MODELADO, OPTIMIZACIÓN Y SIMULACIÓN DE ESTRUCTURAS IMPRESAS EN 3D CON PLA Y PET PARA FABRICACIÓN DE PRÓTESIS PARA PACIENTES DE BAJOS RECURSOS CON AMPUTACIÓN TRANSTIBIAL

MODELING, OPTIMIZATION AND SIMULATION OF STRUCTURES PRINTED IN 3D WITH PLA AND PET FOR THE MANUFACTURE OF PROSTHESIS FOR LOW RESOURCE PATIENTS WITH TRANSTIBIAL AMPUTATION

Carlos Alexis Alvarado Silva ^1a

Juan Carlos Vives Garnique^1b

Mercedes del Valle Castillo de Diaz^1c

Miguel Alejandro Diaz Castillo ^1d

Luis Gianfranco Suarez Saavedra ^1e

Fecha de recepción : 30 de Octubre del 2020

Fecha de aprobación : 01 de Diciembre del 2020

DOI : https://doi.org/

Resumen

En el presente trabajo se presenta el Diseño de una Prótesis de pierna utilizando materiales poliméricos como ABS 3D y PLA los cuales son comerciales y fáciles de trabajar. El diseño de la prótesis se desarrolló en el software SolidWorks para un mejor estudio elaborando tres piezas las cuales se unen por medio de roscas; para el análisis de cargas en la prótesis se utilizó la herramienta de simulación que contiene el SolidWorks logrando determinar Tensiones y Factores de seguridad comparados en cada material de acuerdo a la zona donde es aplicada la carga por lo que se observó que el ABS 3D la Tensión de Von Mises varía de 0.475 MPa a 5.26 MPa y el Factor de Seguridad varía de 64.652 a 5.467, mientras que en el material PLA la Tensión de Von Mises varía de 0.44 MPa a 5.068 MPa y el Factor de Seguridad va desde 86.418 a 7.263. Finalmente se concluye que el material adecuado para el Diseño de la Prótesis es el PLA por ser más resistente y tener un mayor factor de seguridad en el análisis.

Palabras clave: Diseño de prótesis, PLA, ABS 3D, Factor de seguridad.

Abstract

The present work presents the Design of a Leg Prosthesis using polymeric materials such as ABS 3D and PLA, which are commercial and easy to work with. Therefore, the design of the prosthesis was developed in the SolidWorks software for a better study, elaborating three pieces which are joined by means of threads; For the analysis of loads in the prosthesis, the simulation tool that contains SolidWorks was used, managing to determine Tensions and Safety Factors compared in each material according to the area where the load is applied, so it follows that the ABS 3D Tension Von Mises stress ranges from 0.475 MPa to 5.26 MPa and the Safety Factor ranges from 64.652 to 5.467, while in PLA material the Von Mises Stress ranges from 0.44 MPa to 5.068 MPa and the Safety Factor ranges from 86.418 to 7.263. Finally, it is concluded that the appropriator toe material for the Design of the Prosthesis is PLA because it is more resistant and has a greater safety factor in the analysis.

Keywords: Prosthesis design, PLA, 3D ABS, Safety factor.

1. Introducción

Una prótesis es un aditamento anatomo-mecánico que sustituye de forma total o parcial un segmento y la función de este (Claudillo, 2016). Anteriormente las prótesis se elaboraban en una sola pieza principalmente de materiales duros y pesados, como madera, acero y resina. Este tipo de prótesis son conocidas como prótesis convencionales, actualmente se siguen fabricando, pero únicamente para las personas que ya están acostumbrados al uso de ellas y no desean cambiar por un sistema diferente. (CIDOP Ortopedia, 2019)

Las prótesis son dispositivos mecánicos diseñados para reproducir la forma y/o la función de un miembro (o parte de él) ausente. Cada día hay más personas discapacitadas que acceden a estos dispositivos para poder llevar a cabo una vida normal que les permita desarrollarse plenamente como una parte activa de la sociedad. (Bautista, 2007).

El avance y desarrollo tecnológico de las prótesis durante los últimos años ha permitido una evolución significativa en el ámbito del diseño y de la manufactura en diversas industrias tecnológicas incluyendo la industria biomédica. Uno de los campos de utilización más importante para los materiales compuestos es en la industria ortopédica, donde su principal función es en la manufactura de prótesis. (Hernández M. S., Reyna Carranza, Nuño, Huegel West, & Castañeda, 2018).

La impresión en 3D es una tecnología de fabricación aditiva especial, novedosa y creativa que crea objetos a través del modelo digitalizado sin las tradicionales máquinas de corte o fundición costosas. También tiene un predominio absoluto en la producción de componentes con formas complejas y componentes de múltiples materiales en comparación con cualquier otro método. Mientras tanto, se puede guardar una gran cantidad de materias primas durante el proceso de impresión. Ahora, los componentes de impresión en 3D a menudo aparecen en diversos campos, como biomedicina, aeroespacial, ingeniería automotriz, ingeniería civil, alimentos y así entre otros. (Joel Hurley, 2019)

El estudio está orientado a desarrollar el diseño de una prótesis de pie para amputados transtibiales, previamente construida en SolidWorks, en la cual se verifica la respuesta mecánica de la prótesis a través de la puesta en marcha de una ecuación diferencial que modela la marcha humana, y para la cual fue implementada la prótesis, con el objetivo de reducir el precio de las prótesis de alto desempeño disponibles comercialmente. Enfocado a salud financiera, presentara desventajas comparativas en su sector comercial. Lo cual se refleja en logística interna y logística externos lentas ocasionando en la organización incapacidad para prestar un nivel de servicio adecuado y aumentara el riesgo financiero a lo largo de toda la operación empresarial.

2. Materiales y Métodos

En este apartado se detallan los materiales y el método utilizado con el fin obtener el concepto de diseño de la prótesis, tomando los requerimientos y las funciones de estas. Los requerimientos de diseño se explican en la Tabla 1, la cual contiene también las funciones respetivas a cada descripción de diseño.

Tabla 1.

Requerimientos de diseño.

Fuente: Elaboración propia.

Para el diseño conceptual de la pieza protésica se realizó una matriz morfológica en la cual se plantean diversas opciones o combinaciones de los distintos elementos para el diseño (tabla 2). Se obtendrán de la tabla: combinación 1, combinación 2, combinación 3, combinación 4 y combinación 5.

Tabla 2.

Matriz morfológica.

Fuente: Elaboración propia.

1. Descripción de elementos a utilizar

• Acople: Es unir una o más piezas que puedan ser ajustadas perfectamente.

• Halterofilia: Es el levantamiento del peso máximo posible en una barra en cuyos extremos se fijan varios discos, que son los que determinan el peso final que se levanta.

• Sockets: Es el encaje protésico, es decir, el componente que propicia la conexión entre el miembro residual (muñón) y el resto de la prótesis.

• Acople con resorte: Es un tipo de acoplamiento autoalineable flexible permanente. Son torsionalmente flexibles y compensan de manera efectiva las desalineaciones axiales, radiales, angulares y rotacionales

• Acople imantado: Es la unión de una a más piezas a través de imanes para que se más fuerte la atracción sobre algún material.

• Pie con acopié: Es la unión del pie sobre una pieza la cual es el proceso de unir todo.

• Pie ergonómico: El pie protésico será lo más ergonómico posible, es decir debe ser de bajo peso con el fin de que al usarlo en largos lapsos de tiempo la persona no se agote. Debe encajar adecuadamente al muñón del pie sin generar daño en los tejidos, irritación en la piel entre otros. Así mismo, el material con el cual será diseñado no generará malos olores en el momento en que este tenga contacto con algún tipo de líquido, específicamente el sudor de la persona.

• Pie con amortiguador: Pie diseñado para pacientes que presentan amputación transfemoral o tibial, unilateral o bilateral, amputación a nivel de cadera y desarticulación de rodilla. El módulo se compone de pie y tobillo con amortiguador de talón regulable de resistencia media. Por su diseño, es posible ajustar la dureza del amortiguador del talón de forma precisa sin necesidad de desmontar la prótesis, a través de su tornillo posterior. 

2. Selección de diseños:

Se obtuvieron 5 combinaciones para el diseño conceptual de la prótesis que se muestra en la matriz morfológica. Los criterios de selección de diseño conceptual están basados en puntuaciones y porcentajes que se han considerado de acuerdo a material utilizado, procesos de manufactura, ensamble, costos, eficiencia y otros más escogidos por el equipo de trabajo (Tabla 3).

Tabla 3.

Proceso de evaluación durante la fase conceptual.

Fuente: Elaboración propia.

La validación se realizará teniendo en cuenta los ponderados: 0 Muy malo; 1 Malo; 2 Regular; 3 Bueno; 4 Muy bueno.

El diseño de concepto se obtendrá de las combinaciones en la matriz morfológica que serán evaluadas y comparadas mediante la puntuación elegida como se muestra en la Tabla 4.

Tabla 4.

Comparación de las combinaciones.

Fuente: Elaboración propia.

La combinación seleccionada es la numero 5, como se muestra en la Tabla 5.

Tabla 5:

Combinación seleccionada.

Fuente: Elaboración propia.

3. Descripción de concepto

L a combinación 5 se encuentra el diseño de una prótesis compuesta por la faja superior seguida de un socket de que en el extremo inferior lleva una rosca para encajar en un acople intermedio y finalmente éste enrosca en el pie. La prótesis será elaborada de material polímero. (Figura 1). Finalmente se ha seleccionado esta combinación para llevar a cabo el diseño de prótesis. por la accesibilidad para adquirir el material.

Fuente: Elaboración propia

3. Resultados

Para el desarrollo de resultados se realizaron pruebas con dos tipos de materiales polímeros: ABS 3D y PLA, los cuales son los materiales de uso más común para impresión 3D, que de acuerdo con sus propiedades marcan diferencias en los factores de seguridad finales.

En el análisis del diseño protésico seleccionado se utilizó un modelo isotrópico elástico lineal, y se evaluó mediante el software Solidworks, utilizando como propiedades de los materiales y unidades para la simulación las siguientes:

Tabla 6.

Propiedades de los materiales de diseño

Fuente: Elaboración propia.

Tabla 7.

Unidades utilizadas en el estudio

Fuente: Elaboración propia

Para cada uno de los análisis realizados, se utilizó el mismo ensamble, aplicándose las siguientes propiedades de malla para la simulación:

Tabla 8.

Características de malla

. Fuente: Elaboración propia

La figura 2 muestra la distribución de la malla aplicada en toda la prótesis para la realización del estudio.

Fuente: Elaboración propia

1. Análisis de Simulación I

Para este primer análisis se utilizaron las propiedades del ABS 3D de la tabla 7. Para el estudio I y II se analizó cada uno de los elementos de la combinación 5 (socket, acople y base) la que se muestra en la tabla 10

Tabla 9.

Funciones de diseño para Simulación I y II

Fuente: Elaboración Propia

Una vez realizada esta prueba, sometemos a la prótesis a una carga de 350.00 N en el socket teniendo como resultado que se generarán reacciones en la planta del pie en los tres ejes coordenados (X, Y, Z) tal y como se muestra en las figuras 3 y 4.

Fuente: Elaboración propia

Posteriormente, se realizó el análisis de la tensión de Von Mises con una tensión máxima de 0.475 MPa y el cálculo del Factor de Seguridad resultando en 64.652 por cargas verticales (Figura 5)

Fuente: Elaboración propia

Fuente: Elaboración propia

Para este análisis el factor de seguridad se muestra muy elevado debido a que la simulación desarrollada es para fuerzas verticales, sin embargo, para este primer estudio no se consideró la carga por flexión que es común durante el trayecto de caminar. En ese sentido resulta de suma importancia simular la prótesis con una carga flexionada

2. Análisis de Simulación II

Con los mismos datos de material ABS y unidades descritos en el análisis I, se realizaron nuevos cálculos aplicando cargas extra de sujeción y flexión (Figura 7 y 8).

Fuente: Elaboración propia

Fuente: Elaboración propia

Para este nuevo estudio, el resultado de Von Mises es de 5.26 MPa y el cálculo del Factor de Seguridad Minimo es de 5.467 por cargas en flexión, siendo un valor aceptable para el estudio. (Figura 9)

Fuente: Elaboración propia

Luego el nuevo desplazamiento hallado es de 5.368 mm y la deformación unitaria es de 5.339x10-3. (Figura 10)

Fuente: Elaboración propia

3. Análisis de Simulación III

En el siguiente análisis e propone una simulación con el socket y base elaborados con material ABS 3D y el acople con material PLA, puesto que este último presenta valores de resistencia mayor, adecuados para los esfuerzos a los que está sometido la pieza. De esta forma, el análisis de cada elemento para la simulación III y IV se muestra en la tabla 9.

Tabla 10.

Funciones de diseño para Simulación III y IV

Fuente: Elaboración Propia

Para este análisis se utilizan las mismas cargas utilizadas en la simulación I, mostradas en las figuras 4 y 5.

La tensión máxima obtenida por Von Mises es de 0.44 MPa y el Factor de Seguridad mínimo 1 para la pieza del socket con PLA es de 86.418 por cargas verticales (Figura 11).

Figura 11. Lado izquierdo: Tensión de Von Mises 1 (PLA). Lado derecho: Factor de Seguridad 1 (PLA)

Finalmente, se realiza el análisis de deformación resultando en un desplazamiento de 0.48 mm y una deformación unitaria de 3.459x10-4 como se puede apreciar en la figura 12.

Fuente: Elaboración propia

4. Análisis de Simulación IV

Con los mismos datos de material PLA y unidades utilizados del material PLA, así como las cargas utilizadas en la simulación 2 (figuras 8 y 9), se realizaron nuevos cálculos aplicando cargas extra de sujeción y flexión.

Con estos parámetros, se obtiene que la tensión mínima de Von Mises es de 0.003 MPa, la tensión máxima de Von mises es de 5.068 MPa, además, el Factor de Seguridad hallado es de 7.263 por cargas en flexión (figura 13).

Fuente: Elaboración propia

Finalmente, el desplazamiento encontrado tiene como valor 4.829 mm y la deformación unitaria mínima es de 3.608x10-6 también la deformación máxima que tiene un valor de 3.903x10-3, tal y como se muestra en la figura 14.

Fuente: Elaboración propia

Alcances de la Impresión 3D

Realizado el diseño y simulación de cada pieza de la prótesis en el software Solidworks, se exportará al programa Ultimaker Cura con la finalidad de saber cuánto de material se va utilizar para la impresión de la pieza y en que te tiempo se podrá realizar la impresión de la prótesis, de esta forma, la configuración seleccionada será de una prótesis de 3 piezas, base (ABS 3D), socket (ABS 3D) y acople (PLA) elegida como resultado de las simulaciones óptimas III y IV. (Figura 15)

Fuente: Elaboración propia

Se detalla a continuación los tiempos de impresión acorde a diferentes velocidades de impresión utilizadas para cada pieza en cuestión conforme Tabla 11.

Tabla 11.

Caracteristicas de Impresión – Piezas de configuración y simulación óptima

Fuente: Elaboración propia

Finalmente, la prótesis ensamblada se imprimirá a una velocidad de 80 mm/s, seleccionada en base a referencias por ser una velocidad media que permite una correcta integración y fundición del material disminuyendo las posibilidades de fallas por problemas de impresión. De esta forma, el tiempo de impresión final será de 31 horas con 55 minutos, con un peso total de 423 gramos. Los pensados para la fabricación son una combinación de ABS 3D para la base y el socket y PLA para el acople.

4. Discusión

Se realizan cuatro simulaciones, las dos primeras corresponden a análisis solo con el uso de material ABS 3D, mientras que las numero tres y cuatro se realizan combinaciones con PLA en las piezas en las que se encontraron mayores esfuerzos y un factor de seguridad bajo.

Para la simulación I se da como resultado una Tensión máxima de 0.475 MPa. A partir de la simulación de desplazamiento obtenemos resultados máximos de 0.052 mm, una deformación unitaria mínima de 1.023x10-8 y una deformación unitaria máxima de 4.839x10-4, finalizando el primer análisis obtenemos un FS Mínimo 1 el cual es de 64.652 por cargas verticales; dichos datos son observables en las figuras 5 y 6 .

A fin de mejorar el estudio, sobre los resultados de la simulación I se trabaja una simulación II anexando cargas flexionantes y de sujeción, que asemejan la caminata, llegando a obtener esfuerzos de Von Mises es de 5.26 MPa con un nuevo desplazamiento hallado de 5.368 mm y la deformación unitaria es de 5.339x10-3 y un FS de 5.467; los datos son observables en las figuras 9 y 10.

En la tercera simulación se aplica la misma carga de 350 N obteniendo una tención máxima por Von Mises es de 0.44 MPa con un desplazamiento de 0.48 mm y una deformación unitaria de 3.459x10-4. A partir de esto se procede a calcular el Factor de Seguridad mínimo 1 con PLA el cual es de 86.418 por cargas verticales (figuras 12 y 13).

Para finalizar el análisis, con la configuración de la simulación III y las fuerzas flexionantes y de sujeción de la simulación II se realiza el estudio final, obteniendo que la tensión mínima de Von Mises es de 0.003 MPa y la tensión máxima de Von mises es de 5.068 MPa. El desplazamiento encontrado tiene como valor 4.829 mm y la deformación unitaria mínima es de 3.608x10-6 también la deformación máxima que tiene un valor de 3.903x10-3 con un FS de 7.263 (figuras 13 y 14).

Por último, para la impresión 3D se recomienda una configuración combinada de ABS 3D para el socket y la base, mientras que para el acople se utilice PLA, por ofrecer un mejor FS.

5. Conclusiones

Se concluye que de los 5 modelos de diseño propuestos se escogió el más eficiente y el de más fácil ensamblaje, mostrando luego de las simulaciones para impresión con ABS 3D y PLA resultados favorables para su fabricación.

La utilización del software SolidWorks permitió valorar las características y propiedades, definición del material y optimización geométrica del modelo, además de la vialidad y rentabilidad, cantidad de materiales, tiempo y costes de fabricación, además de favorecer la exportación al programa de impresión 3D.

Los materiales utilizados en la simulación de prótesis son comerciales, facilitando la fabricación posterior del modelo en futuros estudios.

La deformación unitaria para cualquier material es mayor aplicando cargas de flexión, semejantes a las que está sometida la prótesis durante la caminata, siendo este un aspecto que requiere mayores estudios para optimizar el diseño presentado.

Se concluye que existe una mayor resistencia del material polímero PLA con respecto al material utilizado inicialmente (ABS 3D) por lo tanto es más confiable para el diseño de partes críticas.

De los elementos diseñados, ciertas piezas están sometidas a mayores esfuerzos que otras. Teniendo en cuenta esto, y que al variar el nivel de relleno al momento de la impresión se puede conseguir mayor resistencia por parte del material, se requieren estudios posteriores en donde el “nivel de relleno” sea una variable principal a fin de evaluar no solo la factibilidad mecánica del diseño, sino también la económica y mejorar el tiempo de impresión.

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