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Diseño y análisis de esfuerzos en prótesis trantibial impresas en 3D

INDICE página

Acerca de los autores…………………………………………2

Objetivo……………………………………………………….… 3

¿Qué son las prótesis?........................................................4

¿Qué es una impresora en 3D?...........................................5

Diseño……………………………………………………….…….8

Estudios…………………………………………………………12

Prótesis impresa…………………………………………..…..13

Conclusiones……………………………………………….….15

Bibliografía………………………………………………….….16


Acerca de los autores

Mauricio Iván Saldaña Martínez 1531561Estudiante de ingeniería en mecatrónica en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León con especialidad orientada hacia a biodispositivos, actualmente cursa el 8vo semestre, realiza prácticas en el Hospital Universitario Dr. José Eleuterio González, en el área de Ingeniería biomédica. Maneja diseño de mecanismos en CAD.

Rafael Jasso Almaguer 1486381Estudiante de 8° semestre de la carrera de ingeniero mecatrónica en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León con orientación en biodispositivos. Egresado de la Escuela Industrial Álvaro Obregón con la especialidad de técnico en electrónica. Realizó su servicio social en el laboratorio de investigación en ingeniería eléctrica en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Maneja el diseño de componentes en CAD. Tiene interés por el campo de diseño de prótesis y biodispositivos.

Orlando Lara CarrizalesEstudiante de 8° semestre de la carrera de Ingeniero en Mecatrónica con orientación en biodispositivos en la FIME, de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Egresado de la Escuela Industrial Álvaro Obregón con la especialidad de técnico en Mecatrónica, realizo su servicio social en el departamento de máquinas y herramientas en la Facultada de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Domina software de diseño CAD y de análisis Hidráulico y Neumático Tiene intereses en el diseño mecánico eléctrico e hidráulico y biodispositivos

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Objetivo

El objetivo de diseñar y construir una prótesis transtibial o por debajo de la rodilla, es ayudar a personas de escasos recursos, de diferentes edades sin importar el sexo. Primero se hará el diseño de acuerdo a las necesidades de cada paciente; ya que antes se tenía que adaptar a un estándar de fabricación o era de bajo pedido y esto aumentaba su costo de producción, pero lo hacía inaccesible para muchas personas, sin embargo la construcción de estas prótesis será construido por medio de una impresora en 3D, se inicia haciendo el diseño mediante un modelado por computadora.

Actualmente el uso de impresoras en 3D parece bastante prometedor, hoy en día está creciendo mucho el uso de las impresoras en 3D, tanto para usos domésticos como industriales, aunque aún sigue siendo una forma precaria de fabricación, los materiales empleados por las impresoras son limitados, el cual se imprimirá en un material llamado ABS, es un tipo de plástico resistente y duro, que permite ser lijado, pulido, taladrado, pintado, y pegado con acetona, esto ayuda más fácil el uso manejable del material, esto ayuda mucho a la construcción de piezas mecánicas.

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¿Que son las prótesis?

Las prótesis mecánicas o de tiro: son prótesis con dispositivos de

apertura y cierre mediante cables y cintas de sujeción unidos al cuerpo y a

su lado contrario que por la tracción ejercida al tensor abre o cierra a

voluntad.

Este tipo de prótesis son funcionales pero con unas limitaciones de

movimiento, ya que necesitan de la energía propia para su movimiento y

obliga a hacer movimientos de tensión para su funcionalidad.

Las prótesis electrónicas (mioeléctricas): fueron desarrolladas basadas

en la biónica, la cibernética, la robótica, la mecatrónica y es por esta razón

que se les conoce con diferentes nombres para describirlas, como son

prótesis cibernéticas, biónicas, mioeléctricas, mecatrónicas,

electromecánicas, entre otras; pero todos estos términos solo describen

una prótesis desarrollada con la combinación de la electrónica y la

mecánica y controlada muscularmente.

La prótesis eléctrica: estos sistemas de fuerza externa se controlan con

dispositivos eléctricos accionados por el paciente con un interruptor, o por

contracción muscular, este último utiliza electrodos situados en puntos

específicos dentro de la cuenca protésica, esta señal captada por los

electrodos es aumenta y enviada a los subsistemas que con servomotores

activan las distintas utilidades de la prótesis, convirtiéndolo en la más

cómoda, funcional y semejante al miembro perdido.

Las prótesis híbridas son prótesis sobre implantes fijas hechas de metal-

resina.

Es una opción de tratamiento rehabilitador con implantes dentales de

calidad y económico con numerosas ventajas funcionales y estéticas.

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¿Qué es una impresora en 3D?

Una impresora 3D es una máquina capaz de realizar "impresiones" de diseños

en 3D, creando piezas o maquetas volumétricas a partir de un diseño hecho por el

ordenador. Surgen con la idea de convertir archivos de 2D en prototipos reales o

3D. Es un dispositivo capaz de generar un objeto sólido tridimensional mediante la

adición de material. Las impresoras 3D se basan en modelos 3D para definir qué

se va a imprimir. Un modelo no es sino la representación digital de lo que vamos a

imprimir mediante algún software de modelado.

El funcionamiento se basa en un inyector y cabezal que se mueve en 3

dimensiones XYZ, el software usa un modelo 3D seccionado en capas de hasta

0.1 mm de espesor, por lo que la impresión se realiza capa por capa, una vez que

el cabezal termina de inyectar el material para una capa, este se mueve en el eje

Z y pasa a una segunda para realizar el mismo proceso. Debido a que el proceso

es capa a capa, el tiempo de impresión suele tardar horas, y entre más complejo

sea el modelo más tiempo demora

Para poder realizar el diseño de las piezas que se quiere realizar con la impresión

3D se necesita de algún software de diseño, de los cuales podemos escoger

alguno de los siguientes:

Tinkercad

OpenSCAD

SolidWorks

Catia

Blender

AutoCAD

Muchos de estos programas son muy sencillos de utilizar, ya que las interfaces

son muy agradables para el usuario, además algunos de estos nos presentan

herramientas especiales para poder saber si nuestro diseño cumple con las

características esperadas tanto en forma como rendimiento.

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Los materiales que actualmente pueden utilizarse para ‘imprimir’ son variados y lo

cierto es que influyen bastante en el coste de la impresora. Cualquier impresora de

bajo coste suele funcionar con termoplásticos como el PLA o ABS. Pero nos

encontramos impresoras capaces de trabajar con metal, fotopolímeros o resina

líquida, aunque resultan prohibitivas para entornos no industriales.

El ABS se usa extensivamente en los procesos de fabricación. Al tener un punto

de fusión alto, se puede utilizar para fabricar contenedores de líquidos calientes,

hay que extruirlo a unos 230-260 grados y hay que imprimirlo en impresoras con

cama caliente.

Al llegar al punto de fusión el ABS desprende gases que en concentraciones altas

pueden ser nocivos. Se puede utilizar sin problemas en casa o en la oficina, pero

para evitar las concentraciones altas no se recomienda tener varias impresoras

funcionando en un espacio pequeño y sin ventilar.

El ABS se puede mecanizar, pulir, lijar, limar, agujerear, pintar, pegar etc. con

extrema facilidad, y el acabado sigue siendo bueno. Además, es extremadamente

resistente y posee un poco de flexibilidad. Todo esto hace que sea el material

perfecto para aplicaciones industriales.

¿Y qué usos puede tener una impresora 3D y en qué campos? La lista es larga,

desde piezas de instrumental médico o incluso implantes, En la actualidad se está

extendiendo su uso en la fabricación de prótesis médicas, ya que la impresión 3D

permite adaptar cada pieza fabricada a las características exactas de cada

paciente; pasando por sus aplicaciones en la arquitectura, donde puede pensarse

en imprimir objetos e incluso estructuras, aplicaciones aeroespaciales, educación,

y por supuesto el uso doméstico y semi profesional que abre múltiples opciones y

se presenta como el futuro de la tecnología.

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Equipo a utilizar

Prótesis mecánicas

El i3 Prusa Mendel es la tercera versión de la fuente abierta impresora 3D

Prusa Mendel. Se basa en un marco de aluminio cortado por el cortador de

chorro de agua y varillas roscadas. Eje de movimiento se realiza sobre

cojinetes lineales, correas y poleas o varillas roscadas y NEMA 17 motores.

Material ABS

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Diseño

Es muy importante esta parte ya que, es donde se va a diseñar la prótesis, pero

esto ya sea que se haga estándar, o de acuerdo a las necesidades de cada

paciente, de acuerdo a sus gustos, se puede realizar la prótesis, sin perder su

funcionabilidad de remplazar una pierna y empezaremos con cada parte

explicándola a continuación.

Se usara el programa de solidworks para hacer las simulaciones, aplicando el

material con el que se desea trabajar, ya que es más factible encontrar los errores

en el programa a ya estando con el paciente.

Pie

Este es el primer modelo , que seria el, muy importante pieza ya que seria la base

del cuerpo, y como se observa, tiene la forma de un pie real, solo que del centro

tiene un pequeño orificio por el cual se unira con la otra pieza a continuacion.

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Pieza cople

Es la pieza el cual se unirá con el pie, pero también ayudara a hacer la articulación del tobillo. Esta piza unirá al resto de la prótesis.

Perno

Esta pieza hara la funcion de la articulacion del tobillo, pues se unira con esta

pieza, y se hara una pequeña rotacion.

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Negativo

En este modelo, será el ensamblaje, el cual unirá al perno, y la pieza cople el cual

realizara la función del tobillo, y como se observara tiene una ángulo en sus

extremos, el cual al momento de insertar la pierna por el orificio, se moverá a un

cierto ángulo, y eso ayudara a que tope con la otra pieza y no se rote de más.

Extensión

Esta última pieza, es opcional, en cuanto a la necesidad del cliente, esto quiere decir, que si el cliente solo desea eso, se hará así, o si quiere algún diseño en especial, solo para que se vea bien la pierna, también se puede hacer.

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Ensamblaje final

Como se puede observar en la siguiente imagen, vemos la protesis ya

ensamblada, con todas sus piezas respectivamente.



Estudios

Se realizó un estudio de fuerza, para saber cómo sería el modelo una vez impreso

en 3D, y los resultados fueron favorables, ya que si es resistente el material para

una persona.

Tensiones de 400 N

Como se puede observar si soporta una fuerza de 400 N , está en zona verde, y

soporta todavía mas peso.

Desplazamientos



Prótesis impresa





Conclusiones

Este es solo un prototipo, para luego hacerlo a tamaño real.

La idea de este proyecto es mejorar el estilo de vida de las personas que han perdido su miembro inferior, pero a la vez ayudar a las personas de escasos recursos.

La prótesis de pierna empezó con la idea de ayudar a las personas más necesitadas, y también porque son accesible para la gente.

Este proyecto aún no termina, ya que se irán haciendo mejoras, en el diseño, o para implementar con otro material. Y así tener el mismo fin, de ayudar a las personas pero mejorando su estilo de vida, y tener una prótesis estéticamente bien.



Bibliografía

http://www.amputee-coalition.org/spanish/easyread/military-instep/feet-ez.html

http://www.amputee-coalition.org/spanish/inmotion/jan_feb_11/skin_issues_lower.html

http://www.amputee-coalition.org/spanish/inmotion/nov_dec_04/sockettech.html

Prótesis unicompartimental versus osteotomía tibia Alta en la enfermedad degenerativa unicompartimental de rodilla J. M. GÓMEZ CANEDO, V. GIL TRÁNCHEZ y J. R. TRONCOSO DURAN Servicio de Traumatología y Cirugía Ortopédica. Policlínico de Vigo, S. A. (POVISA). Vigo.

LAS PRÓTESIS DE PIERNAS CON SISTEMA HIDRÁULICOSeptiembre 14, 2010Ing. Mario A Olcese

FABRICACION, ALINEACION Y SUSPENSION DE LA PROTESIS POR DEBAJO DE LA RODILLAhttp://www.oandp.com/news/jmcorner/library/protesica/LLP-09.pdf

Control System Design for a Prosthetic Leg Using Series Damping Actuatorhttp://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6413418

VALIDITY OF COMPRESSIVE LEG CHECKING IN MEASURING ARTIFICIAL LEG-LENGTH INEQUALITYhttp://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0161475403001519

Interexaminer Reliability of Activator Methods’ Relative Leg-Length Evaluation in the Prone Extended Positionhttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10626698


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