compressão.

Principais Resultados

• Eficiência de Fabricação: Estruturas montadas exigiram aproximadamente 1 minuto menos de tempo de impressão do que as estruturas integradas devido à fabricação separada dos componentes. No entanto, as estruturas integradas foram consistentemente mais leves que suas contrapartes montadas.
• Condutividade Elétrica: Apenas as estruturas PLA/CB-PLA exibiram condutividade elétrica; estruturas PLA/Fe-PLA foram eletricamente isolantes. Nas estruturas integradas de PLA/CB-PLA, o desempenho elétrico melhorou com diâmetros de núcleo maiores. A estrutura integrada PLA/CB-PLA-10,00 (espessura de 1,0 mm) alcançou a corrente máxima de 0,10 A a 24 V. Palmilhas mais finas geralmente demonstraram maior condutividade.
• Força do Campo Magnético: Estruturas PLA/Fe-PLA geraram campos magnéticos, enquanto estruturas PLA/CB-PLA mostraram resposta magnética desprezível. A força magnética aumentou com o diâmetro do núcleo e diminuiu com a espessura da palmilha devido à atenuação do fluxo magnético. A palmilha integrada PLA/Fe-PLA-10,00 (espessura de 1,0 mm) alcançou a força de campo magnético máxima de 351 ± 8,84 Gs.
• Desempenho Mecânico: Estruturas integradas demonstraram integridade mecânica superior em comparação com as estruturas montadas. Amostras montadas exibiram ligação interfacial fraca, levando a quedas súbitas de tensão e curvas tensão-deformação irregulares durante a compressão. Em contraste, as estruturas integradas mostraram curvas S-S estáveis, maior capacidade de carga (até 10,22 kN para a PLA/Fe-PLA-10,00 integrada) e deformação uniforme. A ligação contínua no processo de bico duplo facilitou a transferência eficiente de tensão e reduziu vazios internos.

Significância e Alegações
O estudo conclui que a impressão FDM de bico duplo de filamentos compostos à base de PLA oferece um método prático e escalável para a produção de palmilhas multifuncionais. A principal significância reside no design integrado de bainha-núcleo, que elimina a necessidade de montagem pós-impressão e união por adesivo, reduzindo assim a complexidade estrutural e melhorando a durabilidade mecânica.

Os autores alegam que, ao controlar o tamanho do núcleo e a espessura, é possível adaptar as propriedades elétricas e magnéticas das palmilhas para aplicações de sensoriamento específicas. A abordagem integrada combina com sucesso a integridade estrutural com capacidades de sensoriamento incorporadas (elétrica para CB-PLA, magnética para Fe-PLA), estabelecendo uma base para pesquisas futuras em calçados totalmente integrados e vestíveis para monitoramento de marcha e reabilitação, sem as limitações da montagem de sensores externos.