РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ДЕРЖАТЕЛЬ ПОСУДЫ ДЛЯ ЛЮДЕЙ С ОГРАНИЧЕННЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ МЕТОДОМ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Научный руководитель: Гневашев Денис Александрович, к.т.н., доцент кафедры ОМДиАТ

Введение

Самостоятельное выполнение повседневных действий является важной частью реабилитации и социальной адаптации людей с ограниченными возможностями. Даже сравнительно простая операция, такая как удержание бутылки, требует сохранной силы хвата, подвижности пальцев и способности контролировать положение ёмкости при подъёме и наклоне. При последствиях инсульта, травмах кисти, заболеваниях суставов и других двигательных нарушениях бутылка может выскальзывать, проворачиваться или вызывать быструю утомляемость руки.

Существующие адаптивные поильники, манжеты, ременные фиксаторы и съёмные ручки частично облегчают удержание ёмкости и приём жидкости. Однако большинство таких изделий имеет универсальную конструкцию и рассчитано на усреднённые размеры и форму кисти. Рассмотренные патентные решения также предлагают типовые модели ручек и держателей для чашек и бутылок, которые не проектируются индивидуально под конкретного пользователя и не учитывают особенности положения его пальцев, ладони и способа хвата [1–3]. В связи с этим актуальной является разработка персонализированного держателя, геометрия которого формируется с учётом анатомических и функциональных особенностей конкретного человека и при необходимости может быть скорректирована в цифровой модели без изготовления новой технологической оснастки.

В настоящее время аддитивное производство (АП) все больше и больше охватывает различные отрасли промышленности для создания как прототипа так и изделия для функционального применения [4,5]. Наибольшее применение АП находит в области медицины, народного хозяйства, машиностроения и т.д.

В данной статье рассматривается технологический маршрут изготовления индивидуального держателя бутылки для людей с ограниченными возможностями методом аддитивного производства, на основе применения FDM – технологии. Этот подход позволит создавать изделия, обладающие высокой степенью индивидуализации, что значительно повысит их эффективность и комфорт для пользователей. Также, применение 3D-технологии сократит время производства и снизит затраты на производство. Экономический эффект разработки и реализации данной работы заключается в возможности снижения затрат и получении высокого уровня точности и качества продукции, что позволит увеличить доходную составляющую при коммерциализации проекта.

1. Анализ проблемы

Обычная пластиковая бутылка имеет гладкий цилиндрический корпус и не содержит отдельного элемента для захвата. Пользователь должен обхватывать её пальцами и постоянно создавать усилие сжатия. При сниженной функции кисти нагрузка концентрируется на пальцах, из-за чего возникает боль, утомление и риск падения ёмкости. Дополнительную нестабильность создаёт перемещение жидкости внутри бутылки при наклоне.

К разрабатываемому изделию предъявляются несколько взаимосвязанных требований. Держатель должен уменьшать необходимость силового хвата, распределять нагрузку на ладонь, препятствовать провороту бутылки и не создавать локального давления на болезненные участки руки. Одновременно изделие должно иметь небольшую массу, достаточную жёсткость, возможность очистки и технологичную форму для единичного изготовления.

Применение традиционного литья под давлением для такой задачи нерационально, поскольку для каждого варианта кисти потребовалась бы отдельная пресс-форма. Аддитивное производство позволяет создавать изделие непосредственно по цифровой модели и оперативно изменять его геометрию. В результате персонализация выполняется на этапе моделирования, а производственное оборудование остаётся неизменным.

2. Проработка конструкции и технологического процесса

Создание индивидуального держателя бутылки с применением физических слепков, 3D-сканирования, цифрового моделирования и аддитивного производства. Основной задачей является получение функциональной модели, объединяющей анатомически адаптированную ручку и посадочную зону для бутылки. Для получения исходной геометрии использовали два слепка из самозатвердевающего материала. На Рисунке 1 изображены готовые слепки.

Рисунок 1. Исходные слепки: а) слепок кисти; б) слепок обхвата бутылки

Первый слепок воспроизводит форму кисти пользователя и применяется при формировании ручки держателя. Второй слепок получают при обхвате бутылки; он позволяет определить реальное положение ладони, пальцев и корпуса бутылки при использовании изделия. Совместное применение двух слепков даёт возможность учитывать не только анатомию кисти, но и функциональную позу руки.

Перевод физических объектов в цифровую форму выполнялся с помощью 3D-сканера RangeVision Spectrum, работающего по технологии структурированного света [6]. Перед сканированием выбиралась рабочая зона, проводилась калибровка оборудования, а поверхность слепков обрабатывалась матирующим составом. Сканирование выполнялось в программе RV 3D Studio с использованием поворотного стола (рисунок 2). Для получения полной геометрии каждый объект сканировался с нескольких ракурсов, после чего отдельные фрагменты автоматически и вручную совмещались.

Рисунок 2. Получение цифровых данных: а) сканирование слепка кисти; б) сканирование слепка обхвата бутылки

После очистки данных и устранения лишних фрагментов были сформированы полигональные модели в формате STL (Рисунок 3).

Рисунок 3. Полигональные модели: а) слепок кисти; б) слепок обхвата бутылки

Полигональная сетка достаточно точно передаёт поверхность слепка, но её непосредственное использование в конструкторской модели затруднено из-за большого количества треугольных элементов.

Для дальнейшего редактирования модели импортировались в КОМПАС-3D Учебная версия [7]. По полигональной геометрии были построены сплайновые поверхности, повторяющие форму слепков. После получения непрерывной поверхности ей придавалась толщина, в результате чего каждый слепок преобразовывался в твердотельный объект. Такой подход позволил сохранить индивидуальные особенности поверхности и одновременно получить геометрию, пригодную для включения в конструкцию держателя (рисунок 4).

Рисунок 4. Преобразование моделей: а, в) сплайновые поверхности; б, г) твердотельные модели слепков

Следующим этапом являлось объединение двух твердотельных слепков с базовой моделью держателя бутылки. При выполнении операции в КОМПАС-3D не удалось получить полностью корректное соединение сложных органических поверхностей: между элементами сохранялись разрывы и резкие переходы. Поэтому окончательная сборка и доработка выполнялись в Blender 3D [8]. В этой среде были объединены ручка, сформированная по слепку кисти, зона обхвата бутылки и основной каркас держателя. Инструментами работы с полигональной сеткой были устранены разрывы, сглажены переходы и сформирована единая замкнутая геометрия.

Рисунок 5. Итоговая цифровая модель индивидуального держателя бутылки

Готовая модель экспортировалась в формат STL и загружалась в Bambu Studio. Для изготовления выбрана технология FDM/FFF, поскольку она подходит для единичных функциональных изделий, не требует пресс-формы и позволяет использовать термопластичные полиуретаны. Печать выполнялась на 3D-принтере Bambu Lab P2S с системой AMS [9].

Материалом служил Bambu Lab TPU for AMS. По сравнению с жёсткими пластиками TPU обеспечивает более комфортный контакт с рукой и лучшее сцепление с поверхностью бутылки. При этом выбранная марка обладает достаточной формоустойчивостью для основной конструкции держателя. Перед печатью материал просушивался в системе AMS. Это необходимо из-за гигроскопичности TPU: влага в филаменте приводит к образованию пузырей, пор, нитей, неровной поверхности и нестабильной экструзии. Основные параметры подготовки 3Д печати изделия представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные технологические параметры изготовления держателя

На рисунке 6 показаны этапы печати изделия:

Рисунок 6. Этапы печати: а) слайсинг модели; б) печать изделия; в) напечатанное изделие с поддержками

В результате работы был изготовлен индивидуальный держатель для бутылки объёмом 0,5 л. Конструкция разработана с учётом формы кисти конкретного пользователя и особенностей обхвата бутылки. Изделие помогает снизить нагрузку на пальцы, уменьшить риск выскальзывания бутылки и сделать её удержание более удобным. Готовое изделие продемонстрировано на Рисунке 7.

Рисунок 7. Готовое изделие

3. Результаты

В результате работы разработан технологический процесс изготовления индивидуального держателя бутылки, основанный на сочетании реверс-инжиниринга и аддитивного производства. Получена единая цифровая модель, в которой ручка сформирована по геометрии кисти, а положение бутылки уточнено с помощью отдельного слепка обхвата. Использование двух исходных объектов повышает точность привязки конструкции к реальному сценарию применения.

Применение сплайновых поверхностей позволило перейти от полигональных сканов к твердотельным объектам, а использование Blender 3D обеспечило корректное объединение сложных органических форм. Выбранный маршрут позволяет повторно использовать базовую модель держателя, заменяя только индивидуальные участки, соответствующие новому пользователю.

Опытное изделие из TPU for AMS имеет расчётный расход материала 105 г и изготавливается за 4 часов 50 минут. FDM/FFF-печать исключает необходимость индивидуальной оснастки, поэтому корректировка формы после примерки сводится к изменению цифровой модели и повторной печати. Это делает предложенный процесс применимым для единичного и малосерийного производства ассистивных изделий.

Дальнейшая работа должна включать пользовательскую примерку, оценку удобства длительного удержания бутылки, проверку надёжности фиксации и при необходимости корректировку контактных зон. При этом сохранение цифровой модели позволяет воспроизводить изделие без повторного сканирования, если геометрия кисти пользователя не изменилась.

Вывод

В результате работы разработан технологический процесс изготовления индивидуального держателя бутылки для людей с ограниченными возможностями. Применение двух слепков позволило учесть форму кисти пользователя и положение руки при обхвате бутылки. Полученные модели были оцифрованы, обработаны и объединены с основной конструкцией держателя.

Готовое изделие изготовлено методом FDM/FFF-печати из материала Bambu Lab TPU for AMS. Разработанный подход позволяет получать персонализированные держатели без изготовления специальной оснастки, а при необходимости быстро корректировать цифровую модель под особенности и пожелания конкретного пользователя.

1. Федеральный закон от 24.11.1995 № 181-ФЗ «О социальной защите инвалидов в Российской Федерации» [Электронный ресурс]. – URL: https://pravo.gov.ru/ (дата обращения: 08.06.2026).
2. ГОСТ Р 51633–2019. Устройства и приспособления реабилитационные, используемые инвалидами в жилых помещениях. Общие технические требования.
3. RU30719U1. Держатель для бутылки [Электронный ресурс]. – URL: https://patents.google.com/patent/RU30719U1/ru (дата обращения: 08.06.2026).
4. Гневашев Д.А., Яфаева Р.А. Разработка технологии изготовления индивидуальной ортопедической стельки с применением аддитивного производства. Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2025 (ICMSSTE 2025). Материалы международной научно-практической конференции. Ялта, 27–30мая 2025.стр. 157-162.
5. Gnevashev, D.A., Goryacheva, K.L. Properties of Rematitan CL Titanium Powder Samples Fabricated by an Additive Technology for Arthrodesis in Veterinary Medicine. Russian Metallurgy (Metally)this link is disabled, 2022, 2022(13), pp. 1818–1824
6. RangeVision Spectrum. 3D-сканер [Электронный ресурс]. – URL: https://rangevision.com/products/spectrum/ (дата обращения: 08.06.2026).
7. КОМПАС-3D. Система трёхмерного проектирования [Электронный ресурс]. – URL: https://kompas.ru/kompas-3d/ (дата обращения: 08.06.2026).
8. Blender. Free and Open Source 3D Creation Suite [Электронный ресурс]. – URL: https://www.blender.org/ (дата обращения: 08.06.2026).
9. Bambu Lab P2S [Электронный ресурс]. – URL: https://bambulab.com/en/p2s (дата обращения: 08.06.2026).

Все статьи автора «Асанова Мария Владимировна»