Косметический протез икроножной мышцы, напечатанный на 3D-принтере

Возможно, вы уже знакомы с нашей историей создания функционального механического протеза пальцев и видели промежуточные результаты этой затеи, выросшей в отдельный проект. Недавно мой опыт создания протезов пополнился еще одним случаем, в этот раз наши скилы по 3D-сканированию, 3D-моделированию и 3D-печати нашли свое приложение в создании косметического протеза икроножной мышцы.

Потребность в уникальном косметическом протезе

Эта история началась с письма от девушки Ольги. У Ольги есть весьма экстремальное увлечение — парашютный спорт. В результате одного из прыжков при приземлении Ольга получила травму икроножной мышцы правой ноги. Теперь мышечная ткань ноги практически полностью отсутствует. Визуально это заметно, что доставляет дискомфорт девушке. По этой причине возникла потребность в создании косметического протеза. Протез должен быть максимально индивидуальным, с полным учетом всех анатомических особенностей травмированной ноги. По совету своей подруги Ольга обратилась ко мне.

Начинаем создавать косметический протез

Мы встретились с Ольгой и обговорили все детали работы. План действий выглядел следующим образом:

• 3D-сканирование ног
• 3D-моделирование
• 3D-печать косметического протеза
• Примерка

Сканирование ног

Первым делом нужно было отсканировать обе ноги: как поврежденную, так и здоровую. Для этого мы использовали сканер Artec Eva. Сканированием занимался инженер-конструктор Александр Городецкий, который и разработал корпус данного сканера. Удобно, что сканер не требует калибровки и использования маркеров. Он делает около 16 кадров в секунду, которые автоматически совмещаются. Нам требовался скан достаточно высокой точности, поэтому работа велась кропотливо, не обошлось и без повторных проходов сканером.

Даже самое тщательное сканирование не означает, что после завершения этого процесса вы получите идеальную и абсолютно готовую 3D-модель. Скан — это лишь хорошая заготовка, облако точек, над которым еще предстоит потрудиться и «собрать» твердое тело. Сканирование вместе с перерывом на кофе заняло примерно часа два.

Создание 3D-модели косметического протеза

Данный этап работы был самым трудоемким и долгим. Эту задачу взял на себя мой хороший товарищ и опытный 3D-моделер Валерий Караогланян. Перед ним стояла новая для него задача — создать из имеющихся двух облаков точек (сканы здоровой ноги и травмированной) 3D-модель косметического протеза с учетом всех пожеланий Ольги. Готовых решений этой задачи не было.
Первый шаг — твердотельное 3D-моделирование в SolidWorks.
Когда были готовы твердотельные 3D-модели обеих ног, модель здоровой ноги была отзеркалена с поправками на высоту, затем из нее «вычли» объемную модель поврежденной ноги и задали допуски для того, чтобы кожа «дышала».

Сначала идея состояла в том, что и внутренняя, и внешняя поверхности будут сетчатыми (и в какой-то момент обе поверхности такими и были). По просьбе Ольги сеткой сделали лишь внутреннюю поверхность протеза, а внешнюю оставили сплошной, что привело к дополнительным изменениям внешних частей протеза.
Для создания поверхности в виде сетки пришлось немного пожонглировать 3D-моделью из одной программы в другую. Сначала ее импортировали в ZBrush, чтобы сделать UV-развертку и создать модуль сетки, после этого в программе Photoshop сетка была наложена на развертку, затем 3D-модель снова вернулась в ZBrush. На этом этапе возникла проблема с приданием толщины, ZBrush не дает такой возможности, поэтому в процесс был вовлечен еще и 3DS Max.

Параллельно Александром Городецким велась разработка и 3D-моделирование креплений в программе SolidWorks. Когда они были готовы, их «слили» с основной 3D-моделью косметического протеза:

На создание 3D-модели, конечно, потребовалось время. То, что я описал в двух предыдущих абзацах — это краткое и поверхностное описание процесса. Дизайнеру же пришлось приложить весь свой опыт и выстроить алгоритм создания подобной 3D-модели с нуля, а это не просто. В итоге у нас на руках была полноценная, готовая к 3D-печати модель косметического икроножного протеза.

Время 3D-печати

3D-печать — это финишная прямая создания протеза. В качестве материала для 3D-печати мы выбрали белый прочный пластик PA 2200 (полиамид). Очень прочный и легкий материал отлично подошел для нашей цели — создания косметического протеза, который будет часто использоваться. Для производства объектов из этого материала применяется технология выборочного лазерного спекания (Selective Laser Sintering), когда в массе порошка лазер спекает материал в заданных местах, «выращивая» объемную модель.

Этап был волнителен: мы всей командой с нетерпением ждали, когда можно будет взять готовый протез в руки и перейти к следующему шагу — примерке.

Примерка икроножного косметического протеза

Примерка протеза, как и ожидалось, выявила как его достоинства, так и недостатки, избежать которые в первой итерации было сложно. При сборке протеза на ноге крепления сработали как надо, и сам корпус сел ровно по ноге.
Стало ясно, что необходимо использовать какой-то мягкий материал в качестве прослойки между кожей ноги и самим протезом, так как нога потеет, а текстура самого материала слегка шероховата на ощупь. Возможно, если бы внешнюю поверхность протеза оставили также сетчатой, это бы решило проблему с вентиляцией, нога бы лучше «дышала».

Примерка состоялась, пока у Ольги не было возможности активно использовать протез, так как лето было жарким. Так что основные испытания косметического протеза еще впереди.

Резюме

Это был наш первый опыт создания косметического протеза. В процессе мы сделали немало ошибок, несколько раз прошли по кругу, совершили лишние действия. Но он показал нам не только наши недочеты, но и наши возможности, многому научил, теперь мы знаем короткие пути и эффективные решения.
Самое важное мнение в этой истории — мнение Ольги. Она осталась довольна результатом, по ее словам, он оправдал ее ожидания. Она поблагодарила нас за работу и обещала делиться результатами дальнейших испытаний протеза.

Доступные возможности технологий

Примечательный момент во всей этой истории в том, что воспользоваться промышленной технологией 3D-печати, намного проще, чем могло бы показаться. Применяя профессиональное оборудование и знания, можно получить желаемый качественный объект — прототип, протез, фигурку, украшение, функциональную деталь, ракетный двигатель, да практически все, что только может прийти вам в голову.
Неудивительно, что интернет полнится статьями о том, что кто-то и где-то создал что-то при помощи 3D-печати. Также неудивительно и то, что мнения по поводу возможностей этой технологии разнятся — кто-то настроен скептически, кто-то является ярым приверженцем домашних 3D-принтеров, а кто-то не упускает возможность похоливарить на тему достоинств и недостатков аддитивных технологий. Но на мой взгляд не надо превозносить или умалять заслуги 3D-печати, надо просто использовать ее для эффективного решения задач как и любые другие технологии. Если у вас есть какие-то интересные предложения или идеи, которые вы хотели бы воплотить, добро пожаловать в комментарии, может быть, мы вместе сможем создать что-то интересное.

Источник: habrahabr.ru/post/237141/