FABRICACIÓN DE UN PROTOTIPO DE UNA PRÓTESIS DE …

FABRICACIÓN DE UN PROTOTIPO DE UNA PRÓTESIS DE MIEMBRO INFERIOR TRANSTIBIAL MEDIANTE TECNOLOGÍAS ADITIVAS DE ACUERDO CON LAS

MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DEL PACIENTE

SERGIO ANDRÉS BOHÓRQUEZ VESGA

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS FACULTA DE INGENIERÍA MECÁNICA

DIVISIÓN DE INGENIERÍAS BOGOTÁ D.C.

2018

FABRICACIÓN DE UN PROTOTIPO DE UNA PRÓTESIS DE MIEMBRO INFERIOR TRANSTIBIAL MEDIANTE TECNOLOGÍAS ADITIVAS DE ACUERDO CON LAS

MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DEL PACIENTE.

SERGIO ANDRÉS BOHÓRQUEZ VESGA

Proyecto para trabajo de grado para la solución de un problema de ingeniería.

Director: Ing. Marco Antonio Velasco Peña

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS FACULTA DE INGENIERÍA MECÁNICA

DIVISIÓN DE INGENIERÍAS BOGOTÁ D.C.

2018

3

CONTENIDO

1 OBJETIVOS ......................................................................................................... 12

1.1 GENERAL .................................................................................................... 12

1.2 ESPECÍFICOS ............................................................................................. 12

2 MARCO REFERENCIAL ...................................................................................... 13

2.1 MARCO CONCEPTUAL ............................................................................... 13

2.1.1 Amputación 13

2.2 MATERIALES DE FABRICACIÓN (3D) ........................................................ 13

2.3 MARCO TEÓRICO ....................................................................................... 14

2.3.1 Principales componentes de una prótesis transtibial 14

2.3.2 Manufactura aditiva 14

2.3.3 Clasificación de la Manufactura aditiva 15

3 SELECCIÓN DE PROTESIS TRANSTIBIAL ........................................................ 17

3.1 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL “THE FLEX-FOOT” ...................... 17

3.1.1 Componentes de la prótesis 17

3.1.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas 18

3.1.3 Desempeño mecánico de la prótesis 19

3.2 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL BREEZE ...................................... 19




3.3 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL ACCENT ...................................... 20




3.4 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL SIDEKICKS .................................. 23




3.5 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL FOOT MODEL I ........................... 24




3.6 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL LOW COST 3D PRINTABLE

PROSTHETIC FOOT .............................................................................................. 26


4



3.7 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL PRÓTESIS POR INYECCIÓN DE

PLÁSTICO .............................................................................................................. 27




3.8 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL PRÓTESIS ECONÓMICA A PARTIR

DE ALMIDÓN DE MAÍZ .......................................................................................... 29




3.9 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL CRYPTIC PATTERN LEG

PROSTHESIS ......................................................................................................... 30




3.10 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL LEG FOR INMOOV ...................... 32




3.11 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL - ICRC .......................................... 34



3.11.3 Desempeño mecánico 35

3.12 MODELO DE PRÓTESIS PROSTHESIS LEG ............................................. 35




3.13 IDENTIFICACIÓN DE LAS RESTRICCIONES ............................................. 36

3.14 REQUERIMIENTOS FUNCIONALES FIJOS ................................................ 37

3.15 REQUERIMIENTOS FUNCIONALES DESEABLES ..................................... 37

3.16 ¿QUIÉN? VS. ¿QUÉ? .................................................................................. 40

3.17 ANÁLISIS DE LA PONDERACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL

CLIENTE: ................................................................................................................ 41

3.18 GENERACIÓN DE ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA ......................... 45

3.19 RELACIONES ENTRE LOS REQUERIMIENTOS FUNCIONALES Y LAS

ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA. ¿CÓMO MEDIR QUÉ? ............................ 45

5

3.20 ¿QUÉ VALOR ES SUFICIENTE? ................................................................. 46

3.21 ANÁLISIS DE MEDICIÓN DE ESPECIFICACIONES DE INGENIERA ......... 48

3.22 RELACIÓN ENTRE LAS ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA. ............... 50

3.23 ANÁLISIS DE BENCHMARKING .................................................................. 50

3.24 DESCRIPCIÓN DE LA PRÓTESIS SELECCIONADA .................................. 53

3.25 DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL ............................................................... 53

3.26 MODELO CAD DE LA PRÓTESIS SELECCIONADA ................................... 55

3.27 CONCLUSIONES DEL CAPITULO .............................................................. 56

4 CARACTERIZACIÓN DE DIMENSIONES ANTROPOMÉTRICAS DEL USUARIO EN EL MODELO DE PRÓTESIS ELEGIDA ........................................ 58

4.1 MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DE MIEMBRO SANO Y RESIDUAL ........ 58

4.2 RELACIÓN DE LAS MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS CON LA PRÓTESIS Y

EL SOCKET ............................................................................................................ 60

4.2.1 Alturas antropométricas 61

4.2.2 Longitudes antropométricas 62

4.2.3 Anchuras antropométricas 62

4.3 MEDIDAS GEOMÉTRICAS DE LA PRÓTESIS ............................................ 63

4.3.1 Alturas antropométricas 63

4.3.2 Longitudes antropométricas 63

4.3.3 Anchuras antropométricas 64

4.4 TOMA DE MEDIDAS DE MIEMBRO INFERIOR SANO ............................... 64

4.4.1 Protocolo para la toma y registro de medidas antropométricas 64

4.4.2 Descripción general del proceso de medición 65

5 PARAMETRIZACIÓN DEL MODELO CAD DE LA PRÓTESIS TRANSTIBIAL TENIENDO EN CUENTA LAS MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DE USUARIOS A EVALUAR ..................................................................................... 67

5.1 METODOLOGÍA DE PARAMETRIZACIÓN MODELO CAD PRÓTESIS

TRANSTIBIAL ......................................................................................................... 67

5.1.1 PARAMETRIZACIÓN EN EL SOFTWARE SOLID WORKS 2016 67

5.2 RAZÓN DIMENSIONAL ENTRE PRÓTESIS Y MEDIDAS

ANTROPOMÉTRICAS DE USUARIO ..................................................................... 72


6 FABRICACIÓN DEL ELEMENTO DE PIE DE LA PRÓTESIS MEDIANTE MANUFACTURA ADITIVA FDM .......................................................................... 75

6.1 MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS ..................................................... 75

6.1.1 Impresora 3d Multoo Voxel 1.5 75

6.2 SOFTWARE DE IMPRESIÓN 3D ................................................................. 75

6.2.1 Software cura 15.04.6 75

6

6.3 VARIABLES DE MANUFACTURA ................................................................ 78

6.4 PROCESO DE IMPRESIÓN ......................................................................... 79

6.4.1 Flujograma proceso de impresión 79

6.5 DISTRIBUCIÓN DE IMPRESIÓN ................................................................. 83

6.5.1 Impresión y retiro de las piezas 83

6.5.2 Resultados de impresión 86

6.6 ENSAMBLE DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL .................................................. 86

6.7 PIEZAS FABRICADAS Y ESTANDARIZADAS DEL ENSAMBLE DE

PROTESIS TRANSTIBIAL ...................................................................................... 88


7 TIEMPOS Y COSTOS ......................................................................................... 89

7.1 TIEMPOS DE MANUFACTURA DE LA PROTESIS ..................................... 89

7.2 COSTOS ASOCIADOS AL PROCESO DE IMPRESIÓN .............................. 89

7.3 COSTOS ASOCIADOS AL PROCESO DE ENSAMBLE .............................. 90

7.4 COSTOS FINALES ....................................................................................... 90

7.4.1 Comparación costos finales vs prótesis Laboratorio Gilete 91

8 CONCLUSIONES ................................................................................................ 92

9 RECOMENDACIONES ........................................................................................ 94

7

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Niveles de Amputación en el miembro inferior ......................................... 13 Tabla 2. Identificación de las restricciones ............................................................ 37 Tabla 3. Numeración, descripción de los requerimientos funcionales deseables .. 37 Tabla 4. Numeración, descripción de los requerimientos funcionales deseables .. 37 Tabla 5. Relación requerimientos y estudio de mercado. ...................................... 39

Tabla 6. Valoración ponderada de los requerimientos fijos y deseables ............... 40 Tabla 7. Tabla de colores de la ponderación de los requerimientos funcionales. .. 41 Tabla 8. Características técnicas de Prótesis. ....................................................... 42 Tabla 9 Continuación Tabla 7 ................................................................................ 43 Tabla 10 Continuación Tabla 7 .............................................................................. 44

Tabla 11. Relación requerimientos con la descripción de las especificaciones. .... 45 Tabla 12. Análisis entre target, improvement y especificaciones de ingeniera ...... 48

Tabla 13. Ponderación de los productos en el mercado ........................................ 50 Tabla 14 Continuación Tabla 12 ............................................................................ 52

Tabla 15 Ponderación requerimientos alta ponderación vs prótesis ...................... 53 Tabla 16 Análisis de flujos de energía y subfunciones Modelo prótesis 6 ............. 54

Tabla 17 Análisis de flujos de energía y subfunciones Modelo de prótesis 8 ........ 55 Tabla 18 Relación medidas antropométricas con prótesis y socket....................... 60 Tabla 19. Descripción del Proceso de parametrización paso a paso. .................... 71

Tabla 20. Equivalencia de pie protésico ................................................................ 72 Tabla 21. Medidas Antropométricas de pie ............................................................ 72

Tabla 22. Calculo de razones Dimensionales Pie protésico .................................. 73

Tabla 23. Configuraciones Pre proceso de impresión ........................................... 76

Tabla 24 Descripción del Proceso de fabricación paso a paso. ............................. 82 Tabla 25. Características y Descripción de Material Utilizado ............................... 89

Tabla 26. Tiempos de impresión en Minutos de la totalidad de proceso de manufactura realizados .................................................................................. 89

Tabla 27. Costos Asociados al proceso de Impresión ........................................... 89

Tabla 28. Costos Asociados al proceso de Impresión ........................................... 90 Tabla 29. Costos Asociados al tiempo hombre. ..................................................... 90

Tabla 30. Costos Asociados Finales ...................................................................... 90 Tabla 31 Costos prótesis Labs. Gilete vs Costos prótesis Universidad Santo Tomas

........................................................................................................................ 91

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Niveles de Amputación en el miembro inferior ......................................... 13 Figura 2 Principales componentes de una prótesis transtibial ............................... 14 Figura 3 Esquema de la secuencia de proceso de fabricación por AM ................. 15 Figura 4 Modelo de prótesis transtibial Flex Foot .................................................. 17 Figura 5. Plano explosionado prótesis transtibial Flex Foot ................................... 18

Figura 6 Modelo de prótesis transtibial Breeze ...................................................... 19 Figura 7 Piezas prótesis transtibial Breeze ............................................................ 20 Figura 8 Modelo de prótesis transtibial Accent ...................................................... 21 Figura 9. Partes prótesis transtibial Accent ............................................................ 22 Figura 10. Modelo de prótesis transtibial Sidekicks ............................................... 23

Figura 11. Modelo explosionado prótesis transtibial Sidekicks .............................. 24 Figura 12 Modelo de prótesis transtibial Foot Model I ........................................... 25

Figura 13 Piezas prótesis transtibial Foot Model I ................................................. 25 Figura 14. Modelo prótesis transtibial Low cost 3D printable Prosthetic Foot ........ 26

Figura 15. Piezas prótesis transtibial Low cost 3D printable Prosthetic Foot ......... 27 Figura 16. Modelo prótesis transtibial por inyección de plástico ............................ 28

Figura 17. Piezas prótesis transtibial por inyección de plástico ............................. 28 Figura 18 Prótesis económica a partir de almidón de maíz ................................... 29 Figura 19 Piezas prótesis económica a partir de almidón de maíz ........................ 30

Figura 20 CRE-004 Cryptic Pattern Leg Prosthesis ............................................... 31 Figura 21. Modelo explosionado CRE-004 Cryptic Pattern Leg Prosthesis ........... 31

Figura 22. Leg for inmoov ...................................................................................... 32

Figura 23 Piezas prótesis Leg for inmoov .............................................................. 33

Figura 24 Modelo de prótesis transtibial ICRC ...................................................... 34 Figura 25 Piezas prótesis transtibial ICRC ............................................................ 34

Figura 26 Prosthesis leg ........................................................................................ 35 Figura 27 Piezas Prosthesis leg............................................................................. 36 Figura 28 Relación de los requerimientos y especificaciones. ............................... 46

Figura 29 Relación de los requerimientos con especificaciones ............................ 47 Figura 30 Relación de las " target o limit valve" ..................................................... 47

Figura 31 Relación de los requerimientos funcionales y las especificaciones de ingeniería ........................................................................................................ 50

Figura 32. Modelos prótesis 6 y 8 .......................................................................... 53 Figura 33. Pie 3D PRINT ....................................................................................... 56

Figura 34. Vista lateral Pie 3D PRINT .................................................................... 56 Figura 35. Vista superior Pie 3D PRINT ................................................................ 57 Figura 36 Medidas antropométricas de pie y sentado de hombre colombiano entre

20 a 39 años. .................................................................................................. 59 Figura 37. Medidas antropométricas de pie de hombre colombiano entre 20 a 39

años. ............................................................................................................... 60 Figura 38 Alturas de pierna .................................................................................... 61 Figura 39 Altura de pie ........................................................................................... 62 Figura 40 Longitud de pie ...................................................................................... 62

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Figura 41 Anchura de pie ....................................................................................... 63 Figura 42 Altura de pie protesico ........................................................................... 63 Figura 43. Longitud pie protesico ........................................................................... 64 Figura 44 Ancho pie protesico ............................................................................... 64

Figura 45 Largo de pie ........................................................................................... 65 Figura 46 Alto de pie .............................................................................................. 66 Figura 47 Ancho de pie .......................................................................................... 66 Figura 48. Creación de tabla de diseño en el Software Solid Works 2016 ............ 68 Figura 49 . Creación de Tabla de diseño desde archivo en blanco de Excel ......... 68

Figura 50 . Configuración de escalas ..................................................................... 69 Figura 51 . Configuración de escalas dimensionales de los modelos analizados .. 69

Figura 52 .Visualización de tabla de diseño desde software Solid Works 2016 .... 70

Figura 53 . Actualización parametrica de archivo .................................................. 70 Figura 54. Ensamble prótesis transtibial ................................................................ 73 Figura 55 Vista frontal ............................................................................................ 74

Figura 56 Vista Superior ........................................................................................ 74 Figura 57. Software Cura ....................................................................................... 76 Figura 58. Creación de G-CODE desde el software Cura ..................................... 80

Figura 59 . Preparación de la cama de impresión .................................................. 80 Figura 60 . Configuraciones iniciales y Precalentamiento material de impresión... 81

Figura 61. Impresión de pie protésico .................................................................... 81 Figura 62. Primera etapa de impresión .................................................................. 83 Figura 63. Segunda etapa de impresión ................................................................ 84

Figura 64. Funciones de Soporte ........................................................................... 84

Figura 65. Bases de soporte para las piezas según necesidad de proceso .......... 85 Figura 66. Avance de proceso de manufactura con ayuda de soporte .................. 85 Figura 67. Proceso de Impresión finalizado pie protésico Neutro .......................... 86

Figura 70. Pie Protésico Finalizado ....................................................................... 86 Figura 71. Ensamble de Prótesis Transtibial CAD ................................................. 87 Figura 72. Ensamble de Prótesis Transtibial CAD ................................................. 87

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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En el diario vivir del ser humano se realizan una serie de actividades esenciales para su desarrollo como persona, una de ellas es el caminar, acción que para su correcta realización debe utilizar dos piernas. Así, el caminar en las personas se ve afectado debido a que algunas de ellas no cuentan con alguna parte o en su totalidad de un miembro inferior. Según la base de datos del Ministerio de Salud, en Colombia, la población con discapacidad está cerca de 395.000 personas las cuales cuentan con algún tipo de inhabilitación relacionada con el movimiento del cuerpo, ya sea a nivel de manos, brazos y/o piernas. El origen de discapacidad es principalmente consecuencia de accidentes de tránsito, violencia común, accidentes laborales, enfrentamientos armados, minas antipersona o enfermedad general [1].

Además, según el Ministerio de Salud, en el SISPRO (Sistema Integral de Información de la Protección Social) se encuentra el registro histórico de las amputaciones a nivel transtibial desde el año 2009 [2]. De estos datos se puede generar la proyección de demanda para el año 2021. Al observar el comportamiento de la demanda proyectada se puede inferir que, en Colombia, la población que se ve afectada por algún tipo de amputación en alguna de sus extremidades tiene una tendencia lineal con pendiente positiva. Es decir, que esta población al cabo de los años tenderá a seguir creciendo por lo que el mercado seguirá aumentando en los siguientes años en Colombia.

Las personas que sufren de algún tipo de amputación requieren una amplia red de servicios, desde intervenciones sencillas y económicas hasta complejas y costosas además de apoyo para el proceso de pre-amputación, amputación y post-amputación. El coste aproximado por paciente de amputación en Colombia, frente al coste de la prótesis estándar es de tres millones y medio de pesos [3], [4]. Por lo tanto, la situación socioeconómica de Colombia dificulta que un paciente pueda adquirir de manera fácil, rápida y económica una prótesis.

En la fabricación de prótesis de extremidades por medio de manufactura convencional generalmente se establecen los siguientes pasos: 1. Fabricación del socket a partir de las medidas antropométricas del paciente y de esta manera crear módulos positivos y negativos del muñón del paciente, 2. Fabricación mediante mecanizado CNC del adaptador – articulación (socket-tubo de alineación), 3. Fabricación de adaptador - articulación (tobillo - adaptador pie) mediante mecanizado CNC, 4. Fabricación de pie por medio de molde de inyección. Teniendo en cuenta la investigación realizada previamente se dedujo que el costo de mano de obra y el tiempo de fabricación de los elementos de una prótesis estándar es considerablemente alto [5], ya que en la fabricación se obtienen geometrías complejas a partir de materiales altamente dúctiles, que requieren el uso de herramientas de alta precisión como en el caso de fabricación de los adaptadores protésicos de encaje para prótesis. Por lo tanto ¿Cómo se puede manufacturar una prótesis transtibial a medida, de manera rápida y a bajo costo para que sea asequible a los colombianos? Dado a que esta problemática tiene una tendencia a aumentar a través de los años según la demanda proyectada y además tiene unos costos bastante altos de fabricación, hemos decidido desde el semillero de investigación (HED) realizar un estudio para plantear una solución a esta situación.

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2 JIUSTIFICACIÓN

En Colombia la necesidad de diseño y fabricación de prótesis de bajo costo es de gran importancia ya que muchas personas requieren uno de estos productos, pero hay restricciones por los altos costos que estos manejan en el mercado y las pocas empresas que solventan estas necesidades y dan el apoyo necesario para el proceso de pre-amputación, amputación y post-amputación.

El Ministerio de salud, en el documento de la "Sala situacional de Personas con Discapacidad" muestra que las personas con algún tipo de inhabilitación tienen un rango de ingresos muy bajo. Según el censo realizado por el Ministerio de Salud a personas con discapacidad, la mayoría de estas no tienen una fuente de ingresos sostenible. Aproximadamente tan solo cuatro mil (4000) colombianos con discapacidad tienen un sueldo mayor al millón y medio de pesos ($1´500.000); en cambio, aproximadamente un millón doscientos mil (1'200.000) de colombianos en situación de discapacidad tienen una fuente de ingresos menor a esta o simplemente no tiene una fuente de ingresos. [5]

Como podemos ver las personas que sufren algún tipo de discapacidad en la mayoría de los casos tienen muy poca capacidad económica por lo tanto difícilmente tendrá acceso a una prótesis en el mercado que cumpla sus expectativas, es decir una prótesis que sea económica, ergonómica y estética. Se pretende usar tecnologías aditivas y de escáner 3D para la fabricación de la prótesis de manera que sea económica y accesible para los colombianos de este modo se contribuirá de manera positiva a la problemática socioeconómica del país.

La realización de este proyecto va a satisfacer las necesidades de los colombianos que se encuentran en una compleja situación socioeconómica y que sufren amputación transtibial de pierna. Además, al manufacturar la prótesis por tecnologías aditivas, se obtendrán reducción en los tiempos de fabricación, poco desperdicio de material y obtención de geometrías complejas adicionalmente visualmente será más agradable. Del mismo modo, la adquisición de nuevos conocimientos y el uso de nuevas herramientas en la fabricación de prótesis nos permitirán reforzar e investigar y desarrollar a nivel científico la tecnología de impresión 3D que no es habitualmente usada en el país.

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3 OBJETIVOS 3.1 GENERAL Fabricar un prototipo de prótesis de miembro inferior transtibial mediante tecnologías aditivas de acuerdo con las medidas antropométricas del paciente. 3.2 ESPECÍFICOS

Seleccionar un modelo de prótesis transtibial que pueda ser fabricado mediante manufactura aditiva considerando criterios de costo y funcionalidad.

Fabricar el elemento pie de la prótesis mediante manufactura aditiva FDM.

Realizar un estudio de costos y tiempos de la fabricación de la prótesis.

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4 MARCO REFERENCIAL 4.1 MARCO CONCEPTUAL 4.1.1 Amputación La amputación es la separación o el corte de alguna extremidad del cuerpo en la mayoría de los casos por medio de una intervención quirúrgica. [5] 4.1.1.1 Niveles de amputación de miembro inferior Existen diferentes clasificaciones para los niveles de amputación de miembro inferior según el nivel al cual se encuentra la perdida de la extremidad. En este caso nos enfocaremos en prótesis Transtibial que es la perdida de la extremidad por debajo de la rodilla.

Figura 1 Niveles de Amputación en el miembro inferior

Fuente: Guía de Práctica Clínica [6]

4.2 MATERIALES DE FABRICACIÓN (3D) En el método de impresión 3D se emplean diversos materiales que cuentan con diferentes cualidades y características que hacen la diferencia entre el uso de una u otra tecnología. En la tabla 3 se observa cada una de las tecnologías de impresión 3D, materiales que emplean para la fabricación y aspectos a favor y en contra.

Tabla 1. Niveles de Amputación en el miembro inferior TECNOLOGÍA

ADITIVA MATERIAL DE FABRICACIÓN

ASPECTOS A FAVOR Y EN CONTRA

Estereolitografía Resinas fotosensibles

Alta definición de detalles, Alto acabado superficial, Translucidez, Media resistencia mecánica y baja durabilidad.

Polyjet Resinas fotosensibles

Alta definición de detalles, Alto acabado superficial, Translucidez, Media resistencia mecánica y baja durabilidad.

Deposición de hilo fundido (FDM)

Polímeros: ABS, PLA, PLC, policarbonato

Alta definición de detalles, Alto acabado superficial, Media resistencia mecánica y baja durabilidad.

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TECNOLOGÍA ADITIVA

MATERIAL DE FABRICACIÓN

ASPECTOS A FAVOR Y EN CONTRA

Sinterizado Selectivo con Láser (LS)

Polímeros (nylon, poli estireno), cerámicos y vidrio.

Baja definición de detalles, Baja acabado superficial, Alta resistencia mecánica y Alta durabilidad.

Sinterizado Láser Directo en Metal (DMLS)

Metales: acero, aluminio, titanio y aleaciones

Baja definición de detalles, Baja acabado superficial, Alta resistencia mecánica y Alta durabilidad.

Fuente: Iconofacto Volumen 12 Número 18 · Enero - junio de 2016

4.3 MARCO TEÓRICO 4.3.1 Principales componentes de una prótesis transtibial Teniendo en cuenta que la mira central de este proyecto se encuentra en la Manufactura de una prótesis transtibial, es fundamental abordar el tema de Manufactura Aditiva para fabricación de prótesis transtibial. Por lo tanto, se debe tener claro los componentes principales de una prótesis de miembro inferior; para ellos la Figura 3 expone los componentes:

Figura 2 Principales componentes de una prótesis transtibial

Fuente: Catálogo de ST&G CORPORATION 2012 PROSTHETICS & ORHTOTICS,

Catálogo de A. Streifeneder Prótesis Componentes de prótesis Extremidad interior. [7] [8] 4.3.2 Manufactura aditiva La Manufactura Aditiva es un procedimiento en el que a partir de la modelación de un archivo 3D en un ordenador, se logra construir un prototipo tridimensional, esto se consigue a través de una máquina de impresión 3D que convierte un modelo computarizado en un objetivo físico, mediante la adición sucesiva de capaz a escala micrométrica. Esta tecnología también es conocida como AM (Additve Manufacturing), prototipado rápido o impresión 3D.

Adaptador tubo-socket

Tubo con adaptador pie-socket

Adaptador pie-tobillo

Pie protésico

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Figura 3 Esquema de la secuencia de proceso de fabricación por AM

Fuente: Iconofacto Volumen 12 Número 18 · Enero - Junio de 2016 [9]

A diferencia de otras técnicas de manufactura convencionales, el proceso de manufactura por (AM) permite el libre diseño y personalización del producto. Además, es posible obtener geométricas complejas sin necesidad de moldes o matrices de fabricación. Debido a los beneficios que trae el uso de (AM), este es implementado por muchas empresas del sector industrial para la creación de modelos de prueba y en algunas ocasiones producto terminado. 4.3.3 Clasificación de la Manufactura aditiva La Manufactura Aditiva se clasifica en tres (3) grupos principales: 4.3.3.1 Extrusión El proceso de extrusión consiste en la adición de filamento a través de una boquilla que tiene como función fundir el material. El movimiento de la boquilla es controlado por medio de un software que permite el desplazamiento a través de los ejes X, Y, Z. La categoría de extrusión es comúnmente usada en la tecnología de extrusión Modelado por Deposición Fundida. (FDM) 4.3.3.2 Fusión Selectiva de Sustancias pulverizadas La Fusión Selectiva es una técnica que consiste en la adición de micro capaz de polvo de algún material, para que posteriormente se genere una fusión por algún medio externo, fundiendo así cada capa de material. La técnica de Fusión Selectiva de Sustancias pulverizadas es usada en las tecnologías de Sintonización Selectivo Laser (SLS) y Fundido Selectivo de Láser (SLM). 4.3.3.3 Foto polimerización La técnica de Foto polimerización consiste en la solidificación de capaz de resina en estado sólido o líquido. La solidificación de estas capaz se logra a partir de un patrón de luz en el caso de la resina liquida y de luz ultravioleta en el caso de resina sólida. Esta técnica es usada en las tecnólogas de (SLA) Estereolitografía (resina sólida) y (DLP) Procesado Digital de luz (resina liquida) [10]

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5 METODOLOGÍA DE TRABAJO

Nota: Esta será la metodología de trabajo para el desarrollo del actual trabajo de grado con el fin de cumplir el objetivo general del mismo.

SELECCIÓN DE PROTESIS TRANSTIBIAL

- Benchmarking

- Anañisis del mercado.

- Requerimientos del cliente.

- Descomposición funcional.

- Generación del modelo CAD.

PARAMETRIZACIÓN DE DIMENSIONES ANTROPOMÉTRICAS DEL USUARIO EN EL MODELO DE PRÓTESIS ELEGIDA

- Selección de medidas antropometricas.

- Relación de medidas antropometricas con modelo CAD.

- Toma de medidas a pie sano.

- Parametrización del modelo CAD deacuero a medidas de pie sano.

- Fabricación.

TIEMPOS Y COSTOS

- Evaluación de los materiales de fabricación.

- Evaluacion de tiempos de fabricación.

- Comparación con el mercado.

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6 SELECCIÓN DE PROTESIS TRANSTIBIAL

Para seleccionar un modelo de prótesis transtibial parametrizable, es necesario hacer una comparación de los diferentes tipos de prótesis existen en el mercado para de esta manera reconocer los distintos sistemas de prótesis que existen, sus materiales de fabricación, el número de piezas y el precio que manejan en el mercado. Para el desarrollo de esta comparativa se hace necesario evaluar diferentes fuentes de información como catálogos de productores de prótesis, elementos prótesis de fundaciones y elementos fabricados por universidades. A lo largo de este capítulo mediante la metodología Benchmarking que nos permite hacer la comparación de diferentes productos de acuerdo a unos requerimientos de cliente [11] .

6.1 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL “THE FLEX-FOOT” Este modelo de prótesis está diseñado para usuarios con un nivel de actividad en el rango bajo es decir pacientes con poca actividad física, caminatas a velocidad constante (pacientes con problemas de salud cardiovasculares). Esta prótesis tiene un peso de 544 g (peso del pie protésico) y esta considerada para usuarios con un peso máximo de 136 kg además tanto la tibia como el talón cuenta con tecnología de fuerza activa; es decir, que el pie protésico almacena energía de la caminata y la transforma en un impulso ofreciendo al paciente mayor comodidad y estabilidad. Su palanca de pie de longitud completa y diseño multiaxial ofrecen una transición suave desde el talón hasta la punta del pie [12]

Figura 4 Modelo de prótesis transtibial Flex Foot

Fuente: OSSUR 2016. [12]

6.1.1 Componentes de la prótesis La prótesis está compuesta por siete subensambles, los cuales tienen piezas particulares y estándar (arandelas, tornillos, tuercas, elementos de sujeción) con opciones de tamaño de tubo de 124 a 119 mm y tamaños de pirámide de 120 a 130 mm. El subensamble módulo de pie con placas en fibra de carbono en “J” con recubrimiento en goma para evitar el

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contacto de la prótesis con el suelo y extender su ciclo de vida. El módulo tibia cuenta con tres subensambles: El tubo que estará conectado al refuerzo interior para el tubo, el kit para la alineación de tubo de 30 mm o el kit para la alineación de tubo de fibra de vidrio. El subensamble Pirámide macho es el soporte que permitirá a la prótesis hacer la unión entre socket y pie protésico simulando la unión tobillo – pierna en el usuario.

Figura 5. Plano explosionado prótesis transtibial Flex Foot

Fuente: OSSUR 2016. [12]

6.1.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas Para la fabricación de esta prótesis se ven involucrados diferentes procesos de manufactura. Para la fabricación de los componentes de fibra de carbono (Kit modulo pie, pirámide macho, kit para la alineación de tubo) se manufacturarán a partir de capaz de fibra de carbono por proceso de moldeo, en el cual se da forma a cada una de las piezas en especial al kit de modulo pie que garantiza la forma en “J”. Una vez fabricados cada uno de estos elementos pasan a un proceso de perforado y roscado donde se realizan cada uno de los orificios para los elementos de sujeción y conexión del pie protésico. Finalmente, estos componentes tendrán un proceso de acabado superficial para mejorar su apariencia y rugosidad. Los elementos de sujeción y adaptadores son conjuntos estándar que podrán ser adquiridos.

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6.1.3 Desempeño mecánico de la prótesis Este diseño de pie protésico es de progresión y respuesta proporcional, es decir, que las fuerzas verticales generadas en la tibia y el talón a la hora de la caminata (contacto talón – suelo) por el principio de acción y reacción generan una fuerza de respuesta al impulso descrita como progresión tibial y de talón. Esta acción proporcional reduce la necesidad del usuario en generar fuerzas innecesarias evitando la fatiga del muñón y la pierna tras varias horas de uso. Este diseño está especialmente fabricado y probado para pacientes con nivel de impacto bajo, es decir para caminatas cortas o pocas horas de pie. 6.2 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL BREEZE Este modelo de prótesis está diseñado para usuarios con un nivel de actividad rango bajo es decir pacientes con poca actividad física, caminatas a velocidad constante (pacientes con problemas de salud cardiovasculares o pacientes con actividades moderadas tanto como en el hogar o en espacios abiertos). Esta prótesis tiene un peso de 523 g (peso del pie protésico) y esta considera para usuarios con un peso máximo entre 110 kg - 137 kg para pie con longitud entre 21 – 30 cm y altura 6.2 cm a 6.5 cm. Este pie protésico cuenta con un puerto de drenaje de agua opcional en la parte inferior del pie. Este pie garantiza mayor estabilidad a la hora de caminata ya que logra un 26% de contacto con el suelo durante la dorsiflexión. Además, está impregnado con un inhibidor de UV y plata pura para propiedades antimicrobianas. El pie Breeze ofrece una solución máxima a un costo mínimo [13].

Figura 6 Modelo de prótesis transtibial Breeze

Fuente: College Park Industries 2017 [13].

6.2.1 Componentes de la prótesis La prótesis está compuesta por cinco subensambles, los cuales tienen piezas particulares y estándar (elementos de sujeción). El subensamble módulo de pie con placas en fibra de carbono en “J” con recubrimiento en goma para evitar el contacto de la prótesis con el suelo y extender su ciclo de vida. El módulo tibia cuenta con tres subensambles; El tubo que estará conectado al refuerzo interior para el tubo, el kit para la alineación de tubo de 30 mm o el kit para la alineación de tubo de fibra de vidrio. El subensamble Pirámide macho es el soporte que permitirá a la prótesis hacer la unión entre socket y pie protésico simulando la unión tobillo – pierna en el usuario.

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Figura 7 Piezas prótesis transtibial Breeze

Fuente: College Park Industries 2017 [13].

6.2.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas Para la fabricación de esta prótesis se ven involucrados diferentes procesos de manufactura. Para la fabricación del componente de fibra de carbono (Foregell with Intelliweave technology) se manufacturará a partir de capaz de fibra de carbono por proceso de moldeo, en el cual se da forma al módulo pie que garantiza la forma en “J”. Una vez fabricados cada uno de estos elementos pasan a un proceso de perforado y roscado donde se realizan cada uno de los orificios para los elementos de sujeción y conexión del pie protésico. La funda para pasos suaves está fabricada con silicona a partir de un proceso de inyección de plástico con componentes inhibidores UV que garantiza una placa antibacteriana. Además, la funda trae un orificio en la planta del pie para que pueda ser usada como pie de baño (piscinas, mar, sandalias). Finalmente, estos componentes tendrán un proceso de acabado superficial donde se jugará con su apariencia y rugosidad. Los elementos de sujeción y adaptadores son conjuntos estándar que podrán ser adquiridos. 6.2.3 Desempeño mecánico de la prótesis Este diseño de pie protésico maneja tecnología Intelliweave, que garantiza y brinda al usuario flexibilidad y precisión a la hora de la caminata apoyando un 26% del pie protésico con el suelo; Esta acción permite al usuario disminuir los esfuerzos para mantenerse de pie y en caminata. La particularidad de este diseño es que su estructura tiene un minino número de piezas en su totalidad cinco, lo que permite el fácil ensamble y desensamble de la prótesis y un fácil reconocimiento por parte del usuario a la hora de detectar algún síntoma de desgaste o fatiga en alguno de los componentes. 6.3 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL ACCENT

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Este modelo de prótesis está destinado para usuarios con un nivel de actividad rango bajo o medio es decir pacientes con poca actividad física, caminatas a velocidad constante (pacientes con actividades moderadas tanto como en el hogar o en espacios abiertos). Esta prótesis tiene un peso de 608 g (peso del pie protésico) y esta considera para usuarios con un peso máximo entre 110 Kg - 137 Kg para pie con longitud entre 21 – 28 cm y altura 8.5 cm a 9 cm. Este pie protésico cuenta con altura de talón ajustable (hasta 5 cm) lo que garantiza que el usuario pueda usar la prótesis con distintos tipos de calzado [13].

Figura 8 Modelo de prótesis transtibial Accent

Fuente: College Park Industries 2017. [13]

6.3.1 Componentes de la prótesis La prótesis está compuesta por siete subensambles, los cuales tienen piezas particulares y estándar (arandelas, tornillos, tuercas, elementos de sujeción). El subensamble módulo de pie con placas en fibra de carbono plano (curva poco pronunciada). Lo interesante de este pie protésico es el módulo tibia ya que cuenta con dos subensambles diferentes e intercambiables. El tobillo ajustable con adaptador universal lo que permite que diferentes tipos de tubo de diferentes precios y características sean conectados a la extensión tobillo –muñón y el tobillo ajustable de pilón dinámico que permite un mayor grado de movimiento y flexibilidad al usuario además permite al paciente colocar un recubrimiento cosmético que hace las veces de tobillo.

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Figura 9. Partes prótesis transtibial Accent


6.3.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas Para la fabricación de esta prótesis se ven involucrados diferentes procesos de manufactura. Para la fabricación del componente de fibra de carbono (Foregell with Intelliweave technology) se manufacturará a partir de capaz de fibra de carbono por proceso de moldeo, en el cual se da forma al módulo pie que garantiza la forma en “J”. Una vez fabricados cada uno de estos elementos pasan a un proceso de perforado y roscado donde se realizan cada uno de los orificios para los elementos de sujeción y conexión del pie protésico. Para este modelo en particular contiene el tobillo ajustable de pilón dinámico que está compuesto por piezas manufacturables por medio de arranque de viruta. La funda para pasos suaves está fabricada con silicona a partir de un proceso de inyección de plástico con componentes inhibidores UV que garantiza una placa antibacteriana. Finalmente, estos componentes tendrán un proceso de acabado superficial donde se jugará con su apariencia y rugosidad. Los elementos de sujeción y adaptadores son conjuntos estándar que podrán ser adquiridos. 6.3.3 Desempeño mecánico de la prótesis Este diseño de pie protésico maneja tecnología Intelliweave, que garantiza y brinda al usuario flexibilidad y precisión a la hora de la caminata. La particularidad de este diseño es que su estructura contiene el tobillo con versión dinámica y rango de altura ajustable lo que

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permite al usuario tener 13 distintos ajustes de altura de talón permitiendo al paciente usar una amplia gama de zapatos y además garantiza la resistencia y flexibilidad del pie protésico. El rango de ajuste del talón permite al usuario tener una caminata más estable y natural sin importar el tipo de zapato que lleve, haciendo una prótesis ideal para pacientes que tienen que tienen que desplazarse y estar en diferentes contornos sociales en un mismo día. 6.4 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL SIDEKICKS Este modelo de prótesis está diseñado para usuarios con un nivel de actividad rango bajo es decir pacientes con poca actividad física, caminatas a velocidad constante (pacientes con problemas de salud cardiovasculares o pacientes con actividades moderadas tanto como en el hogar o en espacios abiertos). Esta prótesis tiene un peso de 422g (peso del pie protésico) y esta considera para usuarios con un peso máximo de 125 Kg para pie talla única. Este pie protésico cuenta con un puerto de drenaje de agua opcional en la parte inferior del pie. Este cuenta con un sistema de amortiguación lo que la hace adaptable a todo tipo de terrenos del mundo real [13].

Figura 10. Modelo de prótesis transtibial Sidekicks


6.4.1 Componentes de la prótesis La prótesis está compuesta por seis subensambles, los cuales tienen piezas particulares y estándar (elementos de sujeción). El subensamble módulo de pie cuenta con dos piezas; un recubrimiento de caucho que hace las veces de suela del pie protésico y un módulo de pie en aluminio. El módulo tobillo – tibia cuenta con el componente base con adaptador con tornillo ajustable para el ángulo de inclinación del tobillo, garantizando estabilidad en caminata; este módulo cuenta con una serie de bujes que amortiguan y hacen las veces de articulaciones del pie protésico.

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Figura 11. Modelo explosionado prótesis transtibial Sidekicks


6.4.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas Para la fabricación de esta prótesis se ven involucrados diferentes procesos de manufactura. Para la fabricación de loa componentes en aluminio son manufacturados a partir de arranque de viruta, a su vez el recubrimiento de la planta del módulo de pie es fabricado por inyección de plástico por medio de un molde. Una vez fabricados cada uno de estos elementos pasan a un proceso de perforado y roscado donde se realizan cada uno de los orificios para los elementos de sujeción y conexión del pie protésico. Finalmente, estos componentes tendrán un proceso de acabado superficial donde se mejora su apariencia y rugosidad. Los elementos de sujeción, adaptadores y bujes son conjuntos estándar que podrán ser adquiridos. 6.4.3 Desempeño mecánico de la prótesis Este diseño de pie protésico cuenta con un tobillo que simula el movimiento anatómico de un pie humano, es decir, movimiento en cuatro grados de libertad (arriba – abajo – afuera – adentro) garantizando que las cargas durante las caminatas en terrenos irregulares se compensen y respalden la estabilidad del usuario. El ajuste de ángulo de movimiento del módulo de tobillo – pie permite al usuario aumentar las propiedades mecánicas del pie protésico aumentando equilibrio y movilidad en la caminata.

6.5 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL FOOT MODEL I Este modelo de prótesis está diseñado para usuarios con un nivel de actividad rango bajo – medio – alto (caminar, correr, saltar). Esta prótesis tiene un peso de 524 g (peso pie protésico y) y esta considera para usuarios con un peso máximo de 100 Kg para pie talla única. Este pie protésico cuenta con un sistema dinámico de acción y reacción lo que facilita

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la caminata del paciente, aunque restringe el movimiento del tobillo a un movimiento casi nulo ya que solo cuenta con movimiento en dos grados de libertad (arriba – abajo). El ciclo de paso del pie en caminata es suave y normal además el uso de materiales por manufactura aditiva disminuye su precio y proporcionan fuerza y durabilidad a el pie protésico. [14]

Figura 12 Modelo de prótesis transtibial Foot Model I

Fuente: BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY [14]

6.5.1 Componentes de la prótesis La prótesis está compuesta por cuatro subensambles, los cuales tienen piezas particulares y estándar (elementos de sujeción). El subensamble módulo de pie cuenta con una sola pieza llamada pie base que cuenta con doble amortiguación para simular el movimiento del tobillo en dos direcciones. El módulo tobillo – tibia cuenta con el componente base con adaptador el cual está sujeto al pie protésico por medio de una junta atornillada.

Figura 13 Piezas prótesis transtibial Foot Model I

Fuente: BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY [14]

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6.5.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas Para la fabricación de esta prótesis se utilizaron diferentes procesos de manufactura. El pie protésico fue fabricado en su totalidad por medio de manufactura aditiva. Los soportes de amortiguación que simulan el movimiento del tobillo en dos grados de libertad fueron fabricados por medio de moldes de inyección de plástico a la medida de las ranuras de amortiguación. Una vez fabricados cada uno de estos elementos pasan a un proceso de perforado y roscado donde se realizan cada uno de los orificios para los elementos de sujeción y conexión del pie protésico. Los elementos de sujeción, adaptadores y bujes son conjuntos estándar que podrán ser adquiridos. 6.5.3 Desempeño mecánico de la prótesis Este diseño de pie protésico cuenta con un solo cuerpo que simula todo el movimiento de caminata del paciente. El tobillo tiene 20 grados de movimiento acción de punta de pie –suelo y 15 grados de movimiento en la acción talón – suelo. Esta prótesis es de acción dinámica por lo tanto funciona por el principio de acción y reacción en donde el usuario al momento de estar en caminata acumula energía del talón y es absorbida por la punta del pie, disminuyendo el esfuerzo y las cargas sobre el muñón y la pierna del paciente. 6.6 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL LOW COST 3D PRINTABLE

PROSTHETIC FOOT Este modelo de prótesis está diseñado para usuarios con un nivel de actividad rango bajo es decir pacientes con poca actividad física, caminatas a velocidad constante (pacientes con problemas de salud cardiovasculares). Esta prótesis tiene un peso de 334 g (peso pie protésico y) y esta considera para usuarios con un peso máximo de 75 Kg. Este pie protésico cuenta con un sistema dinámico de acción y reacción lo que facilita la caminata del paciente simula en movimiento anatómico del tobillo en dos grados de libertad (arriba – abajo). El ciclo de paso del pie en caminata es suave y normal además el uso de materiales por manufactura aditiva disminuye su precio y proporcionan fuerza y durabilidad a el pie protésico [14].

Figura 14. Modelo prótesis transtibial Low cost 3D printable Prosthetic Foot

Fuente: 3D PRINT [15]

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6.6.1 Componentes de la prótesis La prótesis está compuesta por dos subensambles, los cuales tienen piezas particulares y estándar (elementos de sujeción). El subensamble módulo de pie cuenta con una sola pieza (pie base) que cuenta con doble amortiguación para simular el movimiento del tobillo en dos direcciones. La punta del pie cuenta con una ranura y curvatura para dar funcionalidad al movimiento del pie protésico. El tobillo cuenta con un sistema de absorción de cargas por compresión el cual absorbe la presión ejercida por la carga que ejerce usuario en reposo y movimiento.

Figura 15. Piezas prótesis transtibial Low cost 3D printable Prosthetic Foot

Fuente: 3D PRINT [15]

6.6.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas Para la fabricación de esta prótesis se utilizó solo un proceso de manufactura. El pie protésico fue fabricado en su totalidad por medio de manufactura aditiva. Este diseño de prótesis cuenta con un sistema de compresión Squash que hace las veces de talón del pie humano y también fue fabricado por medio de manufactura aditiva. 6.6.3 Desempeño mecánico de la prótesis Este diseño de pie protésico cuenta con un solo cuerpo que simula todo el movimiento de caminata del paciente. Esta prótesis es de acción dinámica por lo tanto funciona por el principio de acción y reacción en donde el usuario al momento de estar en caminata acumula energía del talón y es absorbida por la punta del pie, disminuyendo el esfuerzo y las cargas sobre el muñón y la pierna del paciente. Lo particular en esta prótesis es que el conjunto de módulo de pie maneja y cumple con todas las funciones de absorción de movimiento y energía a un bajo costo. 6.7 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL PRÓTESIS POR INYECCIÓN DE

PLÁSTICO

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Este modelo de prótesis está diseñado para usuarios con un nivel de actividad rango bajo – medio – alto es decir pacientes con alta actividad física (caminar, correr, saltar) en clima templado donde no tenga contacto continuo con elementos de arena, tierra o agua. Esta prótesis tiene un peso de 352 g (peso pie protésico y) y esta considera para usuarios con un peso mínimo de 65 Kg y un máximo de 80 Kg. Este pie protésico cuenta con un sistema dinámico de acción y reacción lo que facilita la caminata del paciente simula en movimiento anatómico del tobillo en dos grados de libertad (arriba – abajo). El ciclo de paso del pie en caminata es suave y normal además el uso de materiales por manufactura aditiva disminuye su precio y proporcionan fuerza y durabilidad a el pie protésico [15].

Figura 16. Modelo prótesis transtibial por inyección de plástico

Fuente: Universidad de la Salle [16].

6.7.1 Componentes de la prótesis La prótesis está compuesta por tres subensambles, los cuales tienen piezas particulares y estándar (elementos de sujeción). El subensamble módulo de pie cuenta con una sola pieza (pie base) que cuenta con doble amortiguación para simular el movimiento del tobillo en dos direcciones. La punta del pie cuenta con una ranura y curvatura para dar funcionalidad al movimiento del pie protésico. El tobillo y el sistema adaptador se unen en un solo subensamble garantizando la absorción de cagas.

Figura 17. Piezas prótesis transtibial por inyección de plástico

Fuente: Universidad de la Salle [16]

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6.7.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas Para la fabricación de esta prótesis se utilizaron diferentes procesos de manufactura. El pie protésico fue fabricado en su totalidad por medio moldeado y vaciado a partir de piezas de yeso construidas por prototipado rápido (moldes flexibles de poliuretano). Los otros elementos son acoples de tubería, que sirven como acople entre la unión del tobillo con el soporte de la prótesis. Por último, tiene elementos estándar como tornillos, tuercas y arandelas. 6.7.3 Desempeño mecánico de la prótesis Este diseño de pie protésico cuenta tres cuerpos diferentes para simular el movimiento anatómico del usuario. Esta prótesis se clasifica como prótesis dinámica es decir que devuelve parte de la energía que el usuario transfiere a la hora de caminar. Cuando el usuario realiza caminata por el principio de acción y reacción en donde el usuario acumula energía del talón y se absorbe por la punta del pie, disminuyendo el esfuerzo y las cargas sobre el muñón y la pierna del paciente. Lo particular en esta prótesis es que el conjunto de módulo de pie distribuye las cargas y movimientos en tres diferentes elementos (pie base – tobillo – adaptador). 6.8 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL PRÓTESIS ECONÓMICA A PARTIR DE

ALMIDÓN DE MAÍZ Este modelo de prótesis fue diseñado en la universidad ICESI a partir de manufactura aditiva por un costo de 50 dólares convirtiendo la prótesis en una alternativa para las personas de más bajos recursos. La rodilla cuenta con característica biomecánicas las cuales son muy importantes durante la caminata. Este modelo es un prototipo no funcional; por lo tanto, no tiene especificaciones de ingeniera. El ciclo de paso del pie en caminata es suave y normal además el uso de materiales por manufactura aditiva disminuye su precio, proporcionan fuerza y durabilidad a el pie protésico. Este diseño de prótesis está diseñado paramétricamente para que cualquier tamaño de pie se pueda adaptar al pie protésico. [16].

Figura 18 Prótesis económica a partir de almidón de maíz

Fuente: Departamento de diseño de Icesi [17]

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6.8.1 Componentes de la prótesis La prótesis está compuesta por cuatro subensambles, los cuales tienen piezas particulares y estándar (elementos de sujeción). El subensamble módulo de pie cuenta con tres piezas; un mecanismo de sustitución de los dedos, una base de pie protésico y una base soporte para el adaptador. El subensamble módulo rodilla cuenta con dos piezas; una base soporte para el adaptador mecanismo de rodilla que se conecta el socket al muñón.

Figura 19 Piezas prótesis económica a partir de almidón de maíz

Fuente: Departamento de diseño de Icesi [17]

6.8.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas Para la fabricación de esta prótesis se utilizaron diferentes procesos de manufactura. Los módulos de dedos pie – protésico – unión pie adaptador fueron fabricado en su totalidad por medio de manufactura aditiva además los elementos de sujeción y como tornillos, tuercas y arandelas también fueron manufacturados por medio de la impresión 3D. Por último, tiene un elemento estándar tubo de conexión pie rodilla que puede ser adquirido. 6.8.3 Desempeño mecánico de la prótesis Este diseño de pie protésico cuenta tres cuerpos diferentes para simular el movimiento anatómico del usuario. El diseño de pie – rodilla contemplan características biomecánicas que garantizan una correcta distribución de cargas de la prótesis y un correcto ángulo de movimiento del pie y rodilla para garantizar la caminata natural del usuario. 6.9 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL CRYPTIC PATTERN LEG PROSTHESIS Este modelo de prótesis fue diseñado por el departamento de diseño industrial del Instituto de Tecnología (ITS) en Indonesia. Este modelo está fabricado en su totalidad a partir de manufactura aditiva a garantizado una extremidad protésica liviana con mecanismos de reemplazo múltiple como el tobillo y los dedos que brindan una sensación de confort al caminar. Además, cuenta con recubrimientos falsos que fueron diseñados y fabricados con prototipado rápido para cubierta de la prótesis, estas son de fácil remplazo y das aspecto agradable a la prótesis y generan seguridad al usuario [17].

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Figura 20 CRE-004 Cryptic Pattern Leg Prosthesis

Fuente: Thingiverse [18]

6.9.1 Componentes de la prótesis La prótesis está compuesta por siete subensambles, los cuales tienen piezas particulares y estándar (elementos de sujeción). El subensamble módulo de pie cuenta con tres piezas; un mecanismo de sustitución de los dedos, una base de pie protésico y una base soporte para el adaptador con un dumper en el tobillo como mecanismo de tope y amortiguador al caminar. Cuenta con un módulo de recubrimiento de sección de tibia y un socket fabricado a partir de manufactura aditiva. Por último, tiene un elemento estándar tubo de conexión pie rodilla que puede ser adquirido.

Figura 21. Modelo explosionado CRE-004 Cryptic Pattern Leg Prosthesis


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6.9.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas Para la fabricación de esta prótesis se utilizaron diferentes procesos de manufactura. Los módulos de dedos pie – pie base – adaptador – recubrimiento de prótesis – socket fueron fabricado en su totalidad por medio de manufactura aditiva con filamento ABS y PLA de 1.75 mm. Por último, se tienen elementos de sujeción como tornillos, tuercas, arandelas resorte y tubo de conexión pie – socket que son piezas estándar y pueden ser adquiridos. 6.9.3 Desempeño mecánico de la prótesis Este diseño de pie protésico cuenta tres cuerpos diferentes para simular el movimiento anatómico del usuario. El diseño de pie – socket contemplan características biomecánicas a partir de un pie flexible con mecanismo de dedos y un sistema de amortiguación para suavizar la caminata y simular el efecto de flexión dorsal y flexión plantar, de esta manera garantizar la caminata natural del usuario.

6.10 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL LEG FOR INMOOV

Este modelo de prótesis fue diseñado por el ingeniero de electrónica y comunicaciones alemán Robert Minachs y su diseño fue inspirado en el Modelo de Gael Langevin un escultor y diseñador francés que ha desarrollado el proyecto InMoov, una página opensourcing donde ha subido las partes del primer robot impreso por manufactura aditiva en archivos STL y códigos de Arduino [19]. Este modelo está fabricado en su mayoría por medio de manufactura aditiva con mecanismos de reemplazo múltiple como el tobillo y los dedos. Este diseño en particular esta asistido en su totalidad por elementos de comunicación a través de programación por computadora lo que genera el movimiento del pie protésico al igual que lo haría un usuario [18].

Figura 22. Leg for inmoov


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6.10.1 Componentes de la prótesis La prótesis está compuesta por siete subensambles, los cuales tienen piezas particulares y estándar (elementos de sujeción). El subensamble módulo de pie cuenta con tres piezas; un mecanismo de sustitución de los dedos, una base de pie protésico y una base soporte para el adaptador. Cuenta con un módulo de tibia con soporte a la mitad para brindar rigidez al diseño y un subensamble con base de rodilla y soporte para el adaptador. Por último, tiene un elemento estándar tubo de conexión pie rodilla que puede ser adquirido.

Figura 23 Piezas prótesis Leg for inmoov


6.10.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas Para la fabricación de esta prótesis se utilizaron diferentes procesos de manufactura. Los módulos de dedos pie – pie base –tobillo – adaptador tobillo – soporte placa refuerzo – soporte adaptador rodilla, fueron fabricados en su totalidad por medio de manufactura aditiva con filamento ABS. Por último, se tienen elementos de sujeción como tornillos, tuercas, arandelas y tubo de conexión pie – socket que son piezas estándar y pueden ser adquiridos. 6.10.3 Desempeño mecánico de la prótesis Este diseño de pie protésico cuenta tres cuerpos diferentes para simular el movimiento anatómico del usuario. El diseño de pie – socket contemplan características biomecánicas a partir de un pie flexible con mecanismo de dedos y un sistema de mecanismo rodilla que simula las características biomecánicas de la caminata natural del usuario.

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6.11 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL - ICRC Esta prótesis es parte de un manual de la Cruz Roja Internacional, que tiene un paso a paso de cómo elaborar prótesis con materiales reciclables. Cabe mencionar que esta prótesis es funcional, mas no es dinámica, esto quiere decir que tiene un uso como soporte para la caminata, mas no acumula ni retorna energía.

Figura 24 Modelo de prótesis transtibial ICRC

Fuente: ICRC(Comité Internacional de la Cruz Roja ), 2006 [20]

6.11.1 Componentes de la prótesis Las piezas son hechas de materiales de bajo costo. En este modelo se puede observar que las piezas 2, 3 y 4 son tomadas de tubos de PVC, estos elementos hacen parte de la conexión entre el talón y socket. Los otros elementos son acoples de tubería, que sirven como acople entre la unión del tobillo con el soporte de la prótesis. Por último, tienen elementos estándar como tornillos, tuercas y arandelas.

Figura 25 Piezas prótesis transtibial ICRC

FUENTE:ICRC(Comité Internacional de la Cruz Roja ), 2006 [20]

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6.11.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas

Las piezas de esta prótesis tienen como característica principal que son tomadas de material reciclado. La única pieza que necesita de un proceso de manufactura es la numero 6. Esta pieza se puede elaborar mediante el proceso de moldeo, con un polímero que tenga la resistencia suficiente para soportar altos ciclos de caminata. 6.11.3 Desempeño mecánico

Esta prótesis es cosmética, es decir, no tiene la capacidad de guardar energía durante la caminata. Simplemente es un apoyo que le permitirá al paciente desplazarse de un lugar a otro. Se resalta que, al ser materiales de bajo costo, el precio de su elaboración es muy barato, sin embargo, su duración será muy corta debido a las cargas que se someterán sobre estos materiales ya mencionados [21]. 6.12 MODELO DE PRÓTESIS PROSTHESIS LEG Este modelo de prótesis fue diseñado por un colombiano de la universidad Nacional con el proyecto “Give me five” una organización sin ánimo de lucro ligada a la red e-NABLE enfocada en temas de biomecánica e impresión 3D [22], La prótesis cuenta con tres barras y una rodilla policéntrica con apoyo en doble instancia (característica biomecánicas) las cuales simulan la caminata normal del usuario. La prótesis cuenta con materiales flexibles para garantizar el despegue y flexión de pie y evitar la fatiga de materiales. Esta pierna protésica solo se puede adaptar a un paciente mayor a 3 años hasta los 10 años bajo la accesoria de una profesional de la salud, terapeuta, fisioterapeuta, fisiatra y con la colaboración de un profesional en psicología [18].

Figura 26 Prosthesis leg

Fuente: Enabling the future [23]

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6.12.1 Componentes de la prótesis La prótesis está compuesta por siete subensambles, los cuales tienen piezas particulares y estándar (elementos de sujeción). El subensamble módulo de pie cuenta con tres piezas; un mecanismo de sustitución de los dedos, una base de pie protésico y una base soporte para el adaptador. Cuenta con un módulo de tibia con tres barras una de ellas rígida y las otras dos que simulan el muslo de un usuario en material flexible. Tiene a su vez un subensamble con base de rodilla y soporte para el adaptador. Por último, cuenta con elementos estándar de sujeción (tornillos, tuercas arandelas).

Figura 27 Piezas Prosthesis leg

Fuente: Enabling the future [23]

6.12.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas Para la fabricación de esta prótesis se utilizó un solo proceso de manufactura. Todos los módulos fueron construidos en su totalidad por medio de manufactura aditiva con el uso de tres materias diferentes; Los componentes barra dinámica pie – barra dinámica tibia – soporte adaptador rodilla fueron fabricados con Ninjaflex (material flexible), los componentes dedos pie – talón soporte adaptador – tubo unión pie socket fueron fabricados con PET (material rígido) y el componente rodilla fue fabricado con PLA. Por último, tiene elementos de sujeción (tornillos, tuercas, arandelas) que pueden ser adquiridos. 6.12.3 Desempeño mecánico de la prótesis

Este diseño de pie protésico cuenta tres cuerpos diferentes para simular el movimiento anatómico del usuario. El diseño de pie – muslo funciona como si fuera un módulo único permitiendo al pie cumplir la función de despegar y flexionar durante la caminata, a su vez la rodilla es policéntrica con apoyo en doble estancia que contempla las características biomecánicas de la prótesis y permiten correcto ángulo de movimiento del pie y rodilla. 6.13 IDENTIFICACIÓN DE LAS RESTRICCIONES En el estado del arte del problema se realiza la identificación de la y/o las posibles restricciones que tendrá la realización de la prótesis de acuerdo con los objetivos principales del proyecto.

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Tabla 2. Identificación de las restricciones

PROCEDENCIA RESTRICCIÓN

Modelo de prótesis transtibial que pueda ser fabricado mediante manufactura aditiva considerando criterios de costo y funcionalidad.

Tiempo de vida de las piezas de la prótesis.

Fuente: Autor

6.14 REQUERIMIENTOS FUNCIONALES FIJOS Para poder desarrollar la metodología Benchmarking es necesario identificar los requerimientos del cliente y posterior segregarlos en requerimientos funcionales deseables y requerimientos funcionales fijos; los requerimientos funcionales deseables son aquellos que no son medibles frente a las especificaciones de ingeniera es decir que definen como debe ser el sistema.

Tabla 3. Numeración, descripción de los requerimientos funcionales deseables

Núm. Requerimiento Descripción del requerimiento

1 Que la prótesis sea

estética y personalizable.

El dispositivo de prótesis de ser agradable a la vista.

2 Bajo costo de la

prótesis.

Al momento de fabricar la prótesis. Los costos totales de los materiales sean los más bajos posibles, pero sin

afectar la calidad del producto [24]-[25].

3 Prótesis debe ser

“cosmesis”. La prótesis debe generar una percepción natural.

Fuente: Autor

6.15 REQUERIMIENTOS FUNCIONALES DESEABLES Acorde a la metodología Benchmarking es necesario identificar los requerimientos del cliente y posterior segregarlos en requerimientos funcionales deseables y requerimientos funcionales fijos; los requerimientos funcionales fijos son aquellos que son medibles frente a las especificaciones de ingeniera es decir que definen como debe hacer el sistema.

Tabla 4. Numeración, descripción de los requerimientos funcionales deseables


4 Fácil ensamble-desensamble de la prótesis.

Al momento de falla de un mecanismo de la prótesis o del mantenimiento de la misma, sea fácil desarmar.

5 Que la prótesis garantice la caminata del paciente.

La prótesis debe estar en la capacidad de garantizar la caminata del paciente.

6 Que la prótesis sea compacta. La prótesis debe estar de acuerdo con las medidas antropométricas del paciente.

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7 Que la prótesis garantice estabilidad del paciente.

La prótesis debe garantizar que el paciente pueda permanecer de pie con el dispositivo en uso.

8 El sistema de ajuste prótesis – paciente es de fácil colocación.

La prótesis debe tener la menor cantidad de pasos para que el dispositivo sea adaptado y retirado del muñón. [26]

9 Bajo peso de la prótesis. Los componentes de la prótesis deben ser de bajo peso, debido a que el paciente llevara puesta la prótesis en su diario vivir.

10 Fácil mantenimiento.

La prótesis tiene que estar en las condiciones de permitir mantenimiento preventivo para que logre la función requerida.

11 Fabricación rápida. La prótesis tiene que ser fabricada en el menor tiempos posible

12 Fabricación económica. La fabricación de la prótesis debe hacerse con la menor inversión posible.

Fuente: Autor

Explicación Tabla 5 Relación requerimientos y estudio de mercado:

A continuación, se realizará una evaluación de la relación entre los requerimientos del cliente con las prótesis estudiadas en la revisión del mercado previamente; dicha evaluación busca encontrar la relación directa entre las prótesis del futuro benchmarking con los requerimientos fijos y funcionales del cliente, este procedimiento garantizará que el estudio de mercado tenga relación directa con nuestros requerimientos del cliente y por tanto con nuestro objetivo general. La relación de evaluación entre los requerimientos y las prótesis será por medio de relación ALTA, MEDIA o BAJA, esta relación es posible de realizar ya que conocemos de ante mano las especificaciones del producto.

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Tabla 5. Relación requerimientos y estudio de mercado.

REQUERIMIENTOS

Flex-Foot Balance

The Breeze Accent Sidekicks Foot

Model I

Low cost 3D

printable

Prótesis inyección plástico

Prótesis almidón de maíz CRE-004

Leg for inmoov

Protesis transtibial ICRC

Prosthesis Leg

Que la prótesis sea estética y personalizable.

Alta Alta Alta Baja Alta Alta Alta Alta Alta Alta Baja Alta

Bajo costo de la prótesis. Baja Baja Baja Baja Media Alta Alta Alta Media Alta Media Media

Prótesis debe ser “cosmesis”. Alta Alta Alta Baja Alta Alta Alta Alta Alta Media Alta Alta

Fácil ensamble-desensamble de la prótesis.

Media Alta Media Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta

Que la prótesis garantice la caminata del paciente.

Media Media Media Alta Media Media Media Media Media Media Media Alta

Que la prótesis sea compacta. Alta Alta Alta Media Alta Alta Alta Media Media Media Media Media

Que la prótesis garantice estabilidad del paciente.

Alta Alta Alta Alta Media Media Media Media Media Media Media Alta

El sistema de ajuste prótesis – paciente es de fácil colocación.

Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta

Bajo peso de la prótesis. Media Media Media Media Media Alta Alta Alta Alta Media Media Alta

Fácil mantenimiento. Media Media Media Media Alta Alta Alta Alta Alta Media Media Alta

La prótesis tiene que ser fabricada en el menor tiempo

posible Baja Baja Baja Media Alta Alta Alta Alta Alta Alta Media Alta

La fabricación de la prótesis debe hacerse con la menor inversión

posible. Baja Baja Baja Baja Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta

Fuente: Autor

40

Nota: A partir de la Tabla 5, podemos concluir que la relación que tienen nuestros requerimientos y el estudio de mercado es ALTA ya que, de 144 relaciones, el 59 % son de ALTA relación un total de 85 y tan solo el 10% son de BAJA un total de 14.

6.16 ¿QUIÉN? VS. ¿QUÉ? Jerarquización de los requerimientos funcionales mediante un sistema de 100 puntos ponderados entre los puntajes de los tres estudiantes.

Tabla 6. Valoración ponderada de los requerimientos fijos y deseables

No. Requerimiento Área de Diseño

Área de manufactura

Estudiante 10 semestre

Promedio

1 Que la prótesis sea estética y personalizable.

2 8 1 3,67

2 Bajo costo de la prótesis.

10 10 10 10,00

3 Prótesis debe ser “cosmesis”.

9 11 10 10,00


10 7 5 7,33


10 5 5 6,67

6 Que la prótesis sea compacta.

10 10 6 8,67


10 5 7 7,33


10 7 5 7,33

9 Bajo peso de la prótesis.

11 10 12 11,00

10 Fácil mantenimiento. 10 5 5 6,67

41

No. Requerimiento Área de Diseño

Área de manufactura

Estudiante 10 semestre

Promedio

11 La prótesis tiene que ser fabricada en el menor tiempo posible

11 11 11 11,00

12

La fabricación de la prótesis debe hacerse con la menor inversión posible.

10 11 11 10,67

Fuente: Autor

Tabla 7. Tabla de colores de la ponderación de los requerimientos funcionales.

Requerimientos con más alta ponderación

Requerimientos con alta ponderación

Requerimientos con más baja ponderación

Fuente: Autor

Nota: para la ponderación de los requerimientos del cliente se realizó una evaluación ponderada con el área de diseño, manufactura y estudiante de último semestre de la Universidad Santo Tomas. Previamente a cada uno de los sujetos que evaluaron se les indico cual era la finalidad del proyecto con el fin de que se calificaran enfocados en el objetivo general de este proyecto.

6.17 ANÁLISIS DE LA PONDERACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE:

Jerarquización de los requerimientos funcionales mediante un sistema de 100 puntos ponderados entre los puntajes de las diferentes áreas de diseño, manufactura , procesos y estudiantes de la facultad; se puede resaltar que los requerimientos número dos, tres, nueve, once y doce son los más importantes para nuestros clientes con una ponderación muy alta, los requerimientos cuatro seis, siete y ocho fueron de ponderación alta para nuestro clientes y el número uno, cinco y diez fueron los requerimientos al cuales nuestros clientes menos importancia le dieron.

42

Tabla 8. Características técnicas de Prótesis.

Flex-Foot Balance The Breeze Accent Sidekicks Foot Model I

Número de piezas

5 4 7 9 4

Peso en gramos

594 g 523 g 608 g 422 g 524g

Impacto Bajo Bajo Bajo a moderado Bajo Medio

Grados de libertad

Multiaxial Dos Dos Dos Dos

Precio (COP) $1’300.000 $1’450.000 $1’400.000 $2’200.000 1’300.000

Rango tamaño (cm)

(23-28 cm) (21-30 cm) (21-28 cm) (5.84 cm) No disponible

Límite de peso 136 kg 100 kg 100 kg 125 kg 100 Kg

Tiempo de fabricación

No disponible

No disponible No disponible No disponible Bajo

Fuente: Autor

43

Tabla 9 Continuación Tabla 7

Low cost 3D printable Prosthetic Foot

Prótesis transtibial por inyección de plástico

Prótesis económica a partir de almidón de maíz

CRE-004 Cryptic Pattern Leg Prosthesis

Leg for inmoov

Número de piezas

2 3 4 7 7

Peso en gramos

334 g 352 g 325 g No disponible No disponible

Impacto Bajo Medio Medio Medio Bajo

Grados de libertad

Dos Dos Dos Dos Dos

Precio (COP) $150.000 $350.000 $150.000 No disponible No disponible

Rango tamaño (cm)

Varios Varios Varios No disponible No disponible

Límite de peso 75 Kg 80 Kg 60 Kg No disponible No disponible

Tiempo de fabricación

Bajo Bajo Bajo Bajo Medio

Fuente: Autor

44


Protesis transtibial ICRC Prosthesis Leg

Número de piezas

7 7

Peso en gramos

No disponible

420g

Impacto Alto Medio

Grados de libertad

Dos Dos

Precio (COP) No

disponible No disponible

Rango tamaño (cm)

Varios Varios

Límite de peso 80 Kg 60 Kg

Manufactura Aditiva

Alto Medio

Fuente: Autor

45

6.18 GENERACIÓN DE ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA Dentro del presente trabajo de grado es necesario hacer referencia a las especificaciones de ingeniería necesarias para cumplir los requerimientos previamente analizados, esto con el fin de hacer análisis preliminar de las especificaciones que debe cumplir la prótesis transtibial desarrollada.

Tabla 11. Relación requerimientos con la descripción de las especificaciones.

Fuente: Autor Nota: A partir de la Tabla 12 definiremos como se miden cada uno de los requerimientos funcionales fijos, esto con el fin de definir una especificación de ingeniería. 6.19 RELACIONES ENTRE LOS REQUERIMIENTOS FUNCIONALES Y LAS

ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA. ¿CÓMO MEDIR QUÉ?

Requerimiento Descripción de la especificación de ingeniería

Fácil ensamble-desensamble de la prótesis.

-Número de piezas de la prótesis.

Que la prótesis garantice la caminata del paciente.

- Distancia en metros que puede recorrer el paciente con normalidad en la marcha

Que la prótesis sea compacta. - Medidas nominales de prótesis (mm).

Que la prótesis garantice estabilidad del paciente.

-Tiempo en minutos (min) que puede permanecer en pie con normalidad

El sistema de ajuste prótesis – paciente es de fácil colocación.

-Número piezas de la máquina. -Precio de la máquina terminada (Pesos)

Bajo peso de la prótesis. - Peso en (g) gramos de la prótesis. -Número de piezas de la máquina

Fácil mantenimiento. -Tiempo requerido para realizar el mantenimiento preventivo (minutos). -Número de pasos para realizar el mantenimiento.

Fabricación rápida. - Tiempo requerido para la fabricación de las piezas de la prótesis (minutos).

46

Figura 28 Relación de los requerimientos y especificaciones.

Fuente: Autor

Se puede deducir que la mayoría de nuestros requerimientos del cliente tienen una fuerte relación con los requerimientos además que la tendencia no es lineal negativa es decir que hay varias relaciones entre requerimientos y especificaciones de ingeniería lo que permitirá un desarrollo del diseño con más elementos y relaciones.

6.20 ¿QUÉ VALOR ES SUFICIENTE?

Importancia relativa de cada una de las especificaciones de ingeniería.

47

Figura 29 Relación de los requerimientos con especificaciones

Fuente: Autor

Figura 30 Relación de las " target o limit valve"

Fuente: Autor

48

6.21 ANÁLISIS DE MEDICIÓN DE ESPECIFICACIONES DE INGENIERA

Tabla 12. Análisis entre target, improvement y especificaciones de ingeniera

Especificación de ingeniera

Objetivo Variable Dificultad Descripción de la especificación

1. Número de piezas de la prótesis.

Disminuir al máximo el número de piezas de la prótesis

7 piezas 8 Este valor se estableció de acuerdo con el mínimo número de piezas que tienen las prótesis estudiadas en la metodología de Benchmarking.

2. Distancia en metros que puede recorrer el paciente con normalidad en la marcha

Mantener una distancia mínima de quinientos metros.

500 metros 10 Este valor se estableció de acuerdo con el mínimo número de piezas que tienen las prótesis estudiadas en la metodología de Benchmarking.

3. Medidas nominales de prótesis (mm).

Mantener medidas nominales de acuerdo a las medidas antropométricas del paciente.

(Ancho x Largo x

Alto) (10 x 26 x 43) cm

6 Este valor se estableció de acuerdo con el estudio de las medidas antropométricas de los colombianos de sexo masculino en edad entre 18 a 60 años.

4. Tiempo en minutos (min) que puede permanecer en pie con normalidad

Mantener un tiempo mínimo de 30 minutos de pie de manera normal.

30 min 10 Este valor se estableció de acuerdo con el mínimo número de piezas que tienen las prótesis estudiadas en la metodología de Benchmarking.

5. Precio de la máquina terminada (Pesos)

Disminuir al máximo el precio de la prótesis.

$700.000 COP

6

La dificultad de estar por debajo de $700.000 COP consideramos que es de gran complejidad ya que es un valor bajo respecto al estudio de algunas máquinas del benchmarking.

6. Peso en (g) gramos de la prótesis.

Mantener un peso neto máximo de 400 g.

400 g 6

La dificultad de lograr minimizar el número de piezas y optimizar el material son variables difíciles de controlar lo que hace que esta meta está considerada con una dificultad medianamente alta.

7. Tiempo requerido para realizar el

Disminuir al máximo el tiempo necesario para

30 min 10 La dificultad de minimizar el tiempo es una variable que podemos controlar ya que el mantenimiento preventivo para estas máquinas es sencillo y no

49

Especificación de ingeniera

Objetivo Variable Dificultad Descripción de la especificación

mantenimiento preventivo (minutos).

hacer el mantenimiento preventivo

requiere operaciones tecnológicas de gran complejidad.

8. Número de pasos para realizar el mantenimiento.

Disminuir al máximo la complejidad del mantenimiento disminuyendo el número de piezas

50 pasos 8

La dificultad de minimizar el número de pasos es una variable que podemos controlar ya que el mantenimiento para las prótesis es sencillo ya que éstas no tienen puntos de difícil acceso o piezas costosas.

9. Tiempo de fabricación de las piezas de la prótesis

Disminuir al máximo el tiempo y precio de manufactura por fabricación de las piezas de la prótesis

600 minutos

8

La dificultad de minimizar el número de pasos es una variable que podemos controlar ya que con la tecnología aditiva tenemos una gran ventaja en cuanto a tiempos de fabricación.

Fuente: Autor Nota: Una vez definidos los requerimientos del cliente y haber establecido su relación con especificaciones de ingeniera procedemos a realzar la Tabla 13. A partir de esta tabla definiremos que valor target o meta queremos aumentar, mantener y disminuir y agregar la complejidad de realizar este valor meta.

50

6.22 RELACIÓN ENTRE LAS ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA.

Figura 31 Relación de los requerimientos funcionales y las especificaciones de ingeniería

Fuente: Autor

Se puede observar que la relación entre nuestras especificaciones de ingeniera es buena, ya que no tenemos relaciones negativas entre requerimientos y especificaciones; lo que permitirá desarrollar un trabajo en conjunto, es decir se podrá aumentar o disminuir alguna de las especificaciones de ingeniería según lo requerido sin tener la preocupación de contradecir o afectar directamente otra especificación.

6.23 ANÁLISIS DE BENCHMARKING Se evalúa cada producto, contra los requerimientos del cliente para ver en si los satisface o no, y en qué porcentaje lo hace, para con esto determinar cuál es la competencia más fuerte, esto se realiza de acuerdo con los siguientes criterios:

1 = El diseño no cumple con el requerimiento en absoluto

2 = El diseño cumple con el requerimiento ligeramente

3 = El diseño cumple con el requerimiento en término medio

4 = El diseño cumple con el requerimiento mayormente

5 = El diseño cumple con el requerimiento completamente

Tabla 13. Ponderación de los productos en el mercado

Requerimientos Prótesis 1 Prótesis 2 Prótesis 3 Prótesis 4


4 4 4 2

2 Bajo costo de la prótesis. 1 1 1 1

51

3 Prótesis debe ser “cosmesis”. 4 4 4 2


3 4 3 4


3 3 3 4

6 Que la prótesis sea compacta. 4 4 4 3


4 4 4 4


4 4 4 4

9 Bajo peso de la prótesis. 3 3 3 3

10 Fácil mantenimiento. 3 3 3 3

11 Fabricación rápida. 2 2 2 3

12 Fabricación económica. 1 1 1 1

TOTAL 36 37 36 34

Fuente: Autor

52


Requerimientos Prótesis 5 Prótesis 6 Prótesis 7

Prótesis 8

Prótesis 9

Prótesis 10

Prótesis 11

Prótesis 12


4 4 4 4 4 4 2 4

2 Bajo costo de la prótesis. 3 5 4 4 3 4 3 3

3 Prótesis debe ser “cosmesis”. 4 4 4 4 4 3 4 4


4 5 4 4 4 4 4 4


3 3 3 3 3 3 3 4

6 Que la prótesis sea compacta. 4 5 4 3 3 3 3 3


3 3 3 3 3 3 3 4


4 4 4 4 4 5 4 4

9 Bajo peso de la prótesis. 3 4 4 4 4 3 3 4

10 Fácil mantenimiento. 4 4 4 4 4 3 3 4

11 Fabricación rápida. 4 5 5 5 5 4 3 5

12 Fabricación económica. 4 5 4 5 4 4 4 4

TOTAL 44 51 47 47 45 43 39 47

Fuente: Autor Nota: De acuerdo a la ponderación las prótesis que más se ajusta a los requerimientos del cliente son la prótesis 6, 7, 8, y 12.

53

6.24 DESCRIPCIÓN DE LA PRÓTESIS SELECCIONADA

A partir del análisis de Benchmarking fueron seleccionados 4 modelos de prótesis (modelos 6, 7, 8 y 10). De acuerdo a este resultado se evaluará en una segunda

oportunidad los modelos ya seleccionados con los requerimientos fijos y deseables con mayor puntuación en la ponderación (ver tabla 5 Valoración ponderada de los

requerimientos fijos y deseables).

Tabla 15 Ponderación requerimientos alta ponderación vs prótesis

Requerimientos Prótesis 6 Prótesis 7 Prótesis 8 Prótesis

12

Bajo costo de la prótesis. 5 4 4 3

Prótesis debe ser “cosmesis”. 4 4 4 4

Que la prótesis sea compacta. 4 4 4 4

Bajo peso de la prótesis. 4 4 4 4

Fabricación rápida. 5 5 5 5

Fabricación económica. 5 4 5 4

Total 27 25 26 24 Fuente: Autor

De acuerdo con el resultado obtenido en la Tabla 14 las prótesis que más se ajustan a nuestros requerimientos son los modelos 6 y 8. Por lo tanto, se determina que se debe realizar un modelo CAD entre los dos modelos con mayor ponderación.

Figura 32. Modelos prótesis 6 y 8

Fuente: 3D PRINT, Departamento de diseño de Icesi [15]-[17].

6.25 DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL Para lograr generar un modelo CAD que se cumpla los requerimientos del cliente se realizara un reconocimiento de los flujos de energía y las subfunciones de las prótesis:

54

Tabla 16 Análisis de flujos de energía y subfunciones Modelo prótesis 6

Fuente: Autor

Modelo Prótesis 6

Reconocimiento de los flujos y subfunciones

Parte No

Sistema Sub - sistema Flujo de energía

Flujo de información

1 Pie

dinámico – Socket

Punta de pie dinámica – Soporte adaptador

socket Despegue

Fuerza aplicada por el usuario para iniciar

caminata

2 Pie

dinámico Pie libre de cargas

Oscilación inicial

Usuario deja en tiempo muerto la prótesis

3 Pie

dinámico - Socket

Talón dinámico – Soporte adaptador

socket Golpe talón

Equilibrio de fuerza para garantizar el inicio

del ciclo de paso

4 Pie


Tobillo – Talón – punta pie dinámicos –

Soporte adaptador socket

Posición pie plano

Equilibrio de fuerzas para garantizar

estabilidad

5 Pie


Talón – soporte adaptador socket

Distancia media

(posición en pie)

Equilibrio de fuerza para garantizar el fin

del ciclo de paso

55

Tabla 17 Análisis de flujos de energía y subfunciones Modelo de prótesis 8

Fuente: Autor 6.26 MODELO CAD DE LA PRÓTESIS SELECCIONADA Este proyecto tiene como fin la fabricación de una prótesis transtibial por medio de manufactura aditiva. El socket es uno de los componentes de la prótesis y tiene como función principal la de confinar al muñón al mismo tiempo que mantiene unida la prótesis al portador. Este elemento, es el que se diseña de forma más personalizada, ya que está en contacto directo con la piel del paciente, motivo por el cual es de suma importancia seleccionar adecuado, que no produzca rechazo ni ulceraciones. Además, en el diseño del socket, deben considerarse también los puntos en los cuales generará presión para llevar a cabo la retención, cuidando no producir daños cutáneos al portador [27]. Por lo tanto, la fabricación del socket necesitara un estudio aparte donde se evalué la forma del muñón, las cargas y la complejidad de este. Por lo tanto, se hará una evaluación de acuerdo a los requerimientos del cliente de diferentes modelos de sockets genéricos impresos en 3D encontrados en diferentes fuentes bibliográficas, para la selección de uno de estos y añadirlo al conjunto de modelo CAD.

Modelo Prótesis 8

Reconocimiento de los flujos y subfunciones

Parte No

Sistema Sub - sistema Flujo de energía

Flujo de información

1 Pie – rodilla

biomecánicas

Punta de pie – Soporte adaptador

socket Despegue

Fuerza aplicada por el usuario para iniciar

caminata

2 Pie

biomecánico Pie libre de cargas

Oscilación inicial

Usuario deja en tiempo muerto la prótesis

3 Pie – rodilla

biomecánicas

Conjunto pie talón – Soporte adaptador

socket Golpe talón

Equilibrio de fuerza para garantizar el inicio del

ciclo de paso

4 Pie – rodilla

biomecánicas

Tobillo –conjunto pie talón – Soporte

adaptador socket

Posición pie plano

Equilibrio de fuerzas para garantizar estabilidad

5 Pie – rodilla

biomecánicas Talón – soporte

adaptador socket

Distancia media

(posición en pie)

Equilibrio de fuerza para garantizar el fin del ciclo

de paso

56

Figura 33. Pie 3D PRINT

Fuente: Autor

6.27 CONCLUSIONES DEL CAPITULO En el principio de este capítulo se analizaron los modelos de prótesis transtibial teniendo en cuenta los componentes, metodologías de manufactura y desempeño mecánico bajo condiciones de carga normales, al finalizar este proceso con cada una de las prótesis evaluadas se realizó la identificación de las restricciones, requerimientos funcionales fijos y deseables, esto con el fin de realizar el ejercicio de ponderación de importancia de cada requerimiento y así generar las especificaciones de ingeniería que nos permitieron relacionar finalmente los requerimientos y las especificaciones con el fin general de realizar el benchmarking en donde se concluyó que la prótesis a fabricar será la 3D PRINT como se observa en la figura 33. En la Figura 34 se puede apreciar la vista lateral de la prótesis modelada en el software Solid Works 2016, se puede analizar la silueta diseñada en base a las recomendaciones del diseñador original con el fin de reducir la concentración de esfuerzos en los ciclos normales de carga.

Figura 34. Vista lateral Pie 3D PRINT

Fuente: Autor

En la vista superior del pie protesico se puede observar el agujero superior que cruza tranversalmente el pie con el fin de brindar el punto de agarre inicial con la pieza superior de inicio al Socket.

57

Figura 35. Vista superior Pie 3D PRINT

Fuente: Autor

58

7 CARACTERIZACIÓN DE DIMENSIONES ANTROPOMÉTRICAS DEL USUARIO EN EL MODELO DE PRÓTESIS ELEGIDA

Para la fabricación de un elemento protésico uno de los pasos elementales y no emitibles es la práctica de la medición de una pierna sana y del miembro residual. Con la obtención de medidas antropométricas se definirán relaciones directas de dimensiones con el elemento protésico y las medidas geométricas del paciente.

En este capítulo a partir de una serie de libros opersourcing de internet serán identificadas las medidas antropométricas del paciente y su relación directa con el pie protésico. Esto con el fin de definir un factor geométrico que se relacione directamente con el elemento CAD vs el paciente y así poder realizar una caracterización y posterior parametrización.

7.1 MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DE MIEMBRO SANO Y RESIDUAL La antropometría es la toma de medidas y datos referentes a la forma, tamaño y volumen corporales de las personas, de acuerdo a las características de un grupo poblacional [29]. La toma de variables es una de las herramientas más importantes en el trabajo técnico ortopédico ya que permite llegar a un buen resultado en el diseño la fabricación de un dispositivo ortopédico [30]. Es de vital importancia definir el grupo objetivo que en este caso serán hombres colombianos de 20 a 39 años colombianos ya que de no ser así se tendría que entrar a evaluar diferentes variables, en el caso de niños se debe tener en cuenta el crecimiento óseo del paciente y en el adulto mayor posibles enfermedades de articulaciones entre otras [16]. Se debe definir las medidas que van a ser tomadas en cuenta (longitudes, diámetros, ángulos), para la construcción del modelo transtibial según la anatomía del paciente. A partir de la toma de medidas serán definidas las medidas para el dimensionamiento del modelo y la relación modelo-prótesis [21]. Para la definición de que medias antropométricas del miembro sano y residual que deben ser medidas se hará uso del libro de “Dimensiones antropométricas de población latinoamericana” en la sección de “Dimensiones antropométricas de población colombiana – sexo masculino 20 a 39 años”. Para este caso de estudio se tomarán las medidas del paciente en las posiciones de pie y sentado. De pie serán tomadas medidas de perímetro de miembro inferior, masa corporal y altura del paciente. Sentado serán tomadas medidas de alturas de miembro inferior y longitudes de pie [31].

59

Figura 36 Medidas antropométricas de pie y sentado de hombre colombiano entre 20 a 39 años.

Fuente: Dimensiones antropométricas de población latinoamericana [31].

60

Figura 37. Medidas antropométricas de pie de hombre colombiano entre 20 a 39 años.

Fuente: Dimensiones antropométricas de población latinoamericana [31]

Este proyecto tiene como fin la fabricación de una prótesis transtibial, sin considerar el socket. En la elaboración de esta pieza se requiere tener los perímetros del miembro sano y del amputado. Por lo tanto, en la elaboración de la prótesis, se tendrán en cuenta únicamente alturas, anchuras, longitudes del miembro sano y la distancia de la amputación por debajo de la rodilla [21].

7.2 RELACIÓN DE LAS MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS CON LA PRÓTESIS Y EL SOCKET

Es necesario definir qué medidas se deben tener en cuenta para la fabricación y parametrización de la prótesis en relación con la prótesis. Por lo tanto, se realizará un cuadro para seleccionar aquellas medidas antropométricas que están directamente relacionadas con el modelo CAD. (Ver Tabla 19).

Tabla 18 Relación medidas antropométricas con prótesis y socket

Medidas antropométricas Relación Prótesis

1 Altura de la rodilla x

2 Altura de la fosa poplítea

3 Masa corporal (Kg) x

61

Medidas antropométricas Relación Prótesis

4 Estatura (cm) x

5 Perímetro rodilla

6 Perímetro pierna media

7 Perímetro supramaleolar

8 Anchura de talón x

9 Anchura de pie x

10 Largura de pie

11 Largura planta de pie x

12 Perímetro metatarsial

13 Altura miembro residual x

Fuente: Autor

7.2.1 Alturas antropométricas Las dimensiones H1 y H2 sirven como guía de longitud o altura para la conexión tubular entre el socket, pues definirá la longitud entre la base del pie protésico y la base superior de la conexión al socket

Figura 38 Alturas de pierna

Fuente: Autor

La altura funcional de pie (Figura 39) es la medida antropométrica desde la base del mismo hasta la base inferior de la tibia, dicha altura será necesaria al momento de iniciar el proceso de parametrización, pues será variable directa de modelamiento del pie protésico definido anteriormente.

62

Figura 39 Altura de pie

Fuente: Autor

7.2.2 Longitudes antropométricas La siguiente variable a tener en cuenta para el proceso de parametrización será la longitud lineal desde la punta del dedo pulgar del pie hasta la base posterior del talón, dicha dimensión será denominada longitud de pie y tendrá carácter funcional necesario para realizar la configuración geométrica final del pie protésico aplicado a cada paciente incidente durante la parametrización y posterior manufactura.

Figura 40 Longitud de pie

Fuente: Autor

7.2.3 Anchuras antropométricas

Finalmente la tercera dimensión funcional presente para el proceso de parametrización será la Anchura del pie, denominada A1, la cual será referencia directa para el modelamiento de la parametrización a realizar en el siguiente ítem de desarrollo de este proyecto de grado, la anchura será lineal en todo el modelo de pie protésico por tal motivo la dimensión A2 será omitida de este estudio y se dejara funcional A1 basándose en la dimensión que brindase mayor área transversal de base al pie protésico en cualquiera de las configuraciones según parametrización.

63

Figura 41 Anchura de pie

Fuente: Autor

7.3 MEDIDAS GEOMÉTRICAS DE LA PRÓTESIS Al igual que se evaluaron las dimensiones necesarias para desarrollar el proceso de parametrización en el pie humano, es necesario evaluar sus equivalentes en el pie protésico con el fin de realizar las equivalencias dimensionales entre el pie humano y el pie protésico.

7.3.1 Alturas antropométricas La altura del pie protésico será evaluada desde la base de este hasta la superficie plana del mismo.

Figura 42 Altura de pie protesico

Fuente: Autor

7.3.2 Longitudes antropométricas La longitud del pie protésico se define como la distancia lineal desde la punta del pie hasta la base del talón.

D1

64

Figura 43. Longitud pie protesico

Fuente: Autor

7.3.3 Anchuras antropométricas El ancho del pie protésico será uniforme para acertar en la estabilidad a brindar al usuario. En este caso por el diseño del píe protésico este tendrá las medidas antropométricas A1 Y A2 iguales.

Figura 44 Ancho pie protesico

Fuente: Autor

7.4 TOMA DE MEDIDAS DE MIEMBRO INFERIOR SANO Para el desarrollo de la parametrización por medio del software indicado se hace necesario realizar el ejercicio de medición antropométrico del pie funcional del usuario voluntario, para ello se deben tener en cuenta los protocolos de medición establecidos para el levantamiento metrológico de la mano y antebrazo, se definen las medidas antropométricas a evaluar para el desarrollo de la parametrización.

7.4.1 Protocolo para la toma y registro de medidas antropométricas La toma de medidas antropométricas se ha perfeccionado con el fin de llevar los errores sistemáticos a su mínima expresión con el fin de que los resultados evaluados sean los deseados y los usuarios queden satisfechos con los análisis realizados sobre ellos en términos de calidad dimensional. Para este caso se evaluarán los manuales de medidas antropométricas disponibles en formatos open source, para el presente desarrollo se decide elaborar las mediciones con el Manual de Medidas Antropométricas del Instituto Regional de estudios en sustancias toxicas (IRET-UNA) Programa salud, trabajo y ambiente en América Central (SALTRA) de Costa Rica. A continuación, se enuncian los protocolos generales para tener en cuenta en la medición del usuario voluntario que usará la prótesis transtibial. Requisitos generales para realizar mediciones antropométricas

L1

A1 A2

65

Deben explicarse los detalles del procedimiento de medición al usuario voluntario acompañado del consentimiento informado avalado por el usuario.

Debe realizarse una evaluación física general para determinar condiciones que impidan el desarrollo de la actividad de medición.

El lugar en donde se realizarán las medidas debe tener una asepsia aceptable, condiciones ambientales apropiadas de iluminación, temperatura y ventilación.

Se debe contar con la ayuda de un compañero que tome anotaciones de las medidas que se dictan.

Los cambios de posición de la persona deben hacerse sin brusquedad. Requisitos relacionados con las mediciones antropométricas

Antes de comenzar la medición se deben demarcas las zonas que nos permitan delimitar las secciones a medir.

La posición debe ser la adecuada, el usuario debe tomar una postura erguida con el brazo la posición plana sobre una superficie regular, la extremidad debe estar relajada con los dedos extendidos apoyando el peso de la extremidad sobre la superficie regular.

7.4.2 Descripción general del proceso de medición Largo del pie Haciendo uso de las restricciones y recomendaciones de procedimiento de toma de medidas antropométricas el usuario dispone de la posición correcta para la toma de las medidas, deja reposar su pie funcional sobre una superficie regular, en este caso el piso del laboratorio con el fin de obtener el menor error sistemático en el momento de toma de las medidas, Para definir el largo del pie se usó la cinta métrica con punto de inicio la base del talón y punto final la base del dedo pulgar.

Figura 45 Largo de pie

Fuente: Autor

Alto del pie De manera similar se hace uso de las restricciones y recomendaciones de procedimiento de toma de medidas antropométricas el usuario dispone de la posición correcta para la toma de las medidas, deja reposar su pie funcional sobre una superficie regular, en este caso el piso del laboratorio con el fin de obtener el menor error sistemático en el momento de toma de las medidas, Para definir el alto del pie se usó la

66

cinta métrica con punto de inicio la base del talón y punto final el perímetro demarcado en la base del hueso peroné.

Figura 46 Alto de pie

Fuente: Autor

Ancho del pie De manera similar el usuario deja reposar su pie funcional sobre una superficie regular, en este caso el piso del laboratorio con el fin de obtener el menor error sistemático en el momento de toma de las medidas, Para definir el ancho del pie se usó la cinta métrica con punto de inicio la pared lateral externa del dedo pulgar y como punto final la pared externa del dedo meñique.

Figura 47 Ancho de pie

Fuente: Autor

67

8 PARAMETRIZACIÓN DEL MODELO CAD DE LA PRÓTESIS TRANSTIBIAL TENIENDO EN CUENTA LAS MEDIDAS

ANTROPOMÉTRICAS DE USUARIOS A EVALUAR

Una vez definidas las relaciones geométricas del elemento CAD con la antropometría del paciente se procederá a generar una metodología de trabajo para realizar la parametrización de la prótesis de acuerdo a las relaciones geométricas vs medidas registradas de paciente.

8.1 METODOLOGÍA DE PARAMETRIZACIÓN MODELO CAD PRÓTESIS TRANSTIBIAL

Es necesaria la creación de una metodología de parametrización de manera ordena y con pasos claros para futuros trabajos e investigaciones. En este caso la geometría del modelo CAD cuenta con curvas, cotas específicas que son difíciles de controlar y dificultarían el proceso de parametrización por lo cual se tomó la decisión de utilizar el método de escalas para la parametrización de pie protésico, cada escala está relacionada a los ejes coordenados del modelo CAD del pie protésico, como parametrización inicial se debe escalar el modelo de pie protésico asegurando que este proceso no afecte la dimensión de los agujeros presentes en el modelo que servirán de soporte posteriormente.

8.1.1 PARAMETRIZACIÓN EN EL SOFTWARE SOLID WORKS 2016 A continuación, serán mostrados cada uno de los pasos básicos necesarios para la realización de la parametrización del CAD pie protésico en el Software Solid Works 2016, esta explicación será realizada en dos pasos; El primero visualizado en forma de flujo grama de proceso en donde se irán indicando uno a uno los pasos básicos de parametrización por medio de figuras que indican las acciones a realizar en el software, posteriormente como segundo paso cada una de las figuras del flujograma de proceso están complementadas y debidamente sustentadas en un cuadro (Ver Tabla 18). Esto con el fin de facilitar y mejorar la adquisición de información y su comprensión para futuros trabajos e investigaciones.

68

Figura 48. Creación de tabla de diseño en el Software Solid Works 2016

Fuente: Autor.

Figura 49 . Creación de Tabla de diseño desde archivo en blanco de Excel

Fuente: Autor.

1

. 2

2

69

Figura 50 . Configuración de escalas

Fuente: Autor.

Figura 51 . Configuración de escalas dimensionales de los modelos analizados

Fuente: Autor.

3 4

70

Figura 52 .Visualización de tabla de diseño desde software Solid Works 2016

Fuente: Autor.

Figura 53 . Actualización parametrica de archivo

Fuente: Autor.

5 6

71

Tabla 19. Descripción del Proceso de parametrización paso a paso.

Pasos Para Parametrización

CAD

Descripción del Proceso

1 Para el primer paso de la parametrización CAD es necesario generar un archivo de Excel en conjunto en conjunto a la carpeta donde se encuentra el archivo CAD; este libro de Excel debe estar en blanco y en este caso se denominará pie protésico.

Para crear la tabla de diseño en el Software Solid Works 2016 tome la siguiente Ruta: Insertar/Tablas/Tabla de diseño (Fig. 48).

2 Para vincular el archivo al libro de Excel es necesario desplazarse a la parte izquierda de la pantalla en la sección de operaciones del software donde aparecerá la configuración inicial de la tabla que se quiere obtener y se debe marcar del archivo creado anteriormente y dar clic sobre Link To File.

Para incluir el patrón de escalamiento dentro del modelo siga la siguiente ruta:

Insertar/Características/Escala (Fig. 50).

3 Una vez generada la escala sobre el modelo se debe crear un segundo modelo sobre el existente de tal manera que tengamos un modelo original y un modelo parametrizado, por medio de la modificación a las características de la escala del modelo, se agrega manualmente un segundo modelo llamado “PARAMETRIZACIÓN” sobre el cual se realizara la parametrización necesaria según lo amerite la pieza.[32]

4 Con el segundo modelo se procede a verificar que todos los valores de escala en X, Y, Z se encuentre en 1, con el fin de evitar errores al momento de generar las relaciones entre las medidas originales de la prótesis y las medidas antropométricas del usuario voluntario.

5 1. Verificar escalas coordinadas en valores originales (X, Y,

Z). 2. Verificar que la tabla de diseño este creada en blanco, siga

la siguiente ruta: 3. Configuración/Tabla de diseño/Editar tabla. 4. En este punto tendremos la extensión de Excel abierta

dentro del software Solid Works; En este paso vamos a agregar los valores de escala al modelo seleccionando la configuración “PARAMETRIZACION” agregando como parámetros las escalas del modelo (X, Y, Z).

72

5. Dar clic en continuar donde visualizara la tabla de diseño con las dimensiones y valores para el modelo.

Nota: Garantice que todos los pasos anteriormente mencionados se realicen en su totalidad sin avistamiento o avisos de ventanas emergentes con errores; de ser así realice nuevamente los pasos descritos.

6

1. Guarde el modelo con la disposición al que fue sometido anteriormente en la misma carpeta del libro de Excel desarrollado anteriormente.

2. Para realizar cambios al modelo se realizan sobre el Excel creado, modificando las variables de escalas en (X, Y, Z) de acuerdo a las relaciones calculadas.

3. Guarde los cambios sobre el libro de Excel. Ahora abra la pieza en el Software Solid Works 2016, al ingresar aparecerá la ventana de la Fig. 53.

4. Esta ventana da la opción de actualizar la tabla de diseño o el modelo CAD a lo que se recomienda dar clic sobre la opción de actualizar modelo e inmediatamente el pie protésico el modelo modificado dimensionalmente de acuerdo a la parametrización.

Fuente: Autor.

8.2 RAZÓN DIMENSIONAL ENTRE PRÓTESIS Y MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DE USUARIO

En la siguiente tabla de utilizan los modelos a comparar para aclarar que sus equivalencias dimensionales son iguales al tratarse de tres medidas evaluadas (alto, ancho y largo) con tres dimensiones a escalar (X, Y, Z).

Tabla 20. Equivalencia de pie protésico

Nombre de la pieza

Dimensión original Equivalencia

Pie Protésico

Altura Altura

Anchura Anchura

Largo Largo

Fuente: Autor.

Al parametrizar el pie protésico se usa Excel donde se registrarán las medidas antropométricas del usuario obtenidas en el proceso de medición. En dicha hoja se consignan las medidas en dos unidades, en centímetros (cm) para que el usuario o investigador sea quien las diligencie y estas se transfieran a milímetros (mm) de inmediato para realizar el proceso de parametrización en el software.

Tabla 21. Medidas Antropométricas de pie

Medidas antropométricas de pie protésico

ITEM MEDIDA [cm] MEDIDA

[mm]

PIE PROTÉSICO

Altura 8.3 83

73

Anchura 5 50

Largo 18.8 188

Fuente: Autor

A continuación, se calculan las relaciones dimensiones entre en pie neutro y el pie del usuario con el fin de hallar los factores de parametrización en los tres planos evaluados.

Tabla 22. Calculo de razones Dimensionales Pie protésico Nombre

de la pieza

Altura original

Ancho original

Largo original

Altura objetivo

Ancho objetivo

Largo objetivo

Factor altura

Factor ancho

Factor largo

Pie Protésico

83 50 188 80 100 240 0.963855

2 1.276595

Fuente: Autor Estos factores se dirigen a la tabla de diseño del pie protésico presente en la carpeta de TESIS, con ello al dar un clic en la pieza se podrá obtener el modelo modificado para el usuario y posteriormente su modelo STL para su posterior manufactura.

8.3 CONCLUSIONES DEL CAPITULO Como primer paso del proceso de parametrización se generó el CAD de la totalidad de la prótesis transtibial gracias a la disponibilidad de los insumos faltantes hasta la conformación inferior del Socket en las plataformas open source, encontrando y organizando las piezas en mención, durante la medición antropométrica al usuario se destacó el uso del manual de medidas antropométricas que permitió realizar una medición acertada a la extremidad inferior funcional de usuario voluntario, posteriormente estos resultados de la medición fueron consignados en el formato de Registro de medidas antropométricas ( Anexo 4), paso seguido se genera tabla de Excel anexa a la pieza y dejando como variables las dimensiones a evaluar.

Figura 54. Ensamble prótesis transtibial

Fuente: Autor

74

Es fundamental realizar el cálculo de factores dimensionales entre el pie funcional del usuario y la prótesis ED PRINT Original obtenida al inicio de esta investigación. Estos factores dimensionales se calculan en un libro de Excel anexo y se migran inmediatamente a las tablas de parametrización y diseño del pie protésico CAD según corresponda. Al finalizar se procede a exportar la pieza parametrizada a formato STL que permitirán su manufactura por metodologías aditivas, de esta manera obtenemos una prótesis transtibial diseñada geométricamente a la medida.

Figura 55 Vista frontal

Fuente: Autor

Figura 56 Vista Superior

Fuente: Autor

75

9 FABRICACIÓN DEL ELEMENTO DE PIE DE LA PRÓTESIS MEDIANTE MANUFACTURA ADITIVA FDM

9.1 MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS

Para el desarrollo de la manufactura por metodología FDM de la prótesis 3D PRINT se hace necesario utilizar un equipo de impresión 3D acompañada de un material apropiado para la realización de la misma.

9.1.1 Impresora 3d Multoo Voxel 1.5 Para el desarrollo de la impresión 3D en pro del cumplimiento de los objetivos de la investigación la Universidad Santo Tomas asigno a la Facultad de Ingeniería Mecánica la impresora 3D MULTI VOXEL 1.5, impresora de doble cabezal independiente facilitando la utilización de dos materiales en la misma pieza y reduciendo tiempos de fabricación apoyando ítem de calidad y versatilidad de operación, ofrece un área de impresión de 18x18x18 cm apropiado para la fabricación de la prótesis InMoov, puede alcanzar temperaturas en la garganta hasta de 360 C con una base calefactable hasta de 90 C, puede ajustar su precisión hasta 0.1 mm con una boquilla genérica de 1.75 mm, es de ambiente abierto lo cual permite que la temperatura interior sea variable afectando el proceso de fabricación en baja medida, cuenta con una pantalla que controla el nivel de avance del proceso, sin embargo las configuraciones iniciales deben hacerse desde el software indicado y realizando los cambios manuales necesarios [33][33][33].

9.2 SOFTWARE DE IMPRESIÓN 3D

9.2.1 Software cura 15.04.6 Cura es un software de impresión 3D creado por David Braam, desarrollado por la cadena Ultimaker; Ultimaker Cura es un software que gestiona y prepara un modelo CAD para la impresión 3D con formatos open source con compatibilidad para los distintos sistemas operativos. Para el proceso de impresión se debe la configuración inicial de la impresora; en este proceso debemos buscar la máquina en la opción machine y agregar la impresora de la cual vamos a hacer disposición. Una vez asignada la maquina o impresora el software nos muestra el área de impresión del equipo, para la impresión de cualquier modelo CAD debe importarse desde un modelo STL podemos imprimir una o más piezas distribuyéndolas de manera óptima sobre la superficie de impresión.

76

Figura 57. Software Cura

Fuente: Autor

El software Cura cuenta con ciertas variables de proceso modificables como se ve en la siguiente tabla:

Tabla 23. Configuraciones Pre proceso de impresión

Calidad de la resolución de la impresión

Densidad del material impreso

Velocidad y temperatura del husillo

Soporte

Doble Extensión

Fuente: Autor

77

Nota: Una vez finalizado el proceso de configuración de la impresora se continua con la creación del G-Code el cual será trasladado a la impresora 3D por medio de una memoria SD.

78

9.3 VARIABLES DE MANUFACTURA

DENSIDAD VELOCIDAD DE

IMPRESION TEMPERATURA DE

IMPRESION FLUJO DE FILAMENTO

La variable densidad se define como la relación entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa [32], Es decir que define la cantidad de plástico dentro de la impresión por lo cual es la propiedad variable que nos permite medir la ligereza y solidez de las piezas manufacturadas. En general, el fabricante por default recomienda una densidad igual o por encima de la una densidad de relleno entre 40% será lo suficientemente fuerte para el pie protésico garantizando que la pieza se mantenga estable y no falle con cargas puntuales de trabajo [33].

La velocidad de impresión define a qué velocidad (en mm / s) se mueve el cabezal de impresión durante la impresión [34]. Cura recomienda el nivel de dicha variable en niveles bajos y máximo 150 mm/s, por recomendaciones del ingeniero tutor dicha variable se deja en 65 mm/s.

Para la correcta impresión de material por filamento PLA el fabricante recomienda temperaturas en su mayoría alrededor de 200-210 ° C, dependiendo del tamaño de la boquilla seleccionada y el perfil de impresión. Para la placa de construcción, se usa una temperatura de 60 ° C para placas de construcción calentadas, pero también es posible imprimir PLA en una placa de construcción en frío usando la cinta azul.[33]

El flujo es la cantidad de material que debe extruirse durante un período de tiempo específico y se basa en el diámetro del filamento y la velocidad de impresión. El flujo siempre se establece en 100%, lo que significa que la cantidad extruida de filamento coincidirá con la cantidad calculada. Esta configuración generalmente no se cambia, ya que el cálculo se realiza automáticamente, pero puede ser útil cuando se imprime con materiales experimentales.[33]

Fuente: Autor

79

9.4 PROCESO DE IMPRESIÓN

El Proceso se Manufactura del pie protésico se define de la siguiente manera[32]: 1. Definición final del modelo a Manufacturar 2. Separación de etapas de impresión por piezas y metodología de trabajo 3. Configuración de las variables de Manufactura del proceso 4. Creación del Código de manufactura o G-Code 5. Preparación de variables físicas de la impresión 6. Migración del G-Code de software Cura a la impresora por medio de una tarjeta

SD 7. Inicio de Manufactura.

9.4.1 Flujograma proceso de impresión A continuación, serán mostrados cada uno de los pasos básicos necesarios para la realización de la impresión de Pie protésico en la impresora Voxel 1.5, esta explicación será realizada en dos pasos; El primero visualizado en forma de flujo grama de proceso en donde se irán indicando uno a uno los pasos básicos de impresión de la pieza por medio de figuras que indican las acciones a realizar en el software y en la impresora, posteriormente como segundo paso cada una de las figuras del flujograma de proceso están complementadas y debidamente sustentadas en un cuadro (Ver Tabla 23). Esto con el fin de facilitar y mejorar la adquisición de información y su comprensión para futuros trabajos e investigaciones.

80

Figura 58. Creación de G-CODE desde el software Cura

Fuente: Autor

Figura 59 . Preparación de la cama de impresión

Fuente: Autor

1

. 2

2

81

Figura 60 . Configuraciones iniciales y Precalentamiento material de impresión

Fuente: Autor

Figura 61. Impresión de pie protésico

Fuente: Autor

3 4

2

82

Tabla 24 Descripción del Proceso de fabricación paso a paso.

Pasos Para Parametrización

CAD Descripción del Proceso

1

Como previamente fueron definidas las variables del proceso de impresión del pie protésico, como también fue definida la posición de impresión dentro del software CURA se procede a la creación del G – Code por medio del mismo; para este proceso:

1. Retire la micro SD de la impresora e insértela dentro de un equipo PC.

2. En el Software CURA de clic en File y busque la opción SAVE G – Code; guarde este en la micro SD.

3. Una vez migrado el archivo puede nuevamente introducir la memoria a la impresora Volxel 1.5.

4.

2

Una de las variables más importantes del proceso de impresión 3D es garantizar que la cama de impresión este en óptimas condiciones ya que es donde va a imprimirse el pie protésico y donde estará soportado por más de 14 horas. Las condiciones que debemos garantizar en la cama de impresión son:

1. Temperatura de la cama de impresión; una correcta temperatura de la cama garantiza la buena adhesión. Se recomienda una temperatura de 60 ° C para el PLA, mientras que el ABS necesita una temperatura de 90 ° C.

2. Nivelación de la cama; es de suma importancia garantizar la nivelación de la cama para que la primera capa quede bien fijada y paralela a la placa de vidrio. De esta manera garantizara la distancia de la boquilla con la mesa.

3. Protección de la placa de vidrio templado; por recomendación del fabricante para protección de la cama será usada CINTA 3M como capa protectora y conservante de temperatura.

4. Uso de la opción Brim; esta opción será explicada más adelante en la figura 64.

3 Se debe garantizar una excelente deposición de material PLA a lo largo de la impresión: el primer paso para garantizar esta variable es el precalentamiento de la impresora para este tipo de material en la opción de Pre – Heat PLA; al momento de seleccionar la variable la impresora comenzara un proceso de nivelación de temperatura de la boquilla hasta los 200°c.

83

4 Una vez garantizadas todas las variables anteriormente descriptas garantice cada una de ellas y proceda a imprimir el archivo CAD previamente migrado a la micro SD. Habilite las paradas de emergencia de la máquina en caso de ser necesario.

Fuente: Autor

9.5 DISTRIBUCIÓN DE IMPRESIÓN

Para la manufactura y fabricación del modelo de pie protésico diseñado se realiza en un primer paso en modalidad neutra y posteriormente se realiza la manufactura del pie protésico parametrizado, los resultados del proceso de impresión son mostrado a continuación.

9.5.1 Impresión y retiro de las piezas Con el fin de hacer uso óptimo de la impresión y consumir el mínimo de insumos posibles, se decide realizar la manufactura del pie protésico en dos etapas de impresión; una primera etapa en donde se manufactura el pie protésico neutro y una segunda etapa donde se manufactura el pie protésico destinado al usuario. Por lo tanto, como se ve en la Figura 62. Se imprime en primera instancia el pie protésico neutro.

Figura 62. Primera etapa de impresión

Fuente: Autor.

La primera etapa de impresión tuvo un tiempo de 16 horas y 25 minutos con una inversión de material de 228 gramos, en este caso de PLA, dichas condiciones se basan en las condiciones de manufactura definidas previamente en el software.

84

Figura 63. Segunda etapa de impresión

Fuente: Autor

La segunda etapa de impresión se obtuvo en 39 horas y 52 minutos, debido a las dimensiones del pie parametrizado, para un total de 55 horas de impresión, aproximadas a tres días por detalles técnicos que no permiten la continuidad de la impresión.

Figura 64. Funciones de Soporte

Fuente: Autor

Para ambas piezas fue necesario hacer uso de la función Soporte presente en el proceso inicial de configuración del Software Cura, por experiencia en trabajos de grado anteriores y recomendaciones de fabricante la altura y el tamaño del pie protésico puede tender a despegarse durante la impresión, usando la opción Brim o Soporte será puesta en la base de la impresión en un área plana gruesa de una sola capa de material alrededor del pie protésico, creando así una superficie de adhesión más grande y evitando que esta se despegue. El borde se puede quitar fácilmente una vez que la impresión ha terminado. Ver figura 65 y Figura 66.

85

Figura 65. Bases de soporte para las piezas según necesidad de proceso

Fuente: Autor

Figura 66. Avance de proceso de manufactura con ayuda de soporte

Fuente: Autor

86

Figura 67. Proceso de Impresión finalizado pie protésico Neutro

Fuente: Autor

9.5.2 Resultados de impresión El primer elemento manufacturado fue el pie protésico neutro, una vez terminada la impresión se retira la pieza de la cama de impresión y posterior a esto se retiran de forma artesanal las bases de impresión. Una vez retirados todos los excesos e impurezas se proceden a realizar un levantamiento de medidas esto con el fin de garantizar la correcta fabricación del pie protésico para poder continuar con la fabricación del pie protésico parametrizado.

Figura 68. Pie Protésico Finalizado

Fuente: Autor

9.6 ENSAMBLE DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL El ensamble de la prótesis se realizó en base al pie protésico manufacturado, es decir que el primer elemento ensamblado al pie protésico fue el adaptador de pie con unión

87

atornillada, posteriormente se hace unión del adaptador de tubo a la base piramidal del soporte adaptador de tubo por medio de tornillos prisioneros que generan presión sobre la base piramidal, luego continuamos con el ensamble del tubo corto al adaptador de pie por medio de una junta atornillada que genera presión sobre el tubo y el adaptador de pie. Finalmente se hace el ensamble del tubo corto con el adaptador de socket por medio de tornillos prisioneros que generan presión sobre la base piramidal del soporte socket.

Figura 69. Ensamble de Prótesis Transtibial CAD

Fuente: Autor

Figura 70. Ensamble de Prótesis Transtibial CAD

Fuente: Autor

88

9.7 PIEZAS FABRICADAS Y ESTANDARIZADAS DEL ENSAMBLE DE PROTESIS TRANSTIBIAL

En el ensamble inicial de la prótesis transtibial se usan como piezas principales el pie protésico previamente fabricado mediante metodologías aditivas y 4 piezas anexas superiores correspondientes a las conexiones desde la base superior del pie protésico hasta la base inferior del Socket dispuesto para futuras investigaciones, estas piezas son descritas como adaptador para pie, tubo adaptador, adaptador de tubo y adaptador piramidal, estas últimas al ser piezas estándar fueron suministradas por el proveedor laboratorio Gillette especialista en la materia de adaptación y distribución de piezas de tipo protésico, la única pieza fabricada en este trabajo de grado fue el pie protésico ya que este necesita ser parametrizado a base de las medidas antropometrías de cada usuario, por este motivo no es viable generar un pie protésico estándar para uso funcional.

9.8 CONCLUSIONES DEL CAPITULO

Los equipos utilizados para el desarrollo de este capítulo fueron la impresora 3D Multoo Voxel 1.5 y el software de generación de códigos g para impresión 3D Cura 15.04.6. que permitió realizar control sobre las variables de manufactura descrita en el capítulo anterior: Densidad, Velocidad de Impresión, Temperatura de base y de PLA, además del control de flujo de filamento siguiendo las recomendaciones del fabricante para el tipo de pieza a manufacturar. Con estas variables se garantiza el desarrollo del proyecto en condiciones ideales. Al tener certeza de las condiciones de manufactura evaluadas se procede con la generación del g-code que por medio del software Cura, este código se transmite a la impresora o por medio de cables IP de datos o buen una memoria de almacenamiento tipo SD. Es importante aclarar el procedimiento de precalentamiento de la base de impresión pues al finalizar el proceso de impresión 3D se debe tener en cuenta el adecuado procedimiento para su retiro pues en varias ocasiones la incorrecta manipulación de las piezas podrá generar irregularidades superficiales o la inutilidad de las piezas en base a la gravedad de la afección.

89

10 TIEMPOS Y COSTOS La evaluación de tiempos y costos de fabricación de este trabajo de grado se vinculan únicamente al material utilizado para la manufactura de la prótesis; los demás insumos, herramientas y equipos fueron suministrados por la Universidad Santo Tomas por aporte a la investigación. En la Tabla 24 están presentados las características del material usado para la fabricación.

Tabla 25. Características y Descripción de Material Utilizado

Característica Descripción

Material PLA

Color BLANCO

Diámetro de filamento 1.75 mm

Cantidad 1 kg

Apto para 3D:FDM

Valor $ 80,000.00

Fuente: Autor.

El material utilizado corresponde a PLA Blanco con un diámetro de filamento específico debido a las características técnicas de la Impresora Utilizada, la cantidad en referencia es de 1 kg con un Valor de COP 80.000 [32].

10.1 TIEMPOS DE MANUFACTURA DE LA PROTESIS En la Tabla 25. Se hace la relación del tiempo que tomo la manufactura de impresión 3D se de cada uno de los pies protésicos:

Tabla 26. Tiempos de impresión en Minutos de la totalidad de proceso de manufactura realizados

NOMBRE DE LA PIEZA NOMBRE ORIGINAL TIEMPOS DE IMPRESIÓN [min]

PIE PROTÉSICO PIE NEUTRO 985

PIE USUARIO 2392

Fuente: Autor.

El tiempo total de impresión en horas fue de 52.28 sin tener en cuenta los tiempos de post proceso y preparación de la impresora Voxel 1.5

10.2 COSTOS ASOCIADOS AL PROCESO DE IMPRESIÓN En la siguiente tabla se presentarán los costos relacionados con la manufactura aditiva de cada uno de los pies protésicos, la columna de costo de impresión se relaciona directamente con el valor del material y su relación de costo por masa de impresión.

Tabla 27. Costos Asociados al proceso de Impresión

NOMBRE DE LA PIEZA

NOMBRE ORIGINAL

INVERSIÓN DE MATERIAL [g]

COSTOS DE IMPRESIÓN

Pie protésico Pie neutro 228 $ 18.240

Pie usuario 585 $ 46.800

Fuente: Autor.

90

10.3 COSTOS ASOCIADOS AL PROCESO DE ENSAMBLE En la siguiente tabla se presentarán los costos relacionados con el proceso de ensamble de la prótesis transtibial teniendo en cuenta el valor del tiempo empleado en el ensamble del pie protésico y los elementos estandarizados.

Tabla 28. Costos Asociados al proceso de Impresión

Nombre ensamble

Descripción tarea Inversión de material

(gramos) Costo

impresión

Prótesis Transtibial

Precio hora máquina COP

291,6 $ 11.625

Inversión de material [g]

585 $ 46.800

Fuente: Autor.

Tabla 29. Costos Asociados al tiempo hombre.

Nombre ensamble

Inversión de tiempo [hr]

Valor hora-hombre [$] Valor total hombre

Prótesis Transtibial

5 3255 $ 16.275

Fuente: Autor.

10.4 COSTOS FINALES En la siguiente tabla se presentan los costos finales incluyendo los insumos relacionados en el ensamble final de la prótesis transtibial.

Tabla 30. Costos Asociados Finales

NOMBRE DE LA PIEZA

NOMBRE ORIGINAL COSTO ASOCIADO

Prótesis transtibial

Pie usuario $ 74.700

Adaptador de pie $ 67.300

Adaptador de tubo $ 141.600

Tubo corto $ 79.600

Adaptador para socket $ 67.300

TOTAL $430.500

91

Fuente: Autor

10.4.1 Comparación costos finales vs prótesis Laboratorio Gilete El laboratorio Gilete es una compañía con más de 28 años de experiencia en el mercado de las ortesis y prótesis para todo tipo de amputaciones (transradial, transtibial, mano etc.). Gilete cuenta con productos certificados de calidad además cuentan con servicio médico especializado para atender con los mejores estándares a sus pacientes. Es de suma importancia hacer la comparativa de precios con una compañía establecida que brinda fiabilidad en el mercado de las ortesis y prótesis. La cotización solicitada al equipo Gilete cuenta con los mismos elementos de sujeción y ajuste usados para el pie protésico fabricado en este proyecto; los precios de la cotización vs pie protésico se muestran a continuación.

Tabla 31 Costos prótesis Labs. Gilete vs Costos prótesis Universidad Santo Tomas

Prótesis transtibial Labs. Gilete Prótesis transtibial Universidad Santo Tomas

Nombre original Costo asociado Nombre original Costo asociado

Pie usuario $74.200 Pie usuario $ 74.700

Adaptador de pie $67.300 Adaptador de pie $67.300

Adaptador de tubo $141.600 Adaptador de tubo $141.600

Tubo corto $79.600 Tubo corto $79.600

Adaptador para socket

$67.300 Adaptador para socket $67.300

Total $436.000 Total $430.500

Fuente: Autor

El precio total de fabricación del prototipo de la universidad Santo Tomas es menor por un total de $5.500 COP, a pesar de ser un prototipo la investigación indicado que puede ser viable continuar con este proceso y hacer modelos a futuro con distintos estudios y evaluaciones de diseño, manufactura y demanda y evaluar su viabilidad en el mercado.

92

11 CONCLUSIONES

En cuanto a la elección de las variables a parametrizar de la prótesis transtibial se evaluaron dimensiones escalares del pie 3D PRINT con el fin de no afectar las correlaciones de bocetos en la metodología de modelamiento CAD, así la parametrización se hizo en las escalas de los tres ejes coordenados con relación a las tres dimensiones evaluadas Alto, Ancho y Largo sin afectar las relaciones geométricas necesarias para el posterior ensamble de la prótesis.

En cuanto al procedimiento de transferencia de las medidas a parametrizar, una vez realizada la parametrización del pie protésico y en pro de la sistematización del proceso de generación del pie protésico para las dimensiones antropométricas del usuario, se realizó un libro de Excel donde se registraron las medidas antropométricas del usuario previamente descritas en un estudio metrológico especializado para extremidad inferior. En este libro se generaron las relaciones dimensionales derivadas de las medidas antropométricas del usuario y las medidas analizadas de la prótesis neutra diseñada por el autor, así se hallaron las relaciones coordenadas dimensionales paramétricas para generar el modelo CAD de la prótesis transtibial del usuario.

Las relaciones dimensionales paramétricas se trasladan directamente a la tabla de diseño desde el mismo libro de Excel anteriormente mencionado para crea el modelo con los parámetros dimensionales coordenados esperados, solo se requiere actualizar la pieza visualizada con la configuración de la parametrización realizada y posteriormente disponer de ella en el Software Solid Works 2016, dichas piezas paramétricas se visualizaron en el software sin novedad alguna.

En el presente trabajo de grado se utilizó para la fabricación la impresora 3D, Voxel 1.5 junto con el recurso de software Cura que permite configurar las variables del proceso de manufactura, temperatura, velocidad de impresión, densidad y flujo de filamento, estas variables se acordaron por recomendación del fabricante teniendo en cuenta el material utilizado PLA y el uso final y disposición del pie protésico, la temperatura de la boquilla y de la base de impresión no fueron variables a lo largo del proceso.

Se decide realizar el ensamble de las piezas conforme a las recomendaciones de la compañía y laboratorio de ortesis y Prótesis Gilete ya que al ser proveedores de los insumos estándar utilizados en la investigación se buscó garantizar que las ubicaciones y ajustes de las piezas dentro del ensamble fueran las indicadas, se establece el protocolo de ensamble con el fin de sistematizar el trabajo de posteriores proyectos que utilicen la prótesis transtibial 3D PRINT.

La fabricación de la prótesis transtibial tomo un tiempo estimado de 55 horas intermitentes en dos etapas de impresión, una de la prótesis neutra diseñada por el autor y otra con el pie protésico parametrizado, a esto se deben sumar los tiempos de pre y pos proceso de cada una de las partes, los tiempos de preparación de la impresora 3D y los tiempos de retiro y ajuste de cada una de las piezas implicando el sobre material utilizado como apoyo de las bases de impresión del pie protésico, se debe sumar el tiempo empleado en su ensamble, además de ello fue posible calcular la masa de material utilizada para la fabricación de la prótesis siendo

93

utilizados 671 gr equivalentes a 67% del carrete utilizado durante el proyecto de grado. De esta manera fue posible evaluar los costos asociados a la fabricación de la prótesis transtibial con un total de $ 430.500 COP.

La presente investigación no incluye el desarrollo ni ensamble del Socket al modelo final obtenido, se brindan los modelos dispuestos para impresión en formatos STL sin embargo se excluye el modelo del Socket con el fin de especializar la investigación en parametrización y fabricación.

94

12 RECOMENDACIONES

Al finalizar el desarrollo de este trabajo de grado se estipula dejarlo para investigación de recursos abiertos con el fin de que esta investigación sirva como base para los trabajos de investigación posteriores, específicamente se recomienda que el presente proyecto investigativo sea base de desarrollo de tesis enfocadas en ingeniería inversa que se especialicen en la evaluación del diseño del pie protésico aquí desarrollado con estudios que avalen las funciones a realizar con él, adicionalmente se recomienda realizar enfoques investigativos de materiales con el fin de aproximar el material adecuado para el pie protésico y su adecuación con las piezas estandarizadas presentes en el ensamble.

Al hacer uso de la impresora 3D Multoo Voxel se recomienda formarse previamente con los fabricantes de los equipos en todas las variables internas de proceso ya que el buen uso de estas garantizara la calidad operativa que requiere los procesos desarrollados.

Para la toma de medidas antropométricas se recomienda hacer uso de medios asépticos y regulares para evitar errores sistemáticos en altos porcentajes que distorsionen la parametrización objetivo del pie protésico, de otra manera el proceso de fabricación y ensamble estarán condicionados a la consecución de errores en términos dimensionales.

El proceso de diligenciamiento de información por parte de futuros usuarios de la prótesis transtibial se debe acompañar pues este ocasiona variaciones en la tabla de diseño del pie protésico y a su vez la parametrización afectando los resultados de la manufactura.

En cuanto al material utilizado, se recomienda el uso de PLA para fabricar las futuras prótesis transtibiales pues fue el material utilizado en el proyecto gracias a sus características descritas en el desarrollo del proyecto de grado, se debe garantizar el uso adecuado del material para mejorar su calidad en términos de rendimiento de volumen.

Para el proceso de fabricación y ensamble de la prótesis transtibial se recomienda hacer uso de herramientas que garanticen la limpieza del pie protésico al retirarlo de la cama de impresión quitando todo exceso de material de su superficie que pudiese alterar las dimensiones, esto con el fin de garantizar su estado mecánico bajo condiciones de carga normales y la correcta unión de componentes estándar.

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BIBLIOGRAFÍA

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