根據世界衛生組織統計數據，全球有上千萬人需要假肢。預計到2050年，這一人口將翻一番。根據國家和年齡組的不同，70%需要假肢的人涉及下肢。目前，大多數下肢截肢患者無法獲得高質量的纖維增強復合材料假肢，因為其復雜的手工制造過程導致成本高昂。大多數碳纖維增強聚合物（CFRP）足部假肢是通過手工將多層預浸料層疊到模具中，然后在熱壓罐中固化，再進行修剪和銑削制成的，手工程序非常昂貴。


隨著科技的發展，復合材料自動化制造設備的引入有望大幅降低成本。纖維纏繞技術作為一種關鍵的復合材料制造工藝，正在改變高性能復合材料假肢的生產方式，使其更加高效和經濟。


什么是纖維纏繞技術？


纖維纏繞是一種將連續纖維纏繞在旋轉的模具或心軸上的工藝。這些纖維可以是預先浸漬了樹脂的預浸料，也可以在纏繞過程中通過樹脂進行浸漬。纖維按照特定的路徑和角度纏繞，以滿足設計要求的變形及強度條件。最終，纏繞好的結構在固化后形成輕質且高強度的復合材料部件。


纖維纏繞技術在假肢制造中的應用


（1）高效生產：纖維纏繞技術實現了自動化和精確控制，使得假肢的生產速度大大提高。與傳統手工制作相比，纖維纏繞可以在短時間內生產出大量高質量的假肢部件。


（2）降低成本：由于生產效率的提升和材料利用率的提高，纖維纏繞技術可以顯著降低假肢的制造成本。據報道，采用這種技術可以使假肢的成本降低約50%。


（3）提升性能：纖維纏繞技術能夠精確控制纖維的排列和方向，從而優化假肢的力學性能。采用碳纖維增強復合材料（CFRP）的假肢不僅輕便，而且具有極高的強度和耐用性。


（4）可持續性：高效的生產過程和材料利用率使纖維纏繞技術更具環保優勢。此外，復合材料假肢的耐用性和輕量化特性有助于減少資源浪費和使用者的能量消耗。


隨著纖維纏繞技術的不斷進步，其在假肢制造中的應用前景更加廣闊。未來，可以期待更加智能化的生產系統，更加多樣化的材料選擇，以及更加個性化的假肢設計。纖維纏繞技術將繼續推動假肢制造行業的發展，為全球數百萬需要假肢的人們帶來福音。


碳纖維復合材料：骨科假肢的理想材料


在過去的5至10年中，在假體生產中使用碳纖維復合材料和輕金屬合金是技術上的最大飛躍。現代假肢設備可幫助成千上萬的人至少部分補償其缺失的肢體并過上高質量的生活。一些用戶從事體育活動，甚至打破記錄。在選擇用于制造義肢的材料時，碳纖維/環氧復合材料因其眾多因素而脫穎而出，包括抗張強度和抗壓強度，模量，抗沖擊性，耐疲勞性，比重，易于制造等，衛生和美學因素。得益于碳復合材料假肢，全世界成千上萬的人生活得更好，更充實。


國外研究進展


Steptics是一家領先的假肢制造公司，通過工業化生產CFRP假肢，每天能夠生產數百個部件，極大地提升了假肢的可及性。該公司利用纖維纏繞技術，不僅提高了生產效率，還降低了制造成本，使更多有需要的人能夠負擔得起高性能的假肢。


Steptics的碳纖維復合材料假肢制作工藝如下：


（1）首先使用纖維纏繞來制造一個大的成形管，如下圖所示，纖維采用的東麗的T700型碳纖維。


（2）將管固化成型之后的管件切成多段（左下），然后將每一段再切成兩半（右下），得到半成品零件。


（3）后期加工，對半成品零件進行單獨加工，在這個過程中，還引入了AI輔助定制技術，以根據截肢者的個人情況調整幾何形狀和剛度等性能。


小科普：如何選不同材料制成的的假肢


1、功能需求：首先確定使用假肢的具體功能需求，例如支撐重量、運動靈活度、耐磨性等。根據需求選擇材料，如碳纖維、聚乙烯、鋯合金等。


2、輕量化：假肢需要輕量化以提供更好的舒適感和靈活度。選擇輕質材料，如碳纖維、聚合物材料等。


3、強度和耐久性：假肢需要具備足夠的強度和耐久性，能夠承受日常使用以及特殊運動或活動帶來的負荷。選擇強度高的材料，如鈦合金、鋯合金等。


4、人體相容性：選擇對人體相容性好的材料，避免引起過敏或不適癥狀。醫用級的聚合物材料通常較為理想。


5、制造成本和可行性：考慮選擇材料的制造成本和可行性，包括材料成本、加工工藝和現有技術設備等方面。在可行范圍內選擇質量和成本平衡的材料。


綜合以上因素，需向專業醫療設備制造商、工程師或康復專家尋求建議，并根據個人需求和醫生建議進行選擇。


文章來源： 英特力新材料，每日產經事，復合材料力學
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來源：賢集網
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