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

1. Utangulizi

Roboti za Bomba Zilizozingirwa (CTRs) ni vifaa vinavyoweza kudhibitiwa, vyenye ukubwa wa sindano, vinavyoundwa na mabomba yaliyopigwa mapema na kuingizwa kwa njia ya darubini. Uwezo wao wa kusogea na kuzunguka kwa kujitegemea, pamoja na mwingiliano wa elastic, huwezesha mienendo ya kupinda kama ya mkia wa mdudu inayofaa kwa matumizi ya upasuaji usio na uvimbe mkubwa (MIS). Kwa kawaida hutengenezwa kwa Nitinol yenye elastic nyingi, CTRs zinakabiliwa na changamoto za utengenezaji kutokana na utata wa matibabu ya kuokoa joto yanayohitajika kufikia mikunjo iliyopangwa. Utafiti huu unachunguza uwezekano wa kutumia Uchongaji Mwingi wa Jet (MJF) pamoja na polima ya Nailoni-12 kama mbadala ya Nitinol, kwa lengo la kurahisisha na kuharakisha utengenezaji wa mifano ya CTRs.

2. Nyenzo na Mbinu

Njia ya utafiti ilijumuisha kuchanganua sifa za Nailoni-12 iliyochapishwa kwa MJF na kujaribu utendaji wake katika hali zinazohusiana na CTR.

2.1 Teknolojia ya Uchongaji Mwingi wa Jet (MJF)

MJF, iliyotengenezwa na Hewlett-Packard, ni mchakato wa kuunganisha kitanda cha poda. Huchukua tabaka za poda ya nyenzo (Nailoni-12), hutumia nishati ya infrared kwa kupokanzwa, na kutumia vitu vikemikali (vitu vya kuunganisha na vya kina) ili kuwezesha muunganisho sahihi wa joto. Ikilinganishwa na Sintering ya Laser Inayochagua (SLS), MJF inatoa usahihi wa juu wa vipimo, azimio bora zaidi, na uwezo wa kuunda miundo ya kuta nyembamba—faida muhimu zaidi kwa kutengeneza mabomba madogo na changamano ya CTR. Utengenezaji ulipelekwa 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 Ulimwengu ya Instron 5500R. Lengo lilikuwa kubainisha safu ya elastic ya mstari wa nyenzo na Moduli ya Young ($E$), ambayo ni vigezo muhimu vya kuiga mitambo na kutabiri tabia ya CTRs.

2.3 Uchunguzi wa Uchovu

Ili kukadiria uimara chini ya kupinda kurudiwa—hitaji kuu kwa roboti za upasuaji—uchunguzi wa uchovu ulifanywa. Bomba moja la Nailoni-12 (OD: 3.2 mm, unene wa ukuta: 0.6 mm, radius ya mkunjo: 28.26 mm) lilisawazishwa kwa mzunguko ndani ya shimoni lenye shimo na kisha kuachiliwa kurudi kwenye hali yake ya kupinda. Mzunguko huu uliwekwa kiotomatiki na kurudiwa mara 200, na nyaraka za kuona kila mzunguko 10 ili kufuatilia nyufa au kushindwa.

2.4 Uthibitishaji wa Kupinda Ndani ya Uwanja

Ujaribio ulibuniwa ili kuthibitisha ikiwa mfano wa mitambo uliowekwa kwa mabomba yaliyozingirwa, uliopendekezwa na Webster et al., unatumika kwa mabomba ya Nailoni-12 yaliyochapishwa kwa MJF. Mfano huu unatabiri mkunjo wa usawa wa mabomba mawili yaliyopangwa kwa kuzingirwa kulingana na mikunjo yao ya awali na ugumu wa kupinda.

3. Matokeo na Majadiliano

Matokeo Muhimu ya Ujaribio

Sifa za Nyenzo: Kipimo cha mvutano kilitoa Moduli ya Young kwa MJF Nailoni-12, ingizo muhimu kwa mfano wa mitambo ya CTR.
Utendaji wa Uchovu: Bomba la Nailoni-12 lilistahimili mizunguko 200 ya kusawazisha na kuachilia bila uharibifu unaoonekana au kushindwa, maboresho makubwa ikilinganishwa na mabomba ya awali yaliyotengenezwa kwa SLS yaliyotajwa kwa ukatili.
Uthibitishaji wa Mfano: Matokeo ya awali yalionyesha kuwa mfano wa kupinda ndani ya uwanja unaweza kutumika kwa mabomba ya MJF Nailoni-12, ikionyesha tabia ya mitambo inayotabirika.

Utafiti unaonyesha kuwa MJF inashinda vikwazo muhimu vya SLS kwa matumizi haya, hasa yanayohusiana na azimio na unene wa ukuta. Uchunguzi wa mafanikio wa uchovu ni matokeo muhimu, ikishughulikia udhaifu mkubwa wa CTRs zinazotokana na polima. Hata hivyo, karatasi inamaanisha kuwa kulinganisha zaidi kwa kiasi cha nguvu za kupinda, hysteresis, na utendaji wa mzunguko wa muda mrefu (>mizunguko 1000) dhidi ya viwango vya Nitinol ni muhimu.

4. Maelezo ya Kiufundi na Mfano wa Hisabati

Mitambo ya msingi ya CTR inatawaliwa na mwingiliano wa elastic kati ya mabomba. Kwa mabomba mawili yaliyopangwa kupinda kwenye uwanja uleule, mkunjo wa usawa ($\kappa$) unapewa na:

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

Ambapo:

$E_i$ ni Moduli ya Young ya bomba $i$ (ilipatikana kutoka kipimo cha mvutano kwa Nailoni-12).
$I_i$ ni wakati wa pili wa eneo la sehemu ya msalaba ya bomba $i$.
$\kappa_i$ ni mkunjo wa awali wa bomba $i$.

Mfano huu unachukulia elasticity ya mstari na hauzingatii mzunguko. Ujaribio wa uthibitishaji wa kupinda wa utafiti ulilenga kujaribu uhalali wa mfano huu kwa mfumo wa nyenzo wa MJF Nailoni-12.

5. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Utafiti Usio na Msimbo

Hali: Maabara ya utafiti inalenga kutengeneza CTR maalum kwa mgonjwa kwa upasuaji nyeti wa neva. Njia inayohitajika ya ncha ina umbo changamano, lenye mikunjo mingi.

Utumiaji wa Mfumo:

Ubunifu & Uigaji: Kwa kutumia picha za matibabu (k.m., MRI), njia inayotaka imeigwa. Mikunjo ya awali ya mabomba inahesabiwa kwa kutumia kinematiki kinyume kulingana na mfano wa mitambo ($\kappa = \frac{E_1 I_1 \kappa_1 + ...}{...}$). Mfano unatekelezwa kwa sifa za nyenzo za MJF Nailoni-12 ($E$).
Utengenezaji: Mabomba yaliyobuniwa yanachapishwa 3D kwa kutumia teknolojia ya MJF, ikitumia usahihi wake kwa kuta nyembamba na mikunjo changamani.
Uthibitishaji: Mabomba yaliyochapishwa hupitia uchunguzi wa uchovu ulioelezewa (mizunguko 200+) na kipimo cha nguvu ya kupinda dhidi ya utabiri wa mfano.
Kurudia: Tofauti kati ya uigaji na vipimo vya kimwili hurudiwa kwenye mfano ili kuweka sifa za nyenzo au vigezo vya ubunifu kwa mfano unaofuata.

Mzunguko huu wa ubunifu unaojulikana na mfano unaonyesha jinsi MJF inaweza kuharakisha ukuzaji wa CTR.

6. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo

Roboti za Upasuaji Maalum kwa Mgonjwa: Uwezo wa MJF wa kutengeneza mifano haraka unaweza kuwezesha CTRs zilizobuniwa kwa anatomia ya mgonjwa mmoja mmoja, zikichukuliwa moja kwa moja kutoka kwa vipimo vya CT/MRI, kwa uwezekano wa kuboresha matokeo ya upasuaji.
Vifaa vya Kutupwa/Matumizi Moja: Uchapishaji wa polima wenye gharama nafuu unafungua mlango kwa CTRs zisizo na vijidudu, za matumizi moja, na kuondoa gharama za usindikaji upya na hatari za uchafuzi mchanganyiko.
Uchapishaji wa Nyenzo Nyingi na Utendaji: Mifumo ya baadaye ya MJF inaweza kujumuisha nyenzo nyingi (k.m., sehemu ngumu zaidi, alama za mionzi) au hata kuingiza sensor au njia za umwagiliaji/uvutaji ndani ya kuta za bomba wakati wa uchapishaji.
Ujumuishaji na Ubunifu Unaendeshwa na AI: Kuchanganya algoritimu za ubunifu wa kizazi na MJF kunaweza kuboresha miundo ya mabomba kwa uzito, ugumu, na usahihi wa kufuata njia zaidi ya jiometri ya jadi.

7. Marejeo

Gilbert, H. B., et al. (2016). Concentric Tube Robots: The State of the Art and Future Directions. Robotics Research, 293-308.
Kazi ya awali juu ya SLS ya Nailoni-12 kwa CTRs (kama ilivyotajwa kwenye PDF).
Marejeo juu ya changamoto za kuokoa joto kwa Nitinol kwa CTRs (kama ilivyotajwa kwenye PDF).
HP Inc. (2023). HP Multi Jet Fusion Technology Overview. Imepatikana kutoka [Tovuti Rasmi ya HP].
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.
ASTM International. (2022). ASTM D638-22: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.

8. Uchambuzi wa Asili: Uelewa wa Msingi na Ukosoaji

Uelewa wa Msingi: Karatasi hii sio tu juu ya kubadilisha chuma na plastiki; ni mabadiliko ya kimkakati kutoka ustaadi wa mikono hadi utengenezaji wa kidijitali katika roboti za upasuaji. Thamani halisi ya CTRs za Nailoni-12 zilizochapishwa kwa MJF haimo katika kufanana na elastic nyingi ya Nitinol—haitofanana—bali katika kuwezesha upatikanaji na kuwezesha kurudia haraka kwa jiometri changamani. Inabadilisha ukuzaji wa CTR kutoka juhudi nyeti, yenye mzito wa sayansi ya nyenzo hadi moja inayopatikana kwa urahisi, inayoendeshwa na programu ya ubunifu.

Mtiririko wa Kimantiki na Nguvu: Njia ya waandishi ni ya kimfumo. Wanatambua kwa usahihi kizuizi (kuokoa joto kwa Nitinol) na wanachagua mchakato wa AM (MJF) ambao nguvu zake zilizotangazwa (azimio, kuta nyembamba) zinashughulikia moja kwa moja changamoto za utengenezaji wa CTR. Uchunguzi wa uchovu ndio hatua bora—unashambulia moja kwa moja ukosoaji unaoaminika zaidi (ukatili wa polima) wa kazi ya awali kama majaribio yaliyoshindwa ya SLS. Kwa kuonyesha kuishi kwa mizunguko 200, wanatoa hoja ya kupinga yenye ushahidi. Kuunganisha tena na mfano wa msingi wa Webster kunatoa uaminifu wa kitaaluma na njia wazi ya uchambuzi wa kiasi.

Kasoro na Mapungufu Muhimu: Uchambuzi, ingawa una ahadi, unahisi kama tendo la kwanza lililofanikiwa. Ukosefu mkubwa ni kulinganisha kwa kiasi moja kwa moja na Nitinol. Je, ni hasara gani ya hysteresis kwa kila mzunguko? Je, nguvu ya kurejesha inapungua vipi baada ya muda? Bila kiwango hiki, kudai "uwezekano" kwa upasuaji ni mapema. Upasuaji sio mizunguko 200; ni juu ya usambazaji wa nguvu unaotabirika, unaoaminika katika maisha ya utaratibu. Zaidi ya hayo, mwelekeo kwenye kupinda ndani ya uwanja unapita changamoto ngumu zaidi na inayohusika kikliniki ya mzunguko na mzigo uliochanganyika, ugumu unaojulikana kwa mabomba ya polima. Kazi, kama ilivyowasilishwa, inahisi kama inathibitisha dhana ya utengenezaji lakini inashughulikia dhana ya utendaji wa kliniki kwa sehemu tu.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watafiti: Hii ni mahali pazuri pa kuanzia. Hatua inayofuata mara moja lazima iwe kuweka viwango vya mitambo moja kwa moja dhidi ya mabomba ya Nitinol yenye vipimo sawa. Kwa tasnia (kama Proto Labs au kampuni mpya za vifaa vya upasuaji): Kesi ya kutupwa, cannula zinazoweza kudhibitiwa maalum kwa mgonjwa ni imara zaidi kuliko roboti kamili zinazoweza kutumika tena. Kwanza zingatia ukuzaji hapa. Wekeza katika kuchanganua sifa za muda mrefu za viscoelastic za MJF Nailoni-12. Kwa waganga: Fuatilia nafasi hii. Teknolojia hii inaweza, katika miaka 5-7, kutoa zana za bei nafuu, zilizoboreshwa kwa utaratibu, lakini hitaji data thabiti ya uaminifu kabla ya kupitishwa. Mabadiliko ya dhana kutoka "robo moja kwa matibabu mengi" hadi "zana moja iliyoboreshwa kwa utaratibu mmoja" ndio mwisho wa mchezo ambao utafiti huu unawezesha.