Diseño de prótesis transtibial utilizando materiales compuestos e impresión 3D por sinterización selectiva por láser

Abstract

Resulta indudable que la amputación de una extremidad inferior afecta negativamente la calidad de vida de la persona. De acuerdo a datos del Servicio Nacional de Discapacidad cerca de un 1% de la población adulta chilena presenta una ausencia o amputación de alguna de las extremidades CENADIS (2022). El objetivo general de este trabajo es proponer el diseño de una unidad de pie de prótesis transtibial fabricada mediante el uso de materiales compuestos e impresión 3D por sinterización selectiva por láser que se encuentre en capacidades de cumplir las pruebas exigidas por la normativa ISO 10328. La prótesis a diseñar contempla un nivel de carga P5, el cual corresponde a una masa corporal máxima de 100 [kg]. La normativa para la validación de prótesis contempla tres pruebas principales: una prueba de carga estática, una prueba de carga última estática, y por último una de resistencia a fatiga. Primero, se comienza definiendo el diseño de la prótesis considerando para ello 2 posibles propuestas, junto a la adición o no de una división a lo largo del cuerpo principal. Se opta por una configuración de un cuerpo principal de PA-12 de dimensiones 300 x 106 x 128 [mm] de largo ancho y alto respectivamente, geometría que en la zona de tobillo posee un plano angulado en 45◦ para la conexión con un adaptador SACH de geometría personalizada de acero. Mientras que para el laminado, se establece una forma de ballesta, el cual propicia de rigidez y absorción de energía a la prótesis. Para los laminados, se establecen 3 configuraciones distintas T800H {[0/90]3s}3, T800H{[45/90/ − 45/0]2s}2 y T800H{[0/60/ − 60]3s}3 todos con un espesor total de 6[mm]. En cuanto al ensamble del sistema, este considera a grandes rasgos el cuerpo principal de PA-12 de 806[cm3], los laminados descritos y el adaptador de pie-inferior a 45° personalizado, el cual presenta una cabeza cuadrada en la parte superior para unirse a piezas comerciales, dentro de dichas piezas comerciales se tiene el pilón estructural con adaptador hembra de 30 [mm] de diámetro, la abrazadera hembra para la parte superior y el adaptador de encaje, todos los componentes comerciales son de la marca Ottobock, y se encuentran certificados para un nivel ¨P5 de la normativa ISO 10328. El modelo CAD del ensamble es exportado al software de elementos finitos ANSYS para las simulaciones de las distintas pruebas establecidas en la normativa. Se comienza con la prueba última estática en antepié, donde se obtiene que la prótesis cumple la prueba para el nivel superior e inferior de carga y los resultados no varían según los distintos laminados. En la simulación de antepié se obtiene que para los niveles superior e inferior de carga existe volumen bajo falla en el cuerpo de PA-12 y los laminados de carbono. Al analizar los resultados, se escoge como laminado la configuración con orientación {[0/60/−60]3s}3, puesto que se concluye que éste es el que menor porcentaje de volumen en falla de material presenta, teniendo para nivel inferior de carga última estática un 0,0006% y 0,1370% de volumen relativo de falla en el cuerpo de PA-12 y el laminado de fibra de carbono, respectivamente. Concluyéndose que ambos representan un volumen relativo pequeño ante una posible falla por fractura. Para la misma prueba estática última, se continua con un análisis de confiabilidad del cuerpo de PA-12. Para ello se modela la resistencia del material como una distribución normal, mientras que los esfuerzos para nivel superior e inferior se modelan mediante una distribución de Weibull. Se obtiene una confiabilidad del cuerpo de PA-12 de R = 99, 93131% y R = 99, 55978% para los niveles superior e inferior de carga en antepié respectivamente. Por último se se analiza la carga a fatiga exigida por la normativa. Para ello se modelan las fuerzas como onda sinusoidal según lo dictaminado por la norma. Para el laminado, se observa que los esfuerzos se distribuyen en cada lámina preferentemente siguiendo las direcciones de las fibras, es por ello que se analiza el comportamiento a fatiga del material compuesto mediante los esfuerzos en dirección de las fibras. Se analizan los valores de esfuerzo medio y alternante de las 6 primeras y 6 últimas capas del laminado con la herramienta de diagramas de vida constante de Kawai para un laminado unidireccional, obteniéndose que la totalidad del laminado se encuentra en cumplimiento de la carga para fatiga. Basado en los análisis desarrollados bajo carga estática y dinámica se concluye que la prótesis diseñada cumple en totalidad las exigencias de la normativa ISO 10328:2016 para su posible certificación.