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

技术摘要：利用双喷头 3D 打印机制造的 CB-PLA 与 Fe-PLA 复合材料鞋垫的表征与设计

问题陈述
现有的用于监测足底压力和步态参数的智能鞋垫技术通常依赖于外部安装的传感器、布线电子设备或多层组件。这些传统设计往往会导致舒适度降低、结构复杂性增加，并容易在重复载荷下发生机械失效。虽然熔融沉积建模（FDM）为复杂的几何形状提供了路径，但传统的单材料打印限制了功能集成。此外，通过粘合剂或机械紧固件组装独立部件会产生脆弱的界面结合，从而损害耐用性和性能。因此，需要一种集成式鞋垫系统，将传感功能（电学和磁学）直接嵌入到结构主体中，以增强鲁棒性和用户体验。

研究方法
本研究利用双喷头 FDM 3D 打印机（Ultimaker S3）制造复合结构和智能鞋垫，使用了三种类型的聚乳酸（PLA）长丝：标准 PLA（护套）、碳黑填充 PLA（CB-PLA，导电芯部）和铁填充 PLA（Fe-PLA，磁性芯部）。

研究分为两个阶段进行：

1. 复合结构制造： 作者比较了两种制造策略：
   • 组装结构： 护套和芯部组件分别打印，并在打印后进行物理连接。
   • 集成结构： 护套和芯部材料在单个连续过程中同时共印。
     样本的芯部直径分别为 1.25、2.50、5.00、7.50 和 10.00 mm，固定厚度为 5.00 mm。
2. 智能鞋垫制造： 基于复合结构的性能表现，选择集成策略进行鞋垫生产。鞋垫设计有六个传感区域，对应主要的足底压力区（跖骨区、中足区、足跟区）。这些鞋垫的芯部直径分别为 2.50、5.00、7.50 和 10.00 mm，厚度分别为 1.00、2.50 和 5.00 mm。

表征与测试
根据以下方面对制造的样本进行了评估：

• 打印效率： 实际打印时间和总重量。
• 电学性能： 使用源表（Keithley 2450）测量电流-电压（I-V）特性，以评估 CB-PLA 结构的导电性。
• 磁学性能： 使用高斯计（LANDTEK GS-100D2）测量 Fe-PLA 结构的磁场强度。
• 机械性能： 通过万能试验机（Instron 5567）测试压缩强度和变形行为，包括应力-应变曲线分析及压缩后的尺寸变化分析。

关键结果

• 制造效率： 由于组件是分别制造的，组装结构比集成结构大约少耗时 1 分钟。然而，集成结构始终比其对应的组装结构更轻。
• 电导率： 仅 PLA/CB-PLA 结构表现出导电性；PLA/Fe-PLA 结构为电绝缘体。在集成 PLA/CB-PLA 结构中，电学性能随芯部直径增大而提高。集成 PLA/CB-PLA-10.00 结构（厚度 1.0 mm）实现了 0.10 A @ 24 V 的最高电流。较薄的鞋垫通常表现出更高的导电性。
• 磁场强度： PLA/Fe-PLA 结构产生了磁场，而 PLA/CB-PLA 结构的磁响应可以忽略不计。磁强度随芯部直径增大而增加，并随鞋垫厚度增加而减小（由于磁通量衰减）。集成 PLA/Fe-PLA-10.00 鞋垫（厚度 1.0 mm）实现了 351 ± 8.84 Gs 的最大磁场强度。
• 机械性能： 集成结构表现出比组装结构更优越的机械完整性。组装样本表现出脆弱的界面结合，导致在压缩过程中出现突然的应力下降和不规则的应力-应变曲线。相比之下，集成结构显示出稳定的应力-应变曲线、更高的承载能力（对于集成 PLA/Fe-PLA-10.00 高达 10.22 kN）以及均匀的变形。双喷头工艺中的连续结合促进了有效的应力传递并减少了内部空隙。

意义与主张
研究结论认为，双喷头 FDM 打印 PLA 基复合长丝为生产多功能鞋垫提供了一种实用且可扩展的方法。其主要意义在于集成护套-芯部设计，该设计消除了后期组装和粘合的需求，从而降低了结构复杂性并提高了机械耐用性。

作者声称，通过控制芯部尺寸和厚度，可以针对特定的传感应用定制鞋垫的电学和磁学特性。集成方法成功地将结构完整性与嵌入式传感能力（CB-PLA 的电学性能，Fe-PLA 的磁学性能）相结合，为未来研究无需外部传感器安装限制的、全集成的步态监测和康复穿戴式鞋类奠定了基础。