Chagua Lugha

Uchanganuzi wa Uwezekano wa Kutumia Uchimbaji Mwingi wa Jet (MJF) wa Nailoni-12 kwa Roboti za Bomba Zilizozingirwa Zilizochapishwa 3D

Uchunguzi wa uwezekano wa kutumia uchimbaji mwingi wa Jet (MJF) na Nailoni-12 kutengeneza Roboti za Bomba Zilizozingirwa (CTR) kwa upasuaji usio na uvimbe mkubwa.
3ddayinji.com | PDF Size: 0.6 MB
Ukadiriaji: 4.5/5
★ ★ ★ ★ ★
Ukadiriaji Wako
Umekadiria waraka huu tayari
Kifuniko cha Waraka PDF - Uchanganuzi wa Uwezekano wa Kutumia Uchimbaji Mwingi wa Jet (MJF) wa Nailoni-12 kwa Roboti za Bomba Zilizozingirwa Zilizochapishwa 3D
Tazama Waraka PDF Pakua PDF Tafsiri PDF
Nyumbani » Nyaraka » Uchanganuzi wa Uwezekano wa Kutumia Uchimbaji Mwingi wa Jet (MJF) wa Nailoni-12 kwa Roboti za Bomba Zilizozingirwa Zilizochapishwa 3D

1. Utangulizi

Roboti za Bomba Zilizozingirwa (CTR) ni vifaa vinavyoweza kudhibitiwa kama nyoka, vyenye ukubwa wa sindano, zilizoundwa kwa mabomba yaliyopigwa mapema na kuingizwa kwa njia ya darubini, zikiwa bora kwa matumizi ya upasuaji usio na uvimbe mkubwa (MIS). Kwa kawaida hutengenezwa kwa Nitinol yenye uwezo mkubwa wa kurudi kwenye umbo lake, CTR zinakabiliwa na vikwazo vikubwa vya utengenezaji: michakato changamano ya kutia joto tena, vifaa maalum, na mahitaji ya utaalamu. Karatasi hii inachunguza uwezekano wa kutumia Uchimbaji Mwingi wa Jet (MJF) pamoja na polima ya Nailoni-12 kama njia mbadala ya kushinda vikwazo hivi, na kuwezesha utengenezaji wa haraka wa mifano na miundo maalum kwa mgonjwa.

2. Nyenzo na Mbinu

Utafiti huu ulitumia mbinu ya majaribio yenye pande nyingi ili kutathmini mabomba ya Nailoni-12 yaliyochapishwa kwa MJF kwa matumizi ya CTR.

2.1 Teknolojia ya Uchimbaji Mwingi wa Jet (MJF)

MJF, iliyotengenezwa na Hewlett-Packard, ni mchakato wa kuyeyusha unga katika kitanda. Hutumia nishati ya infrared na kemikali (wakala wa kuyeyusha na wakala wa kina) kuyeyusha kwa uteuzi unga wa nailoni kwa safu kwa safu. Ikilinganishwa na Uchimbaji wa Kuchoma kwa Laser Kwa Uteuzi (SLS), MJF inatoa usahihi bora wa vipimo, azimio bora zaidi, na uwezo wa kutengeneza miundo nyembamba ya kuta—sifa muhimu kwa kutengeneza mabomba madogo na sahihi yanayohitajika kwa CTR. Utengenezaji ulipewa nje kwa Proto Labs.

2.2 Utabiri wa Mkazo na Mvutano

Vipimo vya mvutano vilifanywa kulingana na kiwango cha ASTM D638 kwa kutumia sampuli za "mfupa wa mbwa" kwenye Mashine ya Kujaribu ya Ulimwenguni ya Instron 5500R. Lengo lilikuwa kubainisha safu ya elastic ya mstari na Moduli ya Young ($E$) ya Nailoni-12 ya MJF, vigezo muhimu vya kuiga mitambo ya bomba.

2.3 Uchunguzi wa Uchovu

Ili kutathmini uimara chini ya kupinda kwa mzunguko—hitaji kuu kwa roboti za upasuaji—uchunguzi wa uchovu ulifanywa. Bomba (OD: 3.2 mm, ukuta: 0.6 mm, radius ya kupinda: 28.26 mm) lilisawazishwa mara kwa mara ndani ya shimoni lenye shimo na kuruhusiwa kurudi kwenye umbo lake kwa zaidi ya mizunguko 200 kwa kutumia jukwaa lenye motor. Hali ilirekodiwa kwa picha kila baada ya mizunguko 10.

2.4 Uthibitishaji wa Kupinda Ndani ya Uwanja

Jaribio lilibuniwa ili kujaribu ikiwa mfano uliowekwa wa mwingiliano wa elastic kwa mabomba yaliyozingirwa (Webster et al.) unatumika kwa mabomba ya Nailoni-12 ya MJF. Mfano huo unatabiri mkunjo wa usawa wakati mabomba mawili yaliyopigwa mapema yanapoingiliana.

3. Matokeo na Majadiliano

Vipimo Muhimu vya Majaribio

  • Sifa ya Nyenzo: Nailoni-12 ya MJF ilionyesha muundo thabiti wa mkazo na mvutano ndani ya safu iliyojaribiwa.
  • Utendaji wa Uchovu: Bomba lilistahimili mizunguko 200 kamili ya kupinda na kusawazisha bila ufa unaoonekana au kushindwa, maboresho makubwa ikilinganishwa na matokeo ya awali ya SLS.
  • Uthibitishaji wa Mfano: Data ya awali ilionyesha kuwa mfano wa kupinda ndani ya uwanja unaweza kutumika, ingawa uthibitishaji zaidi kwa kipimo sahihi cha mkunjo unahitajika.

Matokeo yanaonyesha kuwa Nailoni-12 iliyochakatwa kwa MJF ina uwezo mkubwa wa kustahimili kuliko ile ya SLS, na kushughulikia dosari kubwa iliyobainishwa katika utafiti wa awali [2]. Uchunguzi wa mafanikio wa uchovu unaonyesha uwezekano wa mifano ya kutumika tena au ya taratibu nyingi. Uwezo wa kutumia miundo ya mitambo iliyowekwa ungewezesha sana kubuni na udhibiti wa CTR zenye msingi wa polima.

4. Uchambuzi wa Kiufundi na Ufahamu Msingi

Ufahamu Msingi: Karatasi hii sio tu juu ya kuchapisha roboti 3D; ni mabadiliko ya kimkakati kutoka kwa roboti za upasuaji zenye vizuizi vya nyenzo hadi kwenye roboti za upasuaji zinazoongozwa na ubuni. Waandishi wamebainisha kwa usahihi kwamba uwezo wa kurudi kwenye umbo la Nitinol, ingawa bora kwa utendaji, huunda kikwazo kikubwa kwa uvumbuzi (kutia joto tena maalum, kasi ya chini ya kurudia). Kwa kupendekeza MJF+Nailoni-12, wanabadilisha utendaji fulani wa nyenzo kwa faida kubwa katika upatikanaji, kasi ya kurudia, na uhuru wa kijiometri. Hii ni muundo wa kawaida wa uvumbuzi unaovuruga unaoonekana katika nyanja kama vile taswira ya kompyuta, ambapo miundo kama CycleGAN (Isola et al., 2017) ilibadilisha baadhi ya uboreshaji maalum wa kazi kwa mfumo wa jumla, unaoweza kujifunza ambao ulifungua matumizi mapya.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja hii inafuatia taratibu: 1) Thibitisha thamani ya CTR na changamoto za Nitinol. 2) Pendekeza Uchimbaji Mwingi (AM) kama suluhisho, ukikubali kushindwa kwa zamani kwa SLS. 3) Tambulisha MJF kama mchakato bora wa AM wenye faida za kiufundi zinazofaa (usahihi, kuta nyembamba). 4) Thibitisha mchanganyiko mpya wa nyenzo na mchakato kupitia vipimo vya msingi (mvutano) na vilivyolenga matumizi maalum (uchovu, kuiga). Mnyororo wa mantiki kutoka shida hadi suluhisho lililopendekezwa hadi uthibitishaji ni wazi na imara.

Nguvu & Dosari:

  • Nguvu: Mwelekeo kwenye uchovu ni bora. Kwa chombo cha upasuaji, nguvu ya mara moja sio muhimu kama utendaji wa kuaminika katika vitendo vingi. Kujaribu hili moja kwa moja kinaongea juu ya matumizi halisi.
  • Nguvu: Kutoa nje kwa Proto Labs kunaongeza ukweli wa kibiashara. Inaonyesha njia hiyo haifungwi kwa kichapishi maalum cha kitaaluma.
  • Dosari: Utafiti huu hauzungumzii wazi kuhusu utakaso wa viuatilifu. Je, Nailoni-12 ya MJF inaweza kustahimili kufungia kwa joto, mionzi ya gamma, au kemikali za kuua vijidudu? Hii ni sharti lisiloweza kubadilishwa kwa matumizi ya kliniki na kikwazo kikubwa kinachoweza kuzuia.
  • Dosari: "Uthibitishaji wa kupinda ndani ya uwanja" umeelezewa lakini matokeo hayana uhakika. Data ya kiasi juu ya usahihi wa mkunjo dhidi ya utabiri wa mfano haipo, na kuacha pengo katika hoja muhimu ya uhamishaji wa mfano.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa:

  1. Kwa Watafiti: Hii ni njia inayowezekana, yenye gharama ndani ndogo ya kuingia kwenye utengenezaji wa mifano ya CTR. Kipaumbele utafiti wa ziada juya ya ulinganifu wa utakaso wa viuatilifu na tabia ya muda mrefu ya kuteleza ya Nailoni-12.
  2. Kwa Wahandisi: Chunguza uhuru wa ubuni wa MJF. Je, unaweza kuchapisha njia zilizounganishwa kwa kuvuta maji, kunyunyizia maji, au nyuzi za optiki moja kwa moja ndani ya ukuta wa bomba? Hapa ndipo polima zinaweza kuzidi metali.
  3. Kwa Sekta (mfano, Intuitive Surgical): Fuatilia hii kwa karibu. Tishio/fursa halisi sio kuchukua nafasi ya mikono ya da Vinci lakini kuwezesha aina mpya ya sindano zinazoweza kudhibitiwa na katheta za kutumia mara moja, maalum kwa mgonjwa, ambazo zinaweza kukamilisha au kuvuruga toleo la sasa.

Kimsingi, karatasi hii imethibitisha kwa mafanikio uwezekano lakini safari hadi utendaji inahitaji kushinda milima ya utakaso wa viuatilifu na uthabiti wa muda mrefu wa kibayolojia—changamoto zilizorekodiwa vizuri katika fasihi juu ya polima za matibabu (mfano, Williams, D.F., "On the mechanisms of biocompatibility," 2008).

5. Mfano wa Hisabati na Maelezo ya Kiufundi

Mitambo ya mabomba yaliyozingirwa inatawaliwa na mwingiliano wa elastic. Kwa mabomba mawili katika uwanja uleule, mkunjo wa usawa $\kappa$ unatokana na kupunguza jumla ya nishati ya mvutano. Aina rahisi ya mfano uliorejelewa kutoka kwa Webster et al. [5] ni:

$$\kappa = \frac{E_1 I_1 \kappa_1 + E_2 I_2 \kappa_2}{E_1 I_1 + E_2 I_2}$$

Ambapo:

  • $E_i$ ni Moduli ya Young ya bomba $i$ (ilipatikana kutoka kwa vipimo vya mvutano).
  • $I_i$ ni wakati wa pili wa eneo la sehemu ya msalaba ya bomba $i$ ($I = \frac{\pi}{64}(d_o^4 - d_i^4)$ kwa bomba).
  • $\kappa_i$ ni mkunjo wa awali wa bomba $i$.
Mlinganyo huu unaonyesha kuwa mkunjo wa mwisho ni wastani wenye uzani wa ugumu wa mikunjo ya bomba binafsi. Kuthibitisha mfano huu kwa Nailoni-12 kunahitaji kipimo sahihi cha $E$ na mkunjo halisi $\kappa$ uliopatikana baada ya mwingiliano.

6. Mfumo wa Uchambuzi: Uchunguzi wa Kesi

Hali: Kubuni CTR maalum kwa mgonjwa kwa kufikia tumori ya ubongo iliyoko ndani kwa njia ya kupita kwenye pua. Njia hiyo imepinda sana na ni ya kipekee kwa anatomia ya mgonjwa.

Utumiaji wa Mfumo:

  1. Kupiga Picha & Upangaji wa Njia: Toa trajectory ya 3D kutoka kwa skani za CT/MRI za mgonjwa.
  2. Kuiga Kinematiki: Gawanya njia hiyo katika safu ya mikunjo thabiti. Tumia mfano katika Sehemu ya 5 kutatua shida ya kinyume: bainisha mikunjo ya awali inayohitajika ($\kappa_1, \kappa_2, ...$) na urefu wa roboti ya bomba 3 kufuata njia hii.
  3. Uigaji wa Miundo (FEA): Fanya Uchambuzi wa Vipengele Vya Mwisho kwenye mabomba yaliyobuniwa ili kuangalia mkusanyiko wa mkazo wakati wa kupinda kwa kiwango cha juu, na kuhakikisha yanabaki ndani ya kikomo cha elastic cha Nailoni-12 ya MJF.
  4. Kadirio ya Maisha ya Uchovu: Kulingana na safu ya mkazo kutoka FEA na mkunjo wa S-N wa nyenzo (unahitaji tabiri zaidi), kadiri idadi ya mizunguko ya taratibu ambazo chombo kingeweza kustahimili.
  5. Utengenezaji wa Dijitali: Tuma jiometri za mwisho za bomba moja kwa moja kwa ofisi ya huduma ya MJF (mfano, Proto Labs). Hakuna vifaa vya kuchoma au kutia joto tena vinavyohitajika.
  6. Uthibitishaji: Jaribu roboti halisi kwenye mfano wa bandia wa anatomia ya mgonjwa.
Mfumo huu unaangazia mtiririko wa kazi uliounganishwa kutoka kupiga picha hadi mfano halisi ambao MJF inawezesha, na kupunguza kwa kiasi kikubwa mzunguko wa kubuni wa kawaida.

7. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo

Mafanikio ya CTR zenye msingi wa polima yanafungua njia kadhaa zinazovutia:

  • Vifaa vya Upasuaji Vinavyotupwa Baada ya Matumizi: Viongozi vinavyoweza kudhibitiwa, maalum kwa mgonjwa, vya kutumia mara moja kwa uchunguzi wa tishu, utoaji wa dawa, au kuweka elektrodi, na kuondoa hatari ya uchafuzi wa pamoja na gharama ya usindikaji tena.
  • Uchapishaji wa Nyenzo Nyingi & wa Utendaji: MJF inaweza kuchapisha kwa nyenzo nyingi. Mabomba ya baadaye yanaweza kuwa na sehemu ngumu kwa uthabiti na sehemu laini, zinazokubaliana kwa urambazaji, au kuwa na alama za mionzi zilizochapishwa mahali pale.
  • Vifaa Mseto vya Endoskopu: CTR nyembamba sana zilizochapishwa kama vifaa vinavyoweza kutolewa kutoka kwa njia ya kazi ya endoskopu za kawaida, na kuongeza uwezo wao.
  • Kasi ya Utafiti: Kama karatasi hii inavyokusudia, utengenezaji wa haraka wa gharama ndogo utaruhusu vikundi vingi vya utafiti kujaribu miundo ya CTR, algoriti za udhibiti, na matumizi mapya zaidi ya upasuaji, kama vile uchunguzi wa viwanda katika nafasi zilizofungwa.
  • Mapengo Muhimu ya Utafiti: Kazi ya baadaye ya haraka lazima ishughulikie njia za utakaso wa viuatilifu, uthabiti wa muda mrefu katika mazingira ya kibayolojia, na ukuzaji wa miundo kamili ya kimuundo kwa Nailoni-12 ya MJF chini ya mizigo ya kupinda kwa mzunguko na ya kuzungusha.

8. Marejeo

  1. Bergeles, C., & Yang, G. Z. (2014). From passive tool holders to microsurgeons: safer, smaller, smarter surgical robots. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 61(5), 1565-1576.
  2. Gilbert, H. B., et al. (2016). Concentric tube robots: The state of the art and future directions. Robotics Research, 253-269.
  3. Bedell, C., et al. (2011). The engineering of nitinol self-expandable stents: A review. Annals of Biomedical Engineering, 39(3), 1017-1029.
  4. HP Inc. (2018). HP Multi Jet Fusion Technology. Technical White Paper.
  5. Webster, R. J., & Jones, B. A. (2010). Design and kinematic modeling of constant curvature continuum robots: A review. The International Journal of Robotics Research, 29(13), 1661-1683.
  6. Isola, P., et al. (2017). Image-to-image translation with conditional adversarial networks. Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition (pp. 1125-1134).
  7. Williams, D. F. (2008). On the mechanisms of biocompatibility. Biomaterials, 29(20), 2941-2953.
  8. ASTM International. (2014). ASTM D638-14: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.