3D-печать ортопедических стелек

Общее об ортопедических стельках

Производители обуви стараются найти оптимальный вариант формы стельки и колодки для изготовления обуви, но стопа каждого человека уникальна. Стандартная обувь хорошо подходит людям без отклонений в строении ступней, но и им может потребоваться корректировка положения стопы в ботинке.

Если присутствует продольное или поперечное плоскостопие, Халюс Вальгус, заболевания или травма позвоночника, то стандартная обувь будет доставлять дискомфорт, а каждый шаг может приносить значительную боль. С возрастом неприятные и болевые ощущения без лечения могут только усиливаться.

Для снижения уровня дискомфорта и компенсации положения стопы в ботинке существуют ортопедические стельки. Одни из них продаются готовыми, рассчитанными опять же, на среднестатистическую стопу с тем или иным отклонением, другие же могут изготавливаться индивидуально.

Ортопедические стельки вы можете найти в ортопедических салонах и магазинах вашего города по цене от 500 до 3000 рублей. В каких-то случаях стелька сможет помочь достигнуть требуемого комфорта и даже снять или перераспределить нагрузку с определенных областей стопы. Но это все же стандартизированное изделие и чуда ожидать от них не стоит.

Следующим шагом на пути к комфорту в ходьбе и ношении обуви являются термоформуемые стельки. Они представлены различными компаниями и производителями, но основной смысл всех сводится к термической формовке исходной заготовки с последующим добором стандартными элементами и подложками в требуемых местах для достижения желаемого результата.

Примеры индивидуальных термоформуемых стелек. Источник изображения system-med.ru 

Стельки такого типа изготавливаются в присутствии клиента за 20-60 минут. Формовка может происходит различными методами, но так или иначе она будет повторять контур стопы.
Неоспоримым преимуществом данных стелек является то, что они изготавливаются индивидуально под ногу пациента, и комфорт от ношения будет заметен сразу же после установки стельки в ботинок. 
Поскольку стелька повторяет контур стопы, то закладывать поправки на будущее лечение может оказаться проблематичным.
Подобные стельки получили широкое распространение в ортопедических салонах и у ортопедов благодаря простоте и скорости изготовления, а у пациентов из-за того, что комфорт от ношения ощущается сразу же после начала их использования. Стоимость стелек значительно выше, чем универсальных – от 3000 до 15000 рублей, в зависимости от производителя и конкретного случая. Под давлением стопы, заготовка или пластичная масса, может повторить ее патологически неправильное положение и форму, а значит корректирующего эффекта можно не достичь.

И самым прогрессивным на сегодняшний день являются индивидуально изготовленные стельки по трехмерному скану стопы пациента. Эта технология пока встречается редко на рынке из-за того, что процесс изготовления долгое время требовал дорогостоящего оборудования, а врач должен освоить программное обеспечение, для создания модели стельки по данным с 3D сканера для ортопедии.

На фотографии напечатанная на 3D принтере стелька с финишным покрытием и без него

Эта технология, помимо создания удобных и комфортных стелек, позволяет проводить лечение и делать стельки, в которых заложен корректирующий эффект для компенсации дефекта стопы. Процесс изготовления не быстрый – сперва пациент придет на 3д сканирование, а через пару дней за готовыми стельками.  Стоимость изготовления стельки для клиента здесь определить достаточно сложно, поскольку сперва вы обращаетесь к определенному доктору-ортопеду, который и будет уже заниматься впоследствии созданием для вас модели стельки для лечения. Но в целом – можно ориентироваться на стоимость изготовления термоформуемой стельки, т.е. 3000-15000 рублей.

 ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕЛЕК

Теперь подробнее разберем процесс изготовления стелек при помощи 3D технологий. Весь процесс можно разделить на 4 этапа: 3D сканирование, 3D моделирование в специализированном программном обеспечении, 3D печать, финишная обработка.

Первый этап – 3D сканирование
Пациент приходит в клинику или ортопедический салон, где и происходит 3д сканирование ноги.
Участие доктора в этот момент не требуется, сканирование может осуществляться силами сотрудников ортопедического салона в соответствии с инструкцией. Ничего сложного в этой процедуре нет – пациент размещает сперва одну ногу на сканер, оператор контролирует правильность размещения и нажимает кнопку «Старт», а после пациент меняет ногу и процесс повторяется. Процедура занимает не более 5 минут на обе стопы.
Отличие ортопедического 3д сканера от плантографа для стоп в том, что на выходе получается объемная 3D модель, на основе которой можно производить различные измерения и последующие работы.  

На фото процесс сканирования на ортопедическом 3D сканере ScanPod3D UPOD-S

Для этого этапа мы рекомендуем применять 3D сканеры ScanPod3D, поскольку они полностью автоматизированы и специально подготовлены для трехмерного сканирования стопы. В линейке устройств есть ряд моделей, и под каждую задачу можно подобрать оптимальное решение.
Так для сканирования стопы только под стельки будет достаточно приобрести младшую модель - Ортопедического 3D сканера ScanPod3D USOL , а если помимо стелек есть в планах сканирование всей стопы, под будущее изготовление колодки, то нужно смотреть в сторону Ортопедического 3D сканера ScanPod3D UPOD-S, поскольку высота сканируемой области у первой модели 80 мм, а этого будет достаточно только для сканирования подошвы.

На левой фотографии ортопедический 3D сканер ScanPod3D UPOD-S, на правой ортопедический 3D сканер ScanPod3D UPOD-S.

После сканирования программа в указанном месте запишет отчет о сканировании, 2 файла stl и фотографии левой и правой ноги.

Пример отчета, созданного 3д сканером после сканирование левой и правой стопы пациента После того, как сканирование завершено и файлы созданы, присутствие пациента не требуется, а мы приступаем к созданию CAD модели для будущей стельки.

Второй этап – 3D моделирование стельки

Полученные на первом этапе файлы попадают к доктору, и в соответствии с планом лечения приступаем к моделированию будущей стельки.

Скриншот программы IsoleCAD для создания стелек

Загружаем в программное обеспечение STL файлы левой и правой ступни, корректируем линию сгиба суставов и центральные точки. И приступаем к моделированию стельки.

При моделировании необходимо задать такие базовые параметры, как толщина и ширина стельки, ее высота. В основном это зависит от типа обуви, под которую проектируем стельку. Универсального решения здесь нет, под спортивную обувь должна быть одна стелька, а под классические туфли – другая.

 

На скриншоте программы IsoleCAD происходит оценка прилегания стельки к ноге в поперечном сечении. В правой части экрана синяя линия – сечение стельки, красная – стопа.

Многие функции программы автоматизированы, но одновременно остается возможность ручной корректировки параметров стельки по видению лечащего доктора. При создании стельки доктор в любой момент может оценить положение ноги на стельке и ее прилегание к ней, а также внести корректировки и правки.

На скриншоте программы IsoleCAD происходит создание перемычки для пальцев и подушечки.

Процесс моделирования занимает от 10 до 60 минут. В конце моделирования программа сгенерирует STL файл стельки, который пригоден к последующей печати или 3D фрезеровке.

На скриншоте STL файлы созданных моделей стелек левой и правой ноги.

Теперь мы переходим к производству стельки, т.е. к ее печати на 3D принтере.

Третий этап – 3D печать

Для печати стелек мы рекомендуем использовать термопластичный полиуретан – ТПУ (TPU). Это материал, относящийся к классу эластомеров – веществ с повышенной эластичностью, – он в два раза эластичнее резины, одновременно способен сохранять свои свойства и геометрию на протяжении длительного срока эксплуатации. 

Данный материал производят многие компании, но мы рекомендуем материал eTPU от ESUN, поскольку он обладает максимальной стабильностью от партии к партии и не создает дополнительных проблем обладателям 3Д принтеров.

3D принтер для печати стелек должен отвечать следующим характеристикам: технология печати FDM, обладать экструдером типа Direct и иметь область печати, соответствующую максимальному размеру ноги. Если рассматривать бюджетное решение, то одним из таких принтеров является Raise3d E2.

Общий вид 3д принтера Raise3D E2

Процесс печати стелек на 3D принтере Raise3D E2

В зависимости от желания и требуемого финишного покрытия стельки вы можете задавать заполнение, а также выбрать делать или нет заливку первого и последнего слоя.  Это влияет на скорость печати, а также улучшает адгезионные свойства поверхности при использовании некоторых тяжелых материалов отделки верха стельки. 

Комплект стелек, напечатанный без заливки первого и последнего слоя. Скорость печати комплекта 1 час 30 минут.

Комплект стелек, напечатанный с заливкой первого и последнего слоя. Скорость печати комплекта 6 часов 40 минут. 

Видимые пропуски печати – это границы площадей слоев, поскольку закрытие происходит только в один слой. Не является дефектом и будет скрыто под финишным покрытием.

Как видно – полная заливка первого и последнего слоев значительно увеличивают время печати, при этом появляется возможность использовать различные материалы отделки верха стельки, такие как натуральная кожа, различные натуральные или синтетические ткани, или полиуретан с эффектом памяти, а также EVA (вспененный этиленвинилацетат). Мы считаем, что полное заполнение необходимо только для тяжелых материалов, которые для надежной фиксации клеем требуют большую область контакта.

Принтер способен работать круглосуточно, в том числе и без присмотра оператора, но из-за того, что на стол помещаются 2 стельки, то максимально эффективной будет ночная печать заданий, требующих полного заполнения первого и последнего слоя, а в течение дня печать заданий без заполнения. Так у вас будет возможность комбинировать задания и максимально эффективно использовать оборудование и рабочее время.

Четвертый  этап – обработка и финишное покрытие

Сразу после печати на 3д принтере стельки готовы к нанесению финишного покрытия. Если во время печати появились лишние наплавления или требуется удалить переходы между слоями и секторами – их можно удалить механически.

Вы можете предлагать различные варианты верхнего слоя стельки – на рынке они представлены в различных цветах. Покрытие продается как предварительно вырезанное по контуру стельки, и его остается приклеить к напечатанной модели и обрезать выступающие за границы стельки части, так и в рулонах. А также они бывают как с нанесенным клеевым слоем, так и без него. 

Предварительно вырезанные заготовки стелек с клеевым слоем.

В среднем стоимость материала EVA на комплект стелек составляет 40 рублей, при использовании материала в рулоне без клеевого слоя, и 170 рублей при использовании предварительно отформованной заготовки с нанесенным клеем.

Готовые стельки с разным вариантом отделки верха

Теперь стельки готовы и их можно передать клиенту.

Описание решения для производства стелек и его преимущества

Мы предлагаем готовое решение для производства ортопедических стелек, которое состоит из 3D сканера, программного обеспечения IsoleCAD и 3D принтера с набором расходных материалов и профилем под них.  Программное обеспечение лицензируется бессрочно и не имеет дополнительных платежей за количество созданных стелек или загруженных проектов.

Особенности и преимущества решения:

Гибкость. Если вы планируете помимо стелек снимать мерки и скан ступни под колодку – мы изменим 3D сканер, и он будет обладать расширенным функционалом.  Мы рекомендуем использовать 3D принтер для изготовления стелек, поскольку это быстрее, чище и точнее, но при желании возможно использование ЧПУ станка.

Легкое масштабирование.  Приобретая решение – вы приобретаете большой потенциал развития. Бутылочным горлышком решения является 3D принтер – его производительность ниже производительности сканера и ПО. Таким образом при масштабировании в первую очередь вы начнете строить 3D ферму из идентичных 3D принтеров, увеличивая с каждым новым устройством потенциальный объем выпускаемых стелек. Сканер способен работать непрерывно, а время, затрачиваемое на одного пациента, составляет 5 минут. Программное обеспечение лицензируется на одно рабочее место, при этом можно организовать удаленный доступ внутри компании к рабочему месту, на котором оно установлено для последовательной работы докторов из разных мест. Вторым пунктом для масштабирования будет увеличение количества 3D сканеров, для создания большей зоны покрытия вашего города или региона.

Возможность разнесения производства по максимально эффективным локациям. Вы можете поставить 3Д сканер в месте, которое будет удобно посетить клиенту – ортопедические салоны, магазины спортивной обуви или кабинет доктора. Первый этап по сканированию не требует большой площади и особенных требований к помещению - для работы нужна площадь в 1 кв. метр и персональный компьютер. Благодаря облачным технологиям и высокой скорости передачи данных, создание стельки в CAD программе доктором может происходить в любом месте, где есть компьютер и доступ к сети, а печать -  в третьем. Таким образом вы можете организовать комфортные и удобные для клиентов места для сканирования, удобный для доктора режим и место работы, и эффективное и недорогое помещение для печати и производства, объединяя эти локации при помощи облачных технологий, а готовую продукцию доставляя в пункты выдачи или курьерскими службами.

Расчет стоимости и времени производства

Сканирование ступней пациента и подготовка к новому сканированию – 10 минут

Моделирование в CAD программе – взяли среднее значение в 35 минут

Стоимость 1 килограмма материала (Катушка пластика eTPU-95A Esun, 1.75 мм, 1 кг) составляет 3300 рублей. При среднем весе стельки 44 грамма – мы можем рассчитывать на 10 готовых комплектов стелек, что составляет 330 рублей за пару. (10% заложили на прочистку экструдера, подложку и прочие операции принтера).  Время печати 90 минут + 10 минут на смену задания.

Финишный слой стельки будем считать по максимальной стоимости – 170 рублей за пару, а время на приклеивание, финишную обработку и подрезку считаем как 20 минут.

Итого время изготовления одного комплекта составит 165 минут, или 2 часа 45 минут.

Все оборудование, в том числе и компьютер, имеет энергопотребление около 500Вт, значит за это время на электроэнергию будет потрачено: 5,46 р/кВт*(165минут*500Вт)/60минут=7,50 рублей  

В расчет не закладываем стоимость работы, аренду и амортизацию оборудования, поскольку это индивидуально в каждом случае.

Себестоимость изготовления комплекта стелек составляет: 330р+170р+7,50=507,5 рублей.

Количество изготовленных комплектов за рабочий день – 3 (8 часовой рабочий день с перерывом на обед, не учитываем ночную печать)

Стоит отметить, что в этом расчете мы все операции делаем последовательно, при серийном производстве – операции должны совершаться параллельно, как например печать и пост обработка стелек, напечатанных ранее, но мы не будем углубляться, поскольку хотим показать эффективность применения этого метода даже при грубом и завышенном расчете.

При стоимости пары стелек в 10000 рублей, окупаемость комплекта оборудования произойдет на 159 комплекте стелек, производство которых займет 53 рабочие смены. 

Этим расчетом мы хотим показать эффективность и целесообразность применения 3D принтера для производства стелек как для докторов частной практики, так и для создания масштабных центров производства ортопедических стелек в том числе федерального значения, поскольку при масштабировании значительно снижается как время производства каждого комплекта стелек, так и себестоимость.