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Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Azcapotzalco
Sección de Estudios de Postgrado e Investigación
“DISEÑO DE PROTOTIPO DE PRÓTESIS DE METACARPO PARA CABALLO CUARTO DE
MILLA”
TESIS PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN INGENIERIA DE MANUFACTURA P R E S E N T A:
ING. CINTHIA ALEJANDRA ROMERO AZUARA
DIRECTOR: Dr. J Jesús Nieto Miranda
CIUDAD DE MEXICO, AGOSTO 2018
iv
v
Contenido Índice de figuras ............................................................................................................. vii
Índice de tablas ................................................................................................................. x
Índice de grafica .............................................................................................................. xi
Resumen ......................................................................................................................... xii
Abstract .......................................................................................................................... xiii
Introducción ................................................................................................................... xiv
Planteamiento del problema ......................................................................................... xvii
Justificación ................................................................................................................... xxi
Objetivo general. .......................................................................................................... xxii
Objetivos particulares ................................................................................................... xxii
Metodología de la investigación .................................................................................. xxiii
Capítulo 1 Estado del Arte
Capítulo 2 Marco Teórico
2.1 Innovaciones en órtesis ..................................................................................... 10
2.2 Cálculos para órtesis / prótesis ......................................................................... 12
2.3. Biomecánica y curas de deformación .............................................................. 15
2.4 Método del Elemento Finito ............................................................................. 16
2.5 Diagrama de cuerpo libre ................................................................................. 19
Capítulo 3 Biomecánica del Caballo
Anatomía equina ......................................................................................................... 22
3.1 Nomenclatura anatómica del caballo ................................................................ 22
3.2 Planos y direcciones ......................................................................................... 22
3.3 Anatomía de extremidad anterior-inferior ........................................................ 26
3.4 Biomecánica del caballo ................................................................................... 27
3.5 La marcha del caballo ....................................................................................... 32
3.6 Longitudes y ángulos VS el eje horizontal ....................................................... 36
3.7 Descomposición de fuerzas .......................................................................... 41
3.8 Diagrama de cuerpo libre de la extremidad anterior del caballo. ................. 44
Capítulo 4 Propuesta de Diseño
4.1 Raza .................................................................................................................. 47
4.2 Fuerzas en la marcha del caballo ...................................................................... 47
4.3 Carga mínima en la prótesis en posición estática ............................................. 48
4.4 Diseño propuesto de la prótesis ........................................................................ 48
4.5 Escenarios de análisis ....................................................................................... 52
4.6 Selección del material para la prótesis ............................................................. 53
4.7 Calculo del área, presión y fuerzas, cargas en KP ............................................ 54
vi
4.8 Determinación de espesor ................................................................................. 55
4.9 Simulación mecánica del modelo ..................................................................... 57
4.10 Conclusión del análisis. .................................................................................. 66
4.11 Procesos de Manufactura ................................................................................ 67
Conclusión ...................................................................................................................... 69
Trabajos Futuros ............................................................................................................. 70
Referencias ..................................................................................................................... 72
Anexos ............................................................................................................................ 76
Anexo A: Desarrollo de la metodología “Systematic Approach”
Anexo B: Fichas técnicas de material
Anexo C: Planos del prototipo propuesto
vii
Índice de figuras Figura 1. Foto tomada en el Hospital de Equinos ........................................................ xvii
Figura 2. Foto tomada en el Hospital de Equinos ....................................................... xviii
Figura 3. Foto tomada en el Hospital de Equinos ....................................................... xviii
Figura 4. Secuencia de cirugía ortopédica en caballo . ................................................. xx
Figura 1. 1. Caballo Sammy, caso clínico del Rocky Mountain ..................................... 7
Figura 1. 2. Caballo Sammy, caso clínico del Sheridian . ................................................ 7
Figura 1.3. Prótesis de fibra de vidrio realizada por el MVZ Agustín Almanza. . ........... 7
Figura 1.4. Robot Vigor fabricado por la compañía Boston Dynamics. .......................... 8
Figura 2.1. Férula de Hugh Thomas inventada por Hugh Owen .................................. 11
Figura 2.2. Palanca de primer género o interfija. . ......................................................... 13
Figura 2.3. Palanca de primer género o interresistente. ................................................. 14
Figura 2.4. Palanca de tercer género o interpotente. . .................................................... 14
Figura 2.5. Elementos del triángulo rectángulo. ............................................................. 15
Figura 2.6. Curva de esfuerzo – deformación ............................................................... 16
Figura 2.7. Análisis mecánico por medio del elemento finito ....................................... 17
Figura 2. 8. Distribución de cargas de esfuerzo ............................................................ 18
Figura 2.9. a) cuerpo en reposo. b) diagrama de cuerpo libre de cuerpo ...................... 20
Figura 2.10 a) cuerpo en reposo. b) diagrama de cuerpo libre en reposo ...................... 20
Figura 3.1. Estructura ósea del caballo ........................................................................... 22
Figura 3.2. Figura donde se muestra las partes en las que el cuerpo del caballo .......... 23
Figura 3.3. Planos y direcciones en los que se divide un cuadrúpedo ........................... 23
Figura 3.4. Planos y direcciones en los que es dividido un cuadrúpedo. ...................... 23
Figura 3.5. Plano medio de un cuadrúpedo ................................................................... 25
Figura 3.6. Plano sagital de un cuadrúpedo ................................................................... 25
Figura 3.7. Plano transverso de un cuadrúpedo ............................................................. 25
Figura 3.8. Plano dorsal de un cuadrúpedo ................................................................... 26
Figura 3.9. Caballo visto de frente. ............................................................................... 26
Figura 3.10. Figura donde se muestra al caballo visto de lado. ..................................... 26
Figura 3.11. Extremidad anterior de caballo (esqueleto). .............................................. 27
Figura 3.12. Diferentes modos de carga que pueden ocurrir en el metacarpo …………30
Figura 3.13. Típicas fracturas en un hueso largo de un caballo. ................................... 31
Figura 3.14. Identificación de cada uno de los marcadores ........................................... 32
Figura 3.15. Tipo de marcha: Paso.. ............................................................................... 33
viii
Figura 3.16. Tipo de marcha: Trote. . ............................................................................. 33
Figura 3.17. Tipo de marcha: Galope Normal: mano derecha. . .................................... 34
Figura 3.18. Tipo de marcha: Galope Normal: mano izquierda.. ................................... 34
Figura 3.19. Tipo de marcha: Galope largo.. .................................................................. 35
Figura 3.20. Etapas de la marcha del caballo ................................................................. 35
Figura 3.21. Identificación de un ciclo de marcha, inicio y fin ..................................... 35
Figura 3.22. Codo en flexión, rodilla (carpo), menudillo, cuartillo y corona ................ 36
Figura 3.23. Diagrama de segmentos corporales ........................................................... 37
Figura 3.24. Medición y localización de los ángulos articulares ................................... 38
Figura 3.25. Identificación de ángulos observados ........................................................ 39
Figura 3.26. Angulo PHI; ángulo formado en articulación ........................................... 40
Figura 3.27. Ángulos formados en la extremidad ......................................................... 40
Figura 3.28. Distribución de cargas en extremidades ..................................................... 41
Figura 3.29. Distribución de cargas en cada una de las extremidades . ......................... 41
Figura 3.30. Elementos de una palanca . ....................................................................... 42
Figura 3.31. Localización de elementos de la palanca en un caballo ............................ 43
Figura 3.32. Identificación de partes trigonométricas . ................................................. 43
Figura 3.33. Huesos principales que conforman la extremidad ..................................... 44
Figura 3.34. Fuerzas que intervienen en la extremidad anterior .................................... 44
Figura 3.35. Localización de fuerzas en el plano cartesiano ......................................... 45
Figura 3.36 Diagrama de cuerpo libre de las fuerzas . ................................................... 45
Figura 4.1. Diseño de prótesis rígida realizada en 𝐴𝑢𝑡𝑜𝐶𝑎𝑑®. ..................................... 49
Figura 4.2. Geometría interna del socket ........................................................................ 49
Figura 4.3. Caja cola de milano- interfaz entre el cilindro metacarpiano y socket ........ 49
Figura 4.4. Cilindro metacarpiano .................................................................................. 49
Figura 4.5. Primer paso. ................................................................................................. 50
Figura 4.6 Molde obtenido en el paso 1. ........................................................................ 51
Figura 4.7. Pieza de yeso obtenida “muñón”.................................................................. 51
Figura 4.8 Retirando exceso de material y detallando.................................................... 51
Figura 4.9 Herramienta de escaneo Handheld de 3D System. ....................................... 51
Figura 4.10. Geometría en líneas reconstruida en AutoCad®. ...................................... 52
Figura 4.11. Construcción de áreas en el programa Ansys student 18.2®. .................. 52
Figura 4.12. Inicio del ciclo de marcha, generando dos cargas . .................................... 52
Figura 4.13. Posicion estatica, enerando presion dentro del interior del socket. ........... 53
ix
Figura 4.14. Fin del ciclo de marcha, generando dos cargas. ......................................... 53
Figura 4.15. Cargas críticas en KP específicos dentro del socket .................................. 55
Figura 4.16 Geometría de la prótesis propuesta. ............................................................ 57
Figura 4.17 Prótesis completa- MEF . ............................................................................ 60
Figura 4.18. Socket-EA. ................................................................................................. 61
Figura 4.19. Caja Milano – EB. ...................................................................................... 62
Figura 4.20. Prótesis completa- EE . .............................................................................. 63
Figura 4.21. Socket-EA. ................................................................................................. 64
Figura 4.22. Cilindro – EB. ............................................................................................ 65
x
Índice de tablas
Tabla 1. Estadísticas proporcionadas por el Hospital de Equinos de la UNAM. .......... xix
Tabla 3.1. Articulaciones en miembros anteriores en un caballo. .................................. 32
Tabla 3. 2 Mediciones de longitudes de segmentos del estudio . ................................... 37
Tabla 3.3. Ángulos en posición estática de segmentos Vs eje horizontal . .................... 38
Tabla 3. 4 Identificación de ángulos básicos ................................................................. 39
Tabla 3.5. Ángulos máximos y mínimos en el ciclo de la marcha. ................................ 40
Tabla 4.1. Ejemplo de fuerzas en dos aires del caballo ................................................. 47
Tabla 4.2. Propiedades de los materiales comerciales seleccionados ............................ 54
Tabla 4.3. Condiciones de frontera para los 3 escenarios. ............................................. 58
Tabla 4.4. Resultados Posición Estática ......................................................................... 60
Tabla 4.5. Resultados Posición: Dinámica Apoyo ......................................................... 61
Tabla 4.6. Resultados Posición: dinámica Balance ........................................................ 62
Tabla 4.7. Resultados Posición: dinámica Balance . ................................................... 63
Tabla 4.8 Resultados Posición: dinámica Balance . .................................................... 64
Tabla 4.9. Resultados Posición: dinámica Balance . ................................................... 65
Tabla TF.1. Concepto propuesta..................................................................................... 70
xi
Índice de grafica
Grafica 4.1. Localización de EVM del material Mbrace durante el ciclo de la marcha. 66
xii
Resumen
La inclusión de las prótesis en los animales en la última década ha tenido respuesta de
manera considerable, existen casos documentados de animales tanto salvajes como
domésticos que se les han realizado la aplicación de prótesis obteniendo resultados
favorables, evitando con ello el sacrificio del animal y logrando el desarrollo e
investigación científica y tecnológica en la mayoría de los casos.
En la investigación realizada para el estado del arte, se encontró dentro de la literatura
artículos relacionados con respecto a prótesis que se han realizado específicamente en
equinos, así como también, patentes que pueden servir para el desarrollo del diseño de
un primer prototipo de prótesis de metacarpo para caballo cuarto de milla; mismo que
pueda dar una alternativa a la problemática que se tiene con los caballos que presentan
fracturas en sus extremidades anteriores ya que como única opción se tiene el sacrificar
al animal.
Estadísticas proporcionadas por el Hospital De Equinos De La Facultad De Estudios
Superiores De La UNAM presentan que en un promedio de 18 meses se presentaron 35
caballos atendidos por fractura en una de sus extremidades y de los cuales 18 caballos
fueron tratados por medio de cirugía ortopédica de manera exitosa, 15 sacrificaos y 2 se
sometieron a amputación.
En el siguiente documento se tiene como finalidad describir el diseño detallado de un
prototipo de prótesis para caballo cuarto de milla que pueda darle solución a la
problemática que tienen latente los veterinarios de no poder tener una alternativa que le
devuelva la movilidad al caballo que ha sido amputado.
Para poder lograr la manufactura el prototipo, fue necesario llevarlo a cabo por medio
de la correcta aplicación de la metodología de Diseño “Systematic Approach”, así
como la aplicación de programas capaces de aportar información relevante y preventiva
para lograr que el producto sea altamente exitoso, haciendo uso también de avances
tecnológicos en la manufactura con lo son el uso de las maquinas 3D.
Con el correcto uso de la metodología fue posible poder escoger los materiales más
adecuados para la propuesta de manufactura de este prototipo, dejando consigo una
prótesis ligera y de alta resistencia, capaz de soportar el peso promedio de un caballo
cuarto de milla totalmente desarrollado.
xiii
Abstract
In Mexico the specialist horses and horses associations reveled that Mexico has around
six millions of horses of which three millions of them are working in equine sport, field
work and cultural events. These data places Mexico in third place of having highest
population of horses in the world.
According to statistics presented by horse’s specialist from the Universidad Autonoma
de Mexico, every year and a half, thirty five horses are treated for fractured frontal
limbs. The animals prosthetics insertion in the recently decade had have a good
approval in all veterinarian sector, actually exist a several cases such as wild animals
and domesticate animals that have received a prosthetics application, obtaining good
results such as save the life of the animals, give them a new opportunity of life and can
make scientific investigation development.
The principal objective of this investigation is describe the specific design of the
proposal design of prototype of prostheses for horses.
To develop the investigation and reach final concept it was necessary to follow the
systematic approach methodology, and the application of different software’s that
provide important and preemptive information too, achieving a safe prosthesis and
successful prosthesis design. Proposing the use of the new technology such as 3d
printed and the best materials for the manufacture. All of this helped to find the best
solution to the problem.With this methodology was possible choose the correct and the
best materials for the proposals prototype design, obtaining a light prosthesis with a
high strength, able to support the heavy weight of an adult horse.
Another important step in this investigation is the simulation in a virtual laboratory, the
software that was used, was Ansys by the finite element model.In Ansys was possible
visualize the behavior of the geometry, materials that were select. With pressures, forces
and loads in dynamics and static positions. The results obtained by the software in both
dynamic and statics positions loads in relation with the tensile strength materials met the
primary function of the prostheses as well as the safety factor of 1.5 that is established
by the pressure vessel design.
xiv
Introducción
El ser vivo en cualquier momento de su vida puede estar expuesto a sufrir mutilaciones
causadas por enfermedades, malformación o accidentes. Debido a ello, han sido creados
y evolucionado gradualmente las prótesis, que han servido como herramienta y/o
alternativa valiosa capaz de restituir la extremidad que se ha perdido. En la
investigación realizada por el licenciado José Luis Gómez de la Benemérita Universidad
Autónoma de Puebla, en su publicación para el CONACYT, menciona que en México
en el siglo XXI las prótesis, han tenido un auge impresionante, cuyo objetivo ha sido
procurar la rehabilitación integral del sistema locomotor de quienes sufrían alguna
minusvalía.
Y tanto como la evolución de las prótesis ha ido creciendo para los seres humanos, de la
misma manera, se presenta fuerte la inclusión de las prótesis en los animales; en la
actualidad existen casos documentados de animales de pequeñas especies a los que se
les ha colocado prótesis en alguna de sus extremidades, y en la mayoría de los casos han
sido aceptadas favorablemente, salvándolos de la eutanasia y mejorando la calidad de
vida una vez que han perdido su extremidad, como lo es el caso de la mascota Romina,
perra de raza Galgo Whippet, que sufrió un accidente en Brasil con una cortadora de
césped donde se lesionó ambas patas delanteras, la izquierda fue reconstruida con placas
de titanio, pero la derecha tuvo que ser amputada colocándole por primera vez en
México una prótesis articulada impresa en 3D por parte de especialistas de ortopedia del
Hospital Veterinario de la Universidad del Valle de México.
Así como este caso, actualmente alrededor del mundo se encuentran documentados
innumerables casos de éxito en pequeñas especies, gracias a sus tamaño y agilidad
presentan menores dificultades para la rehabilitación y aceptación de las mismas,
aunque es de suma importancia comenzar a incursionar prótesis en animales que son de
gran musculatura y peso, ya que la necesidad está latente también en estas especies y
aunque a simple vista se pueden apreciar que son animales que tienen mucha resistencia
y fuerza no están exentos de presentar lesiones en su sistema locomotor y uno de ellos
son los caballos.
xv
Las estadísticas reales que presentan hospitales especializados en caballos, casos
clínicos que han presentado amputación y algunos de ellos que han tenido la
oportunidad de que se les coloque una prótesis de manera convencional que les permite
únicamente continuar viviendo, más están limitados a poder volver a realizar algunas de
sus actividades habituales.
Por mencionar algunas de los casos clínicos, prótesis y patentes que existen en el
mercado de la medicina veterinaria y robótica que en mucha medida aportan
información que enriquece el desarrollo de un primer prototipo de prótesis de metacarpo
para caballo cuarto de milla que dé solución a la problemática que tienen latente el área
de medicina zootécnica y especialistas en ortopedia de equinos se encuentran:
El artículo de divulgación y científicos del M.V.Z. David E. Lindsey que
presento la iniciativa de desarrollar una prótesis de extremidad anterior hecha de
fibra de carbono, lo cual indica que desde 1997 ya a existido el interés de
fabricar prótesis para caballos.- LINDSEY D.I. (1997, Dec). “Equine Prosthesis
Under Development”. Journal of equine veterinary science [online] Vol. 17
(issue 12). pp- 648. [Fecha de consulta: 15 de marzo 2017]Avaliable:
http://dx.doi.org/10.1016/S0737-0806(97)80242-0
El artículo del Dr. N.R. Perkins con la prótesis testicular en caballos cuarto de
milla, lo cual permite determinar que los caballos se adaptan y responden
favorablemente a las prótesis.-PERKINSN.R., FRAZERG.S., THRELFALL
W.R. (1996, Feb). “Testicular Prosthesis in a quarterhorse stallion: a case
report”. ELSEVIER, vol(45) pp- 535-540 Avaliable:
https://doi.org/10.1016/0093-691X(95)00400-3
Los artículos de divulgación del M.V.Z. Ted Vlahos que se dedica a realizar
amputaciones y prótesis en el Rocky Mountain Equine Hospital en Estados
Unidos, este articulo muestra la evidencia de amputaciones exitosas en caballos.
-DAILY M. R., (Oct 2008). “Riley the amputee horse saved from slaughter
after a vet fits her with a false leg” T. Vlahos.
Dailymail[online].Available:http://www.dailymail.co.uk/news/article-
1080298/Riley-crippled-horse-saved-slaughter-vet-fits-false-leg.html
Los artículos de divulgación y entrevistas del M.V.Z Agustín Almanza con las
prótesis llamadas Redboot, lo cual este articulo encamina a que existen en otras
partes del mundo el mismo interés y es posible manufacturar una prótesis para
caballo en México también.-ALMANZA A. (s.f.) Redboot [online]. Available:
http://www.redboot.com.ar/
xvi
Así como la patente del robot Buldog de la empresa Boston Dynamics, empresa dedicada al desarrollo de robots para el sistema militar de Estados Unidos y misma que aporta información específica en las articulación de un cuadrúpedo.- SAUNDERS A. & RAIBERTM.,“Actuator System”.,USA, US20100090638, 15 Apr 2010.
La conformación de este trabajo escrito se encuentra divido en cuatro capítulos los
cuales consisten en lo siguiente:
Capítulo 1. Estado del arte, investigación y documentación de los estudios realizados
con respecto a la innovación o creación en las prótesis de caballos.
Capítulo 2. Marco Teórico, este capítulo comprende la base de donde se sustenta todos
los estudios, análisis, teorías que se utilizan para el desarrollo de la prótesis de caballo.
Capítulo 3. Biomecánica del Caballo, consiste en la conformación desde la estructura
anatómica, dinámica del ciclo de marcha del caballo, ángulos y direcciones de
movimientos, fuerzas de un caballo y diagrama de cuerpo libre de la extremidad de un
caballo.
Capítulo 4. Propuesta de Diseño, en este capítulo se encuentra la propuesta de un
diseño elaborado en CAD, el desarrollo técnico que se utilizó para poder alcanzar desde
el socket hasta el diseño total, herramientas, cálculos, resultados y análisis con los
softwares empleados para poder corroborar de manera virtual el correcto
funcionamiento de la prótesis de caballo.
xvii
Planteamiento del problema
Actualmente, los veterinarios optan por la eutanasia en animales de grandes especies,
cuando se les presentaban casos graves de lesiones o malfuncionamiento de los
miembros.
Veterinarios de diferentes dependencias se acercaron al departamento de biomecánica
del Instituto Politécnico Nacional, unidad ESIME Azcapotzalco, expresando la
problemática que presentan con equinos que sufren de manera recurrente fracturas o
lesiones en sus extremidades anteriores o posteriores llevando a que el propietario y
médicos tengan como única alternativa tomar la difícil decisión de tener que sacrificar
al caballo.
La problemática se encuentra existente y una alternativa que dé solución a este difícil
procedimiento sería el poder devolverle al animal la movilidad natural de la extremidad
que como opción ha sido amputada, debido a la gravedad de la lesión, trayendo consigo
el salvarle la vida al animal.
Los casos clínicos de animales con lesiones se encuentran de manera latente y
recurrente como se puede ver en la figura 1, este es un caso clínico que existe en el
Hospital de Equinos de la Facultad de Estudios Superiores de Cuautitlán Izcalli, el
caballo presenta una lesión en la extremidad posterior y la recuperación a la cirugía no
ha sido del todo satisfactoria, lo cual está llevando a los doctores del hospital en pensar
en una posible amputación, de acuerdo con esto el procedimiento está detenido, debido
a la falta de una prótesis que ya se encuentre diseñada o en el mejor de los casos
manufacturada aquí en México y que pueda suplir la función de la extremidad.
Figura 1. Foto tomada en el Hospital de Equinos de la Facultad de Estudios Superiores de Cuautitlán
Izcalli, caso clínico.
xviii
De igual manera dentro del Hospital de Equinos de la Facultad de Estudios Superiores
de Cuautitlán Izcalli existen otros dos casos clínicos que presentan lesiones en las
extremidades anteriores, como se puede ver claramente en las figuras 2 y figura 3.
De acuerdo a los casos clínicos que presenta la FES Cuautitlán Izcalli de la UNAM
mostrados en las figuras 1, 2 y 3 se define como evidencia para determinar que los
caballos presentan lesiones en algunos de sus extremidades de manera frecuente.
Si se considera que tres caballos es una cifra muy pequeña para determinar la
problemática es debida a las organizaciones de protección de animales en México1 que
exigen sacrificar a todos los caballos que presentan fracturas en alguna de sus
extremidades si no se tiene una alternativa existente; ya que el mantener a un caballo
amputado con la promesa de una prótesis se considera que se está experimentando con
un ser vivo.
Es por eso que todos los caballos que presentan alguna lesión en alguna de sus
extremidades lamentablemente son sacrificados sin excepción alguna.
Figura 2. Foto tomada en el Hospital de Equinos de la Facultad de Estudios Superiores de Cuautitlán
Izcalli, caso clínico.
Figura 3. Foto tomada en el Hospital de Equinos de la Facultad de Estudios Superiores de Cuautitlán
Izcalli, caso clínico.
1 Gente Por La Defensa Animal AC y/o Visión Vegana, Sociedad en Acción Antispecismo, solo por
mencionar algunas organizaciones activas en la CDMX y Edo. Mex.
xix
El MVZ Jesús Valdez Miranda ortopedista responsable de los casos clínicos que se
llevan en el hospital de equinos, ha mostrado mayor interés en el desarrollo de una
prótesis y se desempeña en el Hospital de Equinos de la Facultad de Estudios
Superiores Cuautitlán con ubicación en Av. Jorge Jiménez Gallardo s/n col. San
Sebastián Xhala, Cuautitlán Izcalli, Edo. Mex. C.P. 54714, hospital seleccionado como
el cliente directo para trabajar con el desarrollo del proyecto, ya que ellos se les expuso
la problemática y de viva voz expresaron el amplio interés de formar parte del proyecto
facilitando toda la información que sustenta la necesidad de atacar esta problemática
como las estadísticas mostradas en la tabla 1 (bibliografía, acceso a cirugías, entre otras
actividades relevantes) que ayudan a enriquecer la investigación de las recurrentes
incidencia de lesiones de metacarpo en caballos y así como la necesidad de crear una
prótesis que pueda reproducir los movimientos naturales de la extremidad anterior
amputada de un caballo, evitando como única solución la eutanasia en el animal.
Tabla 1. Estadísticas proporcionadas por el Hospital de Equinos de la UNAM.
En un año y medio
Amputados 2
Sacrificados 15
Caballos tratados con cirugía ortopédica 18
Caballos atendidos por fractura TOTAL: 35
El médico veterinario J. Valdez extendió la oportunidad de presenciar una cirugía
ortopédica con la finalidad de reafirmar la existencia de la problemática y así como los
procedimientos que la medicina veterinaria aplica en los equinos cuando presentan
fracturas en metacarpo; como se puede apreciar la cirugía en una secuencia de
fotografías en la figura 4, caso clínico que llegó al hospital pertenecía a un caballo
cuarto de milla destinado para la charrería, que presentó fractura en la extremidad
anterior (mano izquierda), en el hueso metacarpo.
xx
Figura 4. Secuencia de cirugía ortopédica en caballo cuarto de milla en el Hospital de Equinos de la
Facultad de Estudios Superiores de Cuautitlán Izcalli.
xxi
Justificación
En México en el 2014 la Asociación Mexicana de Médicos Veterinarios Especialistas en
Equinos, reveló que según la Organización de las Naciones Unidas y el INEGI, en
México se tienen cerca de 6 millones de caballos y 3 millones de ellos trabajando en
distintos rubros como el deporte ecuestre, en labores de campo o en eventos de
patrimonio cultural. Esto hace de México el tercer lugar en población de caballos a nivel
mundial. Relacionando esto con la información proporcionada por especialistas del
Hospital De Equinos De La Facultad De Estudios Superiores De La UNAM argumentan
que la frecuencia que tiene un caballo de presentar lesiones en alguna de sus
extremidades es alta, ya que siempre son sus extremidades las que están en constante
actividad y estas son vitales para cualquier actividad que realiza el equino.
El desarrollar el diseño de un prototipo de prótesis de metacarpo para caballo cuarto de
milla proviene de la necesidad que expresa el cliente directo, que es el hospital de
equinos anteriormente mencionado, ya que en dicho hospital llegan caballos con
lesiones complicadas de metacarpos, lesiones multifracturadas y de difícil recuperación,
para un caballo cuarto de milla completamente desarrollado que en promedio puede
llegar a pesar entre los 450-550Kg. Y debido a la complejidad de mantener a un caballo
viviendo en solo tres extremidades o a la falta de alternativas que existe en el mercado
de la medicina para grandes especies, recurren como única “alternativa” a que el
propietario del equino solicite la eutanasia del noble animal para no verlo sufrir más.
Cabe mencionar que es de suma importancia que para la selección de la raza de caballo
con la cual se desea realizar un primer diseño de prototipo de prótesis, es el caballo
cuarto de milla, ya que esta raza es la que presenta lesiones en alguna de sus
extremidades con mayor frecuencia, así como también esta es la raza de caballos que es
utilizada para labores en campo y en eventos de patrimonio cultural como la charrería
en México.
xxii
Objetivo general.
Diseñar un prototipo de prótesis de la extremidad anterior para caballos “cuarto de
milla” que logre reemplazar la extremidad amputada.
Objetivos particulares
• Diseñar el socket de la prótesis por medio de herramientas computacionales.
• Analizar que el diseño del socket sea el adecuado para soportar cargas de un
caballo mediante programas de simulación (MEF).
• Investigar la biomecánica para el correcto diseño de las falanges
• Diseñar la articulación de las falanges que generan movimiento.
• Ensamblar los elementos diseñados para obtener la prótesis.
• Seleccionar los materiales más adecuados para la propuesta de diseño de la
prótesis.
xxiii
Metodología de la investigación
En el desarrollo del proyecto se emplea la metodología “Systematic Approach” en base
al libro Engineering Design de los autores Pahl W. Beitz y Freldhusen K. H. Grote.
Misma que consta en el desarrollo de:
Identificación del problema
• Factores de impacto
• Valor del producto propuesto
Formulación del problema
• Búsqueda de antecedentes
• Productos competitivos
• Búsqueda de usuarios
• Requerimiento del cliente
• Aspectos de diseño
1
Capítulo 1 Estado del Arte
2
Para iniciar el proceso de investigación es necesario partir por un breve recorrido por la
historia de la protésica. La historia se remonta desde la época de las antiguas pirámides
hasta llegar a la primera guerra mundial. Es importante recalcar que el interés por
fabricar prótesis primeramente estaba previsto únicamente para humanos.
Para poder llegar hasta las prótesis de pierna computarizadas y/o biónicas han tomado
un largo y constante proceso de evolución. Ha habido muchas modificaciones de
perfeccionamiento a las primeras prótesis de extremidad inferior que fueron las patas de
palo o también prótesis para las manos que al principio eran ganchos, en la actualidad se
pueden contar con prótesis que son altamente personalizados y diseñados gracias a las
nuevas tecnologías.
No obstante de acuerdo a lo mencionado por el investigador NORTON K. 2007 en su
artículo “Un breve recorrido por la historia de la protésica”, para poder apreciar todo el
camino que se ha recorrido en el campo de la protésica, primero se remonta a los
antiguos egipcios.
Los egipcios fueron los primeros pioneros de la tecnología protésica elaboraban sus
extremidades protésicas rudimentarias con fibras, y se cree que las utilizaban por la
sensación de “completitud” antes que por la función en sí. Sin embargo, recientemente
los científicos descubrieron en una momia egipcia lo que se cree que fue el primer dedo
del pie protésico, que parece haber sido funcional.
Del año 424 a. C. al 1 a. C. - en 1858 se desenterró en Capua, Italia, una pierna artificial
que data de aproximadamente 300 a. C. Estaba elaborada con hierro y bronce y tenía un
núcleo de madera; aparentemente, pertenecía a un amputado por debajo de la rodilla. En
el año 424 a. C., Heródoto escribió sobre un vidente persa condenado a muerte que
escapó luego de amputarse su propio pie y reemplazarlo con una plantilla protésica de
madera para caminar 30 millas (48.28 km) hasta el próximo pueblo.
El erudito romano Plinio el Viejo (23-79 d. C.) escribió sobre un general romano de la
Segunda Guerra Púnica (218-210 a. C.) a quien le amputaron el brazo derecho. Se le
colocó una mano de hierro para que sostuviera el escudo y pudo volver al campo de
batalla.
3
Alta Edad Media (476 a 1000).- En la Alta Edad Media hubo pocos avances en el
campo de la protésica, además del gancho de mano y la pata de palo. La mayoría de las
prótesis elaboradas en esa época se utilizaba para esconder deformidades o heridas
producidas en el campo de batalla. A un caballero se le colocaba una prótesis diseñada
solamente para sostener un escudo o para calzar la pata en el estribo, y se prestaba poca
atención a la funcionalidad. Fuera del campo de batalla, solamente los ricos tenían la
suerte de contar con una pata de palo o un gancho de mano para las funciones diarias.
Era frecuente que los comerciantes, incluidos los armeros, diseñaran y crearan
extremidades artificiales. Personas de todos los oficios, solían colaborar para elaborar
los dispositivos, los relojeros eran particularmente buenos para agregar funciones
internas complicadas con resortes y engranajes.
El Renacimiento (1400 a 1800).- El Renacimiento fue el surgimiento de nuevas
perspectivas para el arte, la filosofía, la ciencia y la medicina. Retomando los
descubrimientos médicos relacionados con la protésica de los griegos y los romanos, se
produjo un renacer en la historia de la protésica. Durante este período, las prótesis
generalmente se elaboraban con hierro, acero, cobre y madera.
Principios de 1500.- En 1508, se elaboró un par de manos de hierro tecnológicamente
avanzadas para el mercenario alemán Gotz von Berlichingen después de que perdió su
brazo derecho en la batalla de Landshut. Era posible manejar las manos fijándolas con
la mano natural y moverlas soltando una serie de mecanismos de liberación y resortes,
mientras se suspendían con correas de cuero.
Alrededor de 1512, un cirujano italiano que viajaba por Asia registró observaciones de
un amputado bilateral de extremidad superior que podía quitarse el sombrero, abrir su
cartera y firmar. Circuló otra historia de un brazo de plata elaborado para el almirante
Barbarossa, que luchó contra los españoles en Bougie, Algeria, para un sultán turco.
A mediados y fines de 1500 muchos consideran al barbero y cirujano del Ejército
Francés Ambroise Paré el padre de la cirugía de amputación y del diseño protésico
modernos. Introdujo modernos procedimientos de amputación (1529) en la comunidad
médica y elaboró prótesis (1536) para amputado extremidades superior e inferior.
4
Además, inventó un dispositivo por encima de la rodilla, que consistía en una pata de
palo que podía flexionarse en la rodilla y una prótesis de pie con una posición fija, un
arnés ajustable, control de bloqueo de rodilla y otras características de ingeniería que se
utilizan en los dispositivos actuales. Su trabajo demostraba, por primera vez, que se
había comprendido verdaderamente cómo debería funcionar una prótesis. Un colega de
Paré, el cerrajero francés Lorrain, hizo una de las contribuciones más importantes en
este campo cuando utilizó cuero, papel y pegamento en lugar de hierro pesado para
elaborar una prótesis.
Siglos XVII al XIX.- En 1696, Pieter Verduyn desarrolló la primera prótesis por debajo
de la rodilla sin mecanismo de bloqueo, lo que más tarde sentaría las bases de los
actuales dispositivos de articulación y corsé. En 1800, el londinense James Potts diseñó
una prótesis elaborada con una pierna de madera con encaje, una articulación de rodilla
de acero y un pie articulado controlado por tendones de cuerda de tripa de gato desde la
rodilla hasta el tobillo. Se hizo famosa como la “Pierna de Anglesey” por el marqués de
Anglesey, que perdió su pierna en la batalla de Waterloo y fue quien utilizó esta pierna.
Más tarde, en 1839, William Selpho trajo la pierna a los EE. UU., donde se la conoció
como la “Pierna Selpho”. En 1843, Sir James Syme descubrió un nuevo método de
amputación de tobillo que no implicaba una amputación a la altura del muslo. Esto fue
bien recibido dentro de la comunidad de amputados porque representaba una posibilidad
de volver a caminar con una prótesis de pie en lugar de con una prótesis de pierna.
En 1846, Benjamin Palmer no encontró razón para que los amputados de pierna
tuvieran espacios desagradables entre los diversos componentes y mejoró la pierna
Selpho al agregarle un resorte anterior, un aspecto suave y tendones escondidos para
simular un movimiento natural.
En 1863, Dubois Parmlee inventó una prótesis avanzada con un encaje de succión, una
rodilla policéntrica y un pie multiarticulado. Más tarde, en 1868, Gustav Hermann
sugirió el uso aluminio en lugar de acero para que las extremidades artificiales fueran
más livianas y funcionales. Sin embargo, el dispositivo más liviano tendría que esperar
hasta 1912, cuando Marcel Desoutter, un famoso aviador inglés, perdió su pierna en un
accidente de avión y elaboró la primera prótasis de aluminio con la ayuda de su
hermano Charles que era ingeniero.
5
Hacia los tiempos modernos.- a medida que se desarrollaba la Guerra Civil
Estadounidense, la cantidad de amputados incrementaba en forma astronómica, lo que
obligó a los estadounidenses a ingresar en el campo de la protésica. James Hanger, uno
de los primeros amputados de la Guerra Civil, desarrolló lo que más tarde patentó como
la “Extremidad Hanger”, elaborada con duelas de barril cortadas. Personas como
Hanger, Selpho, Palmer y A.A. Marks ayudaron a transformar y hacer progresar el
campo de la protésica con los perfeccionamientos que impusieron en los mecanismos y
materiales de los dispositivos de la época.
A diferencia de la Guerra Civil, la Primera Guerra Mundial no fomentó mucho el
avance en este campo. A pesar de la falta de avances tecnológicos, el Cirujano General
del Ejército en ese momento comprendió la importancia del debate sobre tecnología y
desarrollo de prótesis; con el tiempo, esto dio lugar a la creación de la Asociación
Estadounidense de Ortoprótesis (AOPA, por sus siglas en inglés). Después de la
Segunda Guerra Mundial, los veteranos estaban insatisfechos por la falta de tecnología
en sus dispositivos y exigían mejoras. El gobierno de los EE. UU. Cerró un trato con
compañías militares para que mejoraran la función protésica en lugar de la de las armas.
Este acuerdo allanó el camino para el desarrollo y la producción de las prótesis
modernas. Los dispositivos actuales son mucho más livianos, se elaboran con plástico,
aluminio y materiales compuestos para proporcionar a los amputados dispositivos más
funcionales.
Además de ser dispositivos más livianos y estar hechos a la medida del paciente, el
advenimiento de los microprocesadores, los chips informáticos y la robótica en los
dispositivos actuales permitieron que los amputados recuperen el estilo de vida al que
estaban acostumbrados, en lugar de simplemente proporcionarles una funcionalidad
básica o un aspecto más agradable. Las prótesis son más reales con fundas de silicona y
pueden imitar la función de una extremidad natural hoy más que nunca (K. Norton.
2007).
Analizando todo el avance y desarrollo que han tenido las prótesis en humanos se puede
llegar a concluir que gracias a la perseverancia de los médicos e ingenieros que han
mostrado el interés en diseñar y manufacturar estas prótesis, los seres vivos no
6
únicamente pueden suplir la extremidad que le fue amputada sino que también es
posible llegar a reemplazar la función de esta.
En los últimos años el crecimiento y el desarrollo en el uso de prótesis en los animales
ha ido creciendo de manera significativa, logrando posicionarse en la opinión pública y
figurar entre las primeras alternativas para suplir la función de una o varias
extremidades que pueden hacer falta debido a diversas razones.
Se describen brevemente algunos casos donde se han planteado el desarrollo de la
fabricación de una prótesis o en la aplicación de una prótesis en casos clínicos de
caballos.
El doctor LINDSEY D. 1997. Interesado en manufacturar una prótesis para caballo, en
su artículo propone para la fabricación de esta prótesis, materiales de fibra de carbono y
acrílico, de este modo aportando significativamente el tipo del material con el cual se
pudiera fabricar el prototipo de prótesis
Los doctores PERKINS N.R. y FRAZER G. S. 1995. En su artículo científico
describen una prótesis testicular de fibra de vidrio en un caballo semental cuarto de
milla, en la cual se resume en haber colocado una prótesis de manera invasiva logrando
tener resultados favorables posteriores a la operación, debido a que el animal acepto de
manera exitosa la inclusión del testículo fabricado de fibra de vidrio
El MVZ T. Vlahos. 2008. que práctica procedimientos quirúrgicos en equinos con la
finalidad de colocarles prótesis de alguna de las extremidades que fue amputada, basada
en la similitud de algunas prótesis que han sido fabricadas para los humanos. Existen
dos casos clínicos documentados mostrados en las figuras 1.1 y 1.2
7
Figura 1. 1. Caballo Sammy, caso clínico del Rocky Mountain Equine Hospital por el MVZ Ted Vlahos.
The Telegraph, (2008).
Figura 1. 2. Caballo Sammy, caso clínico del Sheridian Equine Hospital por el MVZ Ted Vlahos. M.
Veterinaria, (2012).
MVZ ALMANZA A., médico dedicado a la ortopedia especialmente en equinos,
fabricante de las prótesis Redboot en Argentina. Ver figura 1.3
Figura 1.3. Prótesis de fibra de vidrio realizada por el MVZ Agustín Almanza. A. Almanza, Redboot.
Debido a estos casos se tiene la evidencia documentada y fotográfica de prótesis que
aunque se tratan de realizar con los materiales más adecuados para soportar cargas
grandes como las que tiene un caballo, aún carecen de mecanismos adecuados que
8
hagan que el caballo pueda volver a reproducir el movimiento de la extremidad que le
fue amputada.
De esta manera se han buscado en el mercado patentes que sirvan y aporten información
relevante para el desarrollo de este proyecto.
La empresa Boston Dynamics de Estados Unidos dedicada a la construcción de robots
avanzados, ha desarrollado un robot llamado Buldog, A, basándose en la anatomía de
un cuadrúpedo:
El robot reproduce los movimientos de un cuadrúpedo
Puede escalar, correr, mantener el equilibrio
Puede trasladarse en terrenos de dificultad como, rocosos, arenosos, en
ambientes climáticos extremos como, lagos congelados, húmedos, etc.
Puede realizar misiones de traslado de suministros, cargas, etc.
La invención de los científicos de esta empresa, permite tomarlo como excelente
ejemplo para poder referenciar alguna de sus extremidades con las de un equino, en la
Figura 1.4 se puede visualizar el robot anteriormente mencionado.
Figura 1.4. Robot Vigor fabricado por la compañía Boston Dynamics, el robot reproduce los
movimientos de un cuadrúpedo.
Este robot puede realizar los movimientos de trotar, correr, o caminar en diferentes
condiciones climáticas o terrenales. La patente de este robot permite que se pueda hacer
referencia a las extremidades de un cuadrúpedo o basarse en el modelo que puede tener
un primer prototipo de prótesis para caballos cuarto de milla.
9
Capítulo 2 Marco Teórico
10
Dado que este trabajo se centra en el desarrollo del diseño de una prótesis especialmente
para equinos, resulta fundamental aterrizar algunas definiciones que son importantes
para ir comprendiendo como es que médicos veterinarios han utilizado alguna
metodología o los conocimientos de medicina que los han guiado o llevado a la posible
fabricación de algunas prótesis en animales cuadrúpedos.
2.1 Innovaciones en órtesis
De acuerdo a lo argumentado por el MVZ. Roberto Rodrigues Ricco (RODRIGUES R.
R.2008). En su artículo titulado “Innovaciones en órtesis para la rehabilitación de
animales accidentados” describe que los primeros actos terapéuticos sobre heridas y
traumatismos se basan en una metodología adquirida, aceptada y asimilada, que reposa
en el inconsciente de la Humanidad. Los pueblos primitivos actuales han tratado las
heridas y demás lesiones traumáticas de una forma empírica pero muchas veces eficaz
basándose en este método de trabajo, aunque distorsionado por las creencias.
Ungüentos, protecciones, férulas y maniobras terapéuticas.
La ortopedia, al igual que muchas otras especialidades se ha desarrollado en base a la
necesidad. Una necesidad de corregir la deformidad, restaurar la función y aliviar el
dolor. En el área de medicina veterinaria se observó también tal necesidad, la de
desarrollar aparatos ortopédicos para resolver los problemas traumatológicos de
distintas causas, y por fin reemplazar la tradicional inmovilización de yeso, que reduce
una fractura pero al mismo tiempo atrofia las musculaturas, produce escaldaduras,
heridas, además de ser un material pesado e incómodo para un animal.
Curar un animal de una fractura o cualquier otro tipo de traumatismo no es complicado,
dependiendo del caso puede ser muy fácil como también puede ser muy difícil. La
mayoría de los tratamientos propuestos están basados en la inmovilización del miembro
afectado en el caso de una fractura o el uso de vendajes en caso de lesiones externas.
La inmovilización permanente no siempre es un tratamiento eficaz en los casos de las
fracturas. Por ejemplo, analizamos los vendajes de yeso; ciertamente son eficaces, pero
al mismo tiempo son como “armas de doble filo”, porque corrige un problema y
ocasiona otros, como pueden ser:
11
• Ningún yeso rehabilita un miembro afectado estructuralmente en menos de un mes;
• Los vendajes de yeso producen atrofia muscular, o atrofia del miembro en sí en la
etapa de crecimiento;
• Los vendajes de yeso pueden en muchos casos provocar escaldaduras y heridas, y si
vamos más allá, un yeso muy ajustado puede ocasionar una isquemia generalizada y
gangrena del miembro;
• Los yesos son incómodos, pesados y difícil de sacar pudiendo lastimar más al animal,
además de provocar estrés al paciente.
Últimamente el tratamiento ortopédico de mejor eficacia en medicina veterinaria es la
férula de Thomas; figura 2.1, que rehabilita el miembro fracturado sin producir grandes
daños.
Figura 2.1. Férula de Hugh Thomas inventada por Hugh Owen Thomas a finales de 1800. (BBC Mundo,
2016)
Actualmente se continua utilizando en algunos casos el mismo método de
inmovilización pero fabricada con materiales más sofisticados, aunque, últimamente el
tratamiento ortopédico de mejor eficacia en medicina veterinaria es la férula de Thomas,
que rehabilita el miembro fracturado sin producir grandes daños.
Los caballos son los animales que más sufren con los problemas de fracturas, tanto que
muchos son sacrificados injustamente pudiendo hacer un tratamiento con órtesis
articuladas rehabilitando el animal accidentado. Evidentemente un caballo deportivo no
podrá volver a galopar, pero servirá como reproductor evitando la pérdida económica, y
dependiendo del caso podrá hasta servir como animal de paseo. Las condiciones en las
que se desarrolla la actividad pecuaria en nuestro medio, hacen que la mayoría de los
12
animales de producción e incluso mascotas realicen una intensa actividad locomotriz
por lugares de mucho riesgo.
Las mascotas caninas continúan siendo el mejor guardia del hogar, no obstante, pueden
sufrir una lesión traumática. Así podríamos describir numerosas situaciones en la que
nuestros animales realizando alguna actividad físico-motriz y están sujetos a riesgos de
severos traumas y fracturas accidentales sobre todo en sus extremidades motoras tan
útiles para ello.
El método de estudio que desarrollo el Dr. RODRIGUEZ R. R. fue realizado en 20
casos clínicos de pacientes de distintas especies, con diversos tipos de fracturas y
lesiones extrafracturarias de diferentes etiologías, tratadas en el hospital veterinario de
la carrera de medicina veterinaria y zootecnia de la UMSS durante el año de 2004. Y
consta en lo siguiente:
1º. Diagnosticar los traumatismos mediante anamnesis y estudios radiológicos.
2º. Plantear un tratamiento basándose en medicamentos antiinflamatorios, antibióticos,
y minerales según la necesidad. Realizar cirugías ortopédicas si viene al caso.
3º. Elegir el tipo de órtesis a ser utilizado
4º. Tomar las medidas necesarias para la construcción de la misma.
5º. Elegir el material para la construcción del aparato ortopédico, y confeccionarlo.
6º. Calcular los esfuerzos sobre cada aparato ortopédico (palancas y fuerza ejercida).
7º. Aplicar la órtesis y hacer el seguimiento del tratamiento.
8º. Evaluar el paciente pos- tratamiento ortopédico.
9º. Resultados y conclusiones.
Sobre la base de los pasos anteriores se realizaron los tratamientos adecuados para la
rehabilitación de los pacientes enfermos, utilizando las órtesis indicadas para cada caso
y su tiempo de restablecimiento.
2.2 Cálculos para órtesis / prótesis
La teoría para la construcción y el diseño de una órtesis según en el artículo escrito por
el MVZ Roberto Rodríguez Ricco, Biomecánica, (RODRIGUEZ R. R.2006), consiste
en la aplicación del principio de funcionamiento de las palancas de máquinas simples y
13
el uso de la trigonometría para el control de pesos y fuerzas ejercidas sobre la prótesis u
órtesis diseñada.
2.2.1 Palancas
En una palanca siempre hay un peso, una fuerza, un brazo del peso al punto de apoyo y
un brazo de la fuerza al punto de apoyo, lo que conlleva a la ya establecida ecuación
2.1:
Fr x Br = Fp x Bp Ec. 2.1
Dónde:
• Fp es la fuerza potente (también fuerza motriz o potencia)
• Fr es la fuerza resistente o fuerza de carga (la órtesis propiamente dicha)
• Bp es el brazo potente (distancia entre la potencia y el punto de apoyo)
• Br es el brazo resistente (distancia entre el apoyo y la resistencia)
• F es el punto de apoyo o fulcro o eje
Existen tres tipos de Palancas que son:
Palanca de 1º género figura 2.2. En este caso, el punto de apoyo se encuentra entre la
resistencia y la Potencia o fuerza que se ejerza.
Figura 2.2. Palanca de primer género o interfija. (RODRIGUES R. R. 2006).
Palanca de 2º género figura 2.3. Ahora tenemos la resistencia en el medio de los otros
protagonistas.
14
Figura 2.3. Palanca de primer género o interresistente. (RODRIGUES R. R. 2006).
Palanca de 3º género figura 2.4. En este caso es la potencia la que se encuentra en el
centro.
Figura 2.4. Palanca de tercer género o interpotente. (RODRIGUES R. R. 2006).
Donde el autor del artículo el MVZ especifica que esta última palanca interpotente es la
que se utiliza para calculas los esfuerzos que el animal aplica sobre una órtesis.
2.2.2 Trigonometría
Para establecer las razones trigonométricas, en cualquier triángulo rectángulo, es
necesario conocer sus elementos. Figura 2.5
15
Figura 2.5. Elementos del triángulo rectángulo.
Los ángulos con vértice en A y C son agudos, el ángulo con vértice en B es recto, este
triángulo se caracteriza por que los lados de los ángulos agudos (α y γ) son la
hipotenusa y un cateto, y los lados del ángulo recto (β) son los catetos.
Cada uno de los ángulos agudos del triángulo, uno de cuyos lados es la hipotenusa, se
relaciona con los catetos, que pueden ser cateto opuesto al ángulo o cateto adyacente
al ángulo.
Cateto adyacente es aquel que forma parte del ángulo al cual se hace referencia.
Cateto opuesto es el lado que no forma parte del ángulo que se toma como referencia y
se encuentra enfrente de este.
Para definir la razón trigonométrica de este triángulo con respecto a la figura 2.5 se dice
que el Seno es
Ec. 2.2
2.3. Biomecánica y curas de deformación
De acuerdo a lo establecido en el libro Equine Fracture Repair en la biomecánica de las
fracturas y las deformaciones de los huesos en el caballo se ven representadas con el
diagrama de esfuerzo-deformación, son de suma importancia tener en cuenta
características como esfuerzo, estructura, rigidez, fuerza, longitudes, entre otras.
16
Las cargas en una estructura o en un hueso, causan algún tipo de deformación o cambio
en la dimensión, ya sea en decremento o incremento de la longitud. Cuando una carga
es colocada en una dirección conocida de la estructura, la deformación de la estructura
puede ser medida por la ya conocida curva de deformación (Figura 2.6).
Figura 2.6. Curva de esfuerzo – deformación de una estructura visco-elástica como lo es un hueso.
(NIXON A. J. 1996)
Varios de los parámetros mecánicos pueden ser determinados en base a esta curva,
como son:
El punto final de falla es en el cual el hueso se fractura.
La rigidez de la estructura está ubicada en el inicio de la pendiente en la región
elástica inicial de la curva.
El área bajo la curva define la energía que el hueso almacena en medida que le
es suministrada.
2.4 Método del Elemento Finito
El método del elemento finito (MEF en español o FEM en inglés) es un método
numérico para la resolución de ecuaciones diferenciales, utilizado en diversos
problemas de ingeniería y física.
El método se basa en dividir el cuerpo, estructura o dominio, sobre el que están
definidas ciertas ecuaciones integrales que caracterizan el comportamiento físico del
problema, en una serie de subdominios no intersectantes entre sí denominados
elementos finitos. El conjunto de elementos finitos forma una partición del dominio
también llamada desratización.
17
Dentro de cada elemento se distinguen una serie de puntos representativos llamados
nodos.
El conjunto de nodos considerando sus relaciones de adyacencia se conoce como malla
y los cálculos se realizan sobre una malla creada a partir del dominio con programas
generadores de mallas.
El método del elemento finito se programa computacionalmente para calcular el campo
de desplazamientos y, a través de relaciones cinemáticas y constitutivas, las
deformaciones y tensiones respectivamente, cuando se trata de un problema de
mecánica de sólidos deformables o más generalmente un problema de mecánica.
El método de los elementos finitos es muy usado debido a su generalidad y a la
facilidad de introducir dominios de cálculo complejos en dos o tres dimensiones.
El análisis de elemento finito es una herramienta y técnica reconocida para el estudio de
la biomecánica ósea y el análisis del comportamiento de fracturas así como el
encaminamiento hacia una posible reparación de alguna fractura. Se ha encontrado que
este método de análisis por medio de elemento finito ha sido aplicado para analizar
algunas partes del caballo como lo es el casco figura 2.7, dentro del artículo
“Mechanical Behavior and Quantitative Morphology of the Equine Laminar Junction”
del PhD. JEFFREY J. T. (JEFFREY J. T., 2005) utilizando esta herramienta para
evaluar la función mecánica de los elementos que se encuentran dentro del casco, el
principal objetivo de este estudio se basó en el análisis del comportamiento mecánico de
las láminas epidérmicas primarias, ya que presentan deformaciones debido al esfuerzo
mecánico al que es sometido.
Figura 2.7. Análisis mecánico por medio del elemento finito al casco del caballo (JEFFREY J. T., 2005)
También en el artículo “Finite element analysis of stress in the equine proximal
phalanx” del LMS OˈHare (OˈHare, 2012) se realiza el análisis del estudio
18
biomecánico a la falange proximal, con el objetivo de analizar cuáles son los puntos de
mayor concentración de esfuerzo y donde ocurren con mayor frecuencia las fracturas en
caballos de carreras, se determina el comportamiento del hueso, visualizándolo en un
mapa de esfuerzo y deformación en diferentes cargas, es decir, desde la postura estática
hasta el galope. Figura 2.8
Figura 2. 8. Distribución de cargas de esfuerzo por medio de la herramienta de elemento finito
presentadas en un mapa de esfuerzo de Von Mises. (OˈHare, 2012)
19
2.5 Diagrama de cuerpo libre
Un diagrama de cuerpo libre es una representación gráfica utilizada a menudo por
físicos e ingenieros para analizar las fuerzas que actúan sobre un cuerpo libre. El
diagrama de cuerpo libre es un elemental caso particular de un diagrama de fuerzas. En
español, se utiliza muy a menudo la expresión diagrama de fuerzas como equivalente a
diagrama de cuerpo libre, aunque lo correcto sería hablar de diagrama de fuerzas sobre
un cuerpo libre o diagrama de fuerzas de sistema aislado. Estos diagramas son una
herramienta para descubrir las fuerzas desconocidas que aparecen en las ecuaciones del
movimiento del cuerpo, facilitando la identificación de las fuerzas y momentos que
deben tenerse en cuenta para la resolución del problema. También se emplean para el
análisis de las fuerzas internas que actúan en estructuras.
Los vectores estarán indicados por medio de flechas que indicarán dirección y sentido
de la fuerza que serán el peso, la tensión, el contacto y la fricción, tenemos:
1.- Peso: Característica, siempre ira indicada en dirección vertical del cuerpo analizado
y está representada por las letras W o P (Figura 2.9).
2.- Tensión: Estas fuerzas parten de identificar un nodo y están jalando al cuerpo. Está
representada por la letra T (Figura 2.10).
3.- Contacto o Normal: Fuerza de reacción, esta fuerza es perpendicular a la superficie
en donde se encuentra actuando o apoyando el cuerpo. Se caracteriza por formar un
ángulo de 90° y está representada por la letra R o N (Figura 2.9).
4.- Rozamiento o fricción: Se va a encontrar en contra de ña dirección en la que se esté
moviendo el cuerpo, se caracteriza por ser una fuerza paralela a la superficie y está
representada por la letra F (Figura 2.9),
20
Figura 2.9. a) cuerpo en reposo. b) diagrama de cuerpo libre de cuerpo en reposo e identificación de las
fuerzas P, N, F.
Figura 2.10 a) cuerpo en reposo. b) diagrama de cuerpo libre en reposo e identificación de fuerzas P y T
21
Capítulo 3 Biomecánica del
Caballo
22
Anatomía equina
3.1 Nomenclatura anatómica del caballo
Para lograr el desarrollo del diseño de prototipo de una prótesis de la extremidad
anterior para caballos cuarto de milla, es importante saber y entender como está
conformada la anatomía del caballo, para conocer las estructuras, órganos y sistemas
de los animales domésticos y para determinar si el estado es fisiológico o patológico.
De Acuerdo a lo establecido por los autores WILLIAM G. y DEACON M. en su libro
“Sin Pie No Hay Caballo” describe que la nomenclatura anatómica generalmente
abarca adjetivos de posición: palabras que describen la localización de las distintas
partes del cuerpo así como el número de huesos que conforman el esqueleto del caballo
(figura 3.1) es de 205.
Figura 3.1. Estructura ósea del caballo
3.2 Planos y direcciones
En las figuras 3.2 y 3.3 se puede localizar en los planos las partes de como el cuerpo del
caballo es dividido así como su terminología.
23
Figura 3.2. Figura donde se muestra las partes en las que el cuerpo del caballo es dividido. (GAIL W.,
DEACON M. 2008)
Figura 3.3. Planos y direcciones en los que se divide un cuadrúpedo fig. b y un humano fig. a. (MVZ.
LOZADA E.)
En el reporte “Órganos Locomotores” presentado por la MVZ. LOZADA E. Define
como Plano a la superficie real o imaginaria a lo largo de la cual se pueden unir dos
puntos por medio de una línea recta; y Dirección a la ubicación precisa de distintas
partes del cuerpo donde se emplean términos descriptivos. Ver figura 3.4
Figura 3.4. Planos y direcciones en los que es dividido un cuadrúpedo. (MVZ. LOZADA E.)
Los términos comunes que se utilizan para las direcciones y los planos son:
24
3.2.1 En direcciones
Distal: la parte más cercana al casco. El término distal no es un término anatómico, en
sí. Por ejemplo, el Sesamoide distal es otra denominación para el hueso navicular,
mientras que los sesamoides proximales se encuentran en la parte posterior de la
articulación del menudillo.
Palmar: la parte de la extremidad anterior (por debajo de la rodilla) hacia la parte
posterior del caballo.
Plantar: la parte de la extremidad posterior (por debajo del corvejón) hacia la parte
posterior del caballo, por ejemplo, en la extremidad anterior el tendón flexor digital
superficial, pero es palmar con respecto al metacarpo.
Craneal: dirigido o relativamente más próximo a la cabeza. En miembros se usa hasta
carpo y tarso. En cabeza se utiliza el término rostral (nariz).
Caudal: dirigido o relativamente más cercano a la cola. En miembros se usa hasta
carpo y tarso.
Ventral: dirigido o relativamente más próximo a la parte baja de la cabeza, cuello.
3.2.2 En planos
Plano mediano figura 3.5: divide longitudinalmente la cabeza, cuello o tronco en
mitades izquierda y derecha iguales. Puede emplearse también parea dividir un miembro
a lo largo de su eje.
25
Figura 3.5. Plano medio de un cuadrúpedo (IPV, 2005)
Plano Sagital figura 3.6: plano paralelo al plano mediano.
Figura 3.6. Plano sagital de un cuadrúpedo (IPV, 2005)
Plano transverso figura 3.7: plano que intercepta de manera perpendicular al eje
longitudinal de una parte del cuerpo.
Figura 3.7. Plano transverso de un cuadrúpedo (IPV, 2005)
Plano Dorsal figura 3.8: plano perpendicular al plano mediano y simultáneamente
perpendicular al plano transverso en algún lugar del cuerpo.
26
Figura 3.8. Plano dorsal de un cuadrúpedo (IPV, 2005)
3.3 Anatomía de extremidad anterior-inferior
Partiendo de estos planos y direcciones es importante delimitar la parte con mayor
incidencia de lesiones en un equino, específicamente la extremidad con la cual se va a
trabajar para el desarrollo del diseño de la prótesis será con los miembros anteriores a la
altura del metacarpo.
En las figuras 3.9 y la figura 3.10 se puede apreciar de diferentes vistas las
extremidades delanteras del caballo.
Figura 3.9. Caballo visto de frente. (GAIL W., DEACON M. 2008)
Figura 3.10. Figura donde se muestra al caballo visto de lado. (GAIL W., DEACON M. 2008)
27
Partiendo de esta selección se procede a conocer la anatomía que conforman estas
dichas extremidades para la realización del diseño de prototipo de una prótesis de la
extremidad anterior para caballos cuarto de milla misma que da solución a la
problemática. En la Figura 3.11 se muestra claramente la extremidad anterior de un
caballo y los huesos que la conforman.
Información proporcionada por especialistas del Hospital de Equinos de la Facultad de
Estudios Superiores Cuautitlán, sustentan que el área con mayor incidencia de accidente
se encuentra en la extremidad anterior en un caballo, a nivel del metacarpo, área con la
que se trabajara directamente para el diseño de la prótesis.
Figura 3.11. Extremidad anterior de caballo (esqueleto).
(SZUNYOGHY S. & FEHÉR G. 2006)
1.- Escápula
2.- Húmero
3.-Ulna
4.-Radio
5.-Carpos
6.- Cardiorradial
7.-Carpo intermedio
8.-Carpoulnar
9.- Carpo accesorios
10.- Carpo I y II
11.- Carpo III
12.- Carpo IV
13.-Metacarpo III
14.-Metaarpo IV
15.- Metacarpo II
16.- Falange proximal
17.- Falange intermedia
18.-falange distal
19.-sesamoides proximales
20.-sesamoide distal = Navicular
3.4 Biomecánica del caballo
La biomecánica se define como la ciencia y tecnología de los movimientos simples y
complejos que pueden ejecutar los animales para armonizar con sus restricciones
anatómicas (VON D. B., 1999). El diseño adaptivo de un organismo que se mueve
autónomamente permite la ejecución de ciertas secuencias esqueleto-musculares y
prohíbe ciertos movimientos “imposibles”. Los movimientos tienen una fuerte relación
28
con outputs cerebrales, sobre todo en el caso de manos que escriben signos y dibujos,
que ya escapan a los límites de la biomecánica propiamente dicha. Cualquier restricción
corporal está delimitada por las posibilidades biomecánicas.
De acuerdo a las estadísticas y a los conocimientos a base de experiencia adquiridos por
los MVZ del Hospital de Equinos de la Facultad de Estudios Superiores de la UNAM2
la parte con mayor incidencia de fracturas en la extremidad anterior del caballo, se
encuentra en el metacarpo, a nivel medio. Es por eso que se determina que en caso de
recurrir una amputación del miembro seria a nivel intermedio, retirando de manera
permanente metacarpo inferior, falanges y casco. Para esto es importante conocer la
biomecánica de las fracturas y los huesos.
3.4.1 Terminología de la biomecánica básica del hueso del caballo.
De acuerdo a lo cita en el libro Equine Fracture Repair las propiedades mecánicas más
importantes del hueso son la fuerza y la rigidez (NIXON A. J., 2011). Estas
características mecánicas pueden ser analizadas de una mejor manera examinando el
comportamiento de la estructura cuando a la extremidad se le es aplicada alguna fuerza
llamada carga.
Las cargas en una estructura o en un hueso, causan algún tipo de deformación o cambio
en la dimensión, ya sea en decremento o incremento de la longitud. Cuando una carga
es colocada en una dirección conocida de la estructura, la deformación de la estructura
puede ser medida por la ya conocida curva de deformación (figura 2.6).
3.4.2 Biomecánica de las fracturas
El MVZ Roberto Rodríguez Ricco (RODRIGUEZ R. R., 2006) denomina que debido a
su composición (hidroxiapatita, colágeno y elementos celulares) los huesos antes de
romperse experimentan una deformación elástica (reversible) y plástica (irreversible).
La resistencia, rigidez y absorción de energía del hueso dependen de sus propiedades
materiales (composición, morfología, porosidad), aspectos estructurales (geometría,
largo, curvatura) y factores mecánicos (velocidad y orientación de las cargas).
2Datos proporcionados por el MVZ J. Jesús Valdez Miranda del Hospital de Equinos de la UNAM
29
Para la reparación adecuada de las fracturas, es fundamental conocer los tipos de fuerzas
que operan sobre los huesos:
Tracción: actúa sobre el eje largo M hueso intentando alargarlo e interviene en las
fracturas transversas o por avulsión.
Compresión: también actúa en el eje largo del hueso intentando acortarlo, interviene en
las fracturas por impacción o con hundimiento.
Flexión: actúa sobre un punto focal específico sobre el hueso, generando fracturas
transversas u oblicuas cortas.
Corte: las fuerzas deslizantes son transmitidas en paralelo al eje largo del hueso. Causa
fracturas de prominencias óseas a lo largo de la línea de la fuerza o en las
configuraciones fracturarías oblicuas.
Torsión: actúa sobre el eje largo hueso e interviene en las fracturas espiraladas. Las
fracturas conminutas a menudo se deben a fuerzas múltiples que operan sobre el hueso
junto a cargas rápidas.
Comportamiento biomecánico de un hueso. El comportamiento biomecánico del
hueso con respecto a la fuerza a la que es sometido depende de varios factores,
incluyendo las propiedades del tejido óseo, la geometría del hueso, el modo de
aplicación de la carga (torsión, tensión) y la frecuencia de la carga.
Durante las actividades diarias, las fuerzas y momentos son aplicadas en el hueso en
varias direcciones, produciendo tensión, compresión, flexión, corte, torsión y cargas
combinadas, tales como se muestran en la figura 3.12.
30
Figura 3.12. Diferentes modos de carga que pueden ocurrir en el metacarpo de un equino (adapted with
permisión from Nordin M. Frankel VH: Biomechanics of bone. In Nordin M Frankel VH, eds: basic
Biomechanics of the musculoskeletal system. Philadelphia: Lea & Febiger; 1989, 3 – 29).
(NIXON A. J., 2011)
3.4.2.1 Descripción de una fractura
La descripción de cada fractura con términos precisos es importante para un manejo
correcto. Por ejemplo, una fractura sea como oblicua corta implica que la lesión debe
ser protegida contra las fuerzas cortantes y compresivas. La descripción debe incluir el
hueso fracturado, localización sobre el mismo, configuración lesional, desplazamiento y
presencia o ausencia de contaminación (abierta vs. cerrada). Los desplazamientos
siempre se describen desde la dirección M fragmento distal en relación con el proximal.
La típica fractura morfológica que ocurre en n hueso largo, corresponde al tipo de carga
externa aplicada en el hueso, donde, el patrón de la fractura puede variar dependiendo
de la magnitud de la carga que se le es aplicada, como se puede apreciar en la figura
3.13 se presentan 5 tipos de fracturas, cada una diferente esto se debe a que el
comportamiento es distinto dependiendo de la fuerza que se le está aplicando a cada
una.
31
Figura 3.13. Típicas fracturas en un hueso largo de un caballo. (NIXON A. J., 2011)
En el inciso A se puede apreciar un hueso al que se le está ejerciendo un fuerza de
compresión y flexión, la falla inicial de este hueso se presenta en tensión (como se
muestra en las flechas pequeñas) y la fractura se desarrolla hacia la superficie del hueso
en compresión, creando una gran fractura en forma de Y o mariposa.
En B, a este hueso se le está ejerciendo únicamente una fuerza de flexión, una vez más
el hueso inicialmente falla en tensión (como se muestra en las flechas pequeñas) y la
fractura se desarrolla hacia la superficie del hueso en compresión, pero en esta ocasión
se crea una fractura más pequeña que en el inciso A de forma en Y o mariposa.
C. Torsión, en este caso el hueso falla con un patrón en espiral, presentando un corte de
manera diagonal donde la tensión es la principal fuerza que hace que el hueso falle
(como se muestra en las flechas pequeñas).
D. Compresión, el hueso falla de forma oblicua, debido a la combinación de fuerzas
ejercidas que son corte y compresión.
E. Tensión, el hueso sufre la fractura de manera transversal.
3.4.3Puntos articulares
Para comenzar se inicia especificando cuales son los puntos de articulación en la
extremidad anterior de un caballo, de acuerdo a lo establecido en la tesis del Dr.
MORALES A. L. menciona que para la identificación de los puntos de interés fue
gracias a la ayuda de un médico veterinario especialista en equinos aprovechando
conocimiento y experiencia del profesional (tabla 3.1).
32
Tabla 3.1. Articulaciones en miembros anteriores en un caballo.
No Articulación
15 Radio Carpiana
16 Carpo metacarpiana
17 Metacarpo falángica
18 Interfalángica proximal
19 Interfalángica distal
En la figura 3.14 se muestran donde se encuentran ubicadas dichas articulaciones
mencionadas anteriormente.
3.5 La marcha del caballo
En las partes y secuencias de las marchas del caballo, siguiendo parte de la biomecánica
(REVENTOS A. F, May, 2017), se tiene, que la marcha tiene diferentes partes y son:
Aires de la marcha: que es el conjunto de movimientos de las extremidades del
caballo, realizados con ritmo y libertad natural. Son el paso, trote, galope y
galope largo.
Tiempos según aire: cuatro, tres o dos
Fases de la zancada. Apoyo y vuelo (semejante a las fases de apoyo y oscilación
en las personas)
Transición: es el acto de pasar de un aire a otro, siendo inferior cuando se
cambia a un aire más lento y superior cuando se cambia a un aire más rápido.
Entonces son cuatro las principales marchas o aires del caballo:
1. El PASO figura 3.15, es una marcha de cuatro tiempos, oyéndose con claridad la
secuencia regular de las pisadas: un, dos, tres, cuatro…. La secuencia sería: pie
izquierdo-mano izquierda-pie derecho-mano derecha. En esta marcha el caballo
tiene como mínimo dos cascos en contacto con el suelo.
Figura 3.14. Identificación de cada uno de los marcadores de las articulaciones
(Dr. MORALES A. L., 2013 de la tabla 2
33
Figura 3.15. Tipo de marcha: Paso. (MVZ Ted S. Starshak, 2002).
2. El TROTE figura 3.16, es una marcha a dos tiempos, en el que mueve las
extremidades por bípedos diagonales, con un momento de suspensión entre
ellos: un-dos, un-dos. La secuencia de la pisada es: pie izquierdo y mano
derecha juntos (forman la diagonal izquierda)- pie derecho y mano izquierda
juntos (forman la diagonal derecha). Por ejemplo: diagonal izquierda-
suspensión-diagonal derecha.
Figura 3.16. Tipo de marcha: Trote. (MVZ Ted S. Starshak, 2002).
3. El GALOPE NORMAL es una marcha de tres tiempos seguido de una fase de
suspensión: un-dos-tres, pausa- un-dos-tres. En el galope hay un momento en el
que no hay ningún casco en el suelo. Una de las manos suele adelantar más que
la otra, es decir si se está en un picadero, siguiendo un galope en firme la mano
del interior debería guiar el movimiento y adelantarse más que la exterior. Se
dice que el caballo galopa sobre el pie derecho o izquierda según cuál sea el
miembro apoya en segundo lugar:
Galope a mano derecha, figura 3.17: pie izquierdo, diagonal derecha (pie
derecho y mano izquierda) y mano derecha, seguida de suspensión.
34
Figura 3.17. Tipo de marcha: Galope Normal: mano derecha. (MVZ Ted S. Starshak, 2002).
Galope a mano izquierda, figura 3.18: pie derecho, diagonal izquierda
(pie izquierdo y mano derecha), mano izquierda y suspensión.
Para mantener una buena postura al galope hay que seguir el movimiento
del caballo con la pelvis y los riñones.
Figura 3.18. Tipo de marcha: Galope Normal: mano izquierda. (MVZ Ted S. Starshak, 2002).
4. El GALOPE LARGO, figura 3.19: es una marcha de cuatro tiempos, como una
versión alargada del galope normal, el más rápido de todos. En este aire el
caballo se estira abarcando el máximo de terreno y no todos los caballos tienen
esa capacidad de marcha.
La secuencia es a mano derecha pie izquierdo-pie derecho, a mano izquierda
mano derecha-suspensión. A mano izquierda sería a la inversa.
Como se puede ver la secuencia es igual que el galope normal, pero más rápido
y abarcando más terreno al mismo tiempo.
35
Figura 3.19. Tipo de marcha: Galope largo. (MVZ Ted S. Starshak, 2002).
3.5.1 Ciclos o etapas de la marcha del paso del caballo
Así como también es importante conocer las etapas del ciclo de marcha que tiene el
caballo, las cuales constan en aterrizaje, carga, apoyo, inicio de despegue, despegue y
balance, tal como se muestra en la figura 4.20, así como la identificación del inicio y fin
del ciclo de la marcha Figura 4.21.
Figura 3.20. Etapas de la marcha del caballo, ilustración de mano derecha de caballo (Dr. MORALES A.
L., 2013)
Figura 3.21. Identificación de un ciclo de marcha, inicio y fin con mano derecha. (Dr. MORALES A. L.,
2013)
36
3.5.2 Biomecánica de movimientos en extremidades anteriores
Según su grado y direcciones de movimiento se distinguen los tipos de articulaciones
sinoviales, la mayoría de las articulaciones son de tipo bisagra y solamente tienen dos
direcciones como una puerta, abrir y cerrar.
Todas las articulaciones que forman las extremidades de los caballos desde el codo o
babilla hasta la articulación de la corona son de tipo bisagra ver figura 3.22 (LENK S.).
Figura 3.22. Codo en flexión, rodilla (carpo), menudillo, cuartillo y corona en máxima extensión. (LENK
S.)
Pero es importante delimitar que las extremidades anteriores desde el codo a la corona
únicamente tienen extensión y flexión, más sin embargo en las extremidades posteriores
es posible encontrar abducción.
3.6 Longitudes y ángulos VS el eje horizontal
De acuerdo a lo planteado por la Dra. TORRES P.Y., 2011 en su artículo “Cinemática
articular 2d de un caballo durante marcha normal” realizó un estudio donde se usó una
yegua de prácticas de la Facultad de Veterinaria y Zootecnia de la Universidad Nacional
Autónoma de México. Los datos físicos generales de este animal fueron: masa: 400kg;
altura a la cruz: 1.53m, edad: 26 años.
Se colocaron marcadores pasivos de dos tipos; el primero es una media esfera de
poliestireno expandido de 25.4 mm de diámetro en cruz (hasta la porción más alta de la
cruz) y grupa (hasta la porción más alta de la grupa); y etiquetas blancas de 25 mm de
diámetro en los centros articulares óseos ubicados superficialmente en articulación
37
temporomandibular, hombro, codo, carpo, metacarpo-falángica, corona torácica, en
isquion, rodilla, tarso, metatarso-falángica y corona pelviana. Luego se procedió a
colocar a la yegua en posición de aplomo normal y se le tomó una fotografía vista desde
el lado lateral izquierdo.
Aprovechando la posición de aplomo del animal, se realizan las medidas hipométricas
(longitudes de segmentos corporales) directas sobre la yegua. Para esta labor, se contó
con la ayuda de una médica veterinaria experta en caballos, quien empleó una cinta
métrica para tomar las medidas ver figura 3.23.
Figura 3.23. Diagrama de segmentos corporales para tomar las medidas longitudinales. (Dra. TORRES
P. Y., 2011)
Las mediciones hipométricas se obtuvieron través del software 𝐴𝑢𝑡𝑜𝐶𝑎𝑑® 2009; se
importó la foto tomada con la yegua en posición de aplomo y sobre esta se midieron las
longitudes de los segmentos de interés para el estudio (Ver Tabla 3.2).
Tabla 3. 2 Mediciones de longitudes de segmentos del estudio (Dra. TORRES P. Y., 2011).
Segmento (m)
L0. Cráneo 0.7014
L1. Cuello 1.2664
L2. Escápula 0.7396
L3. Húmero 0.4083
L4. Radio 0.6896
L5. Metacarpo 0.4087
L6. Cuartilla y casco interior 0.3147
L9. Tronco 1.3284
L10. Ilion 0.6064
L11. Fémur 0.4823
L12. Tibia 0.6663
L13. Metatarso 0.4435
L14. Cuartilla y casco posterior 0.3203
38
De igual forma, los ángulos de los segmentos vs el eje horizontal (0°), fueron medidos
de forma indirecta mediante la técnica de fotogrametría, empleando la fotografía tomada
a la yegua en posición de aplomo. Mediante el software 𝐴𝑢𝑡𝑜𝐶𝑎𝑑® y se realizaron las
siguientes mediciones: θ0 (ángulo de la cabeza), θ1 (ángulo del cuello), θ2 (ángulo de la
escápula), θ3 (ángulo del hombro), θ4 (ángulo del codo), θ5 (ángulo del carpo), θ6
(ángulo del metacarpo), θ7 (ángulo de cuartilla y casco torácico), θ9 (ángulo de la
columna), θ10 (ángulo del ilión), θ11 (ángulo de fémur), θ12 (ángulo de tibia), θ13
(ángulo del metatarso), θ14 (ángulo de cuartilla y casco pelviano). Ver tabla 3.3 y
Figura 3.24 donde se localizan cada uno de los ángulos mencionados.
Tabla 3.3. Ángulos en posición estática de segmentos Vs eje horizontal (Dra. TORRES P. Y., 2011).
Segmento Ángulo (°)
L0. Cráneo 59
L1. Cuello 6
L2. Escápula 232
L3. Húmero 314
L4. Radio 236
L5. Metacarpo 247
L6. Cuartilla y casco interior 221
L9. Tronco 1
L10. Ilion 318
L11. Fémur 236
L12. Tibia 286
L13. Metatarso 257
L14. Cuartilla y casco posterior 220
Figura 3.24. Medición y localización de los ángulos articulares (Dra. TORRES P. Y., 2011).
3.6.1 Angulaciones en puntos articulares
El Dr. MORALES A. L. (MORALES A. L.,2013) describe que algunos autores
proponen observar el comportamiento de caballo durante la marcha como un conjunto
de eslabones, y fijan su atención en el rango de amplitud del ángulo formado por
39
eslabones imaginarios, los cuales se crean con los vértices ubicados en las articulares o
puntos anatómicos.
En la presente investigación se visualizó el comportamiento de siete ángulos Figura
3.25 y tabla 3.4, los cuales fueron creados con los siguientes puntos de referencia.
Figura 3.25. Identificación de ángulos observados durante la locomoción (Dr. MORALES A. L., 2013)
Tabla 3. 4 Identificación de ángulos básicos (Dr. MORALES A. L., 2013)
Identificación de ángulos formados por puntos articulares
Ángulos Vértice inicial Vértice de
referencia
Vértice final
α Diáfisis de escapula Cruz Diáfisis de escapula
β Tuberosidad coxal Grupa Coxofemoral
γ Interfalángica
proximal
Metacarpo
falángica
Tarso metatarsiano
δ Tuberosidad coxal Coxofemoral Femoropatelar y
femorotibial
θ Cruz Grupa Tuberosidad coxal
ε Humero radial Escapula humeral Diáfisis de escapula
ɸ Metatarso falángica Radio carpiana Humero radial
Para el desarrollo de este trabajo se seleccionaron las articulaciones de la extremidad
anterior debido a que son las de interés mencionadas en la Tabla 3.1 y figura 3.14 del
punto 3.4.3 correspondiendo a las del ángulo PHI, figura 3.26 (vértice de referencia:
Radio carpiana).
40
Figura 3.26. Angulo PHI; ángulo formado en articulación carpiana. (Dr. MORALES A. L., 2013)
Y es en la figura 3.27 donde se puede apreciar en el artículo del Dr. Morales en donde
localiza los ángulos máximos y mínimos en cada punto de la marcha, ver tabla 3.5.
Figura 3.27. Ángulos formados en la extremidad caudal en diferentes puntos de la marcha. (Dr.
MORALES A. L., 2013)
Como se mencionaba en la figura 3.20, las etapas de la marcha del caballo, para la
articulación es importante conocer la angulación que tiene durante el ciclo de la marcha
tanto ángulos máximos y mínimos como se muestran en la tabla 3.5
Tabla 3.5. Ángulos máximos y mínimos en el ciclo de la marcha.
Etapa de la
marcha
Media Suavizada Valores medidos Porcentaje de
ciclo de marcha
(%)
MAX ° MIN ° MAX ° MIN °
Aterrizaje 189° 187° 192° 188° 0-4
Carga 187° 181° 187° 182° 4-11
Apoyo 184° 181° 185° 180° 11-53
Inicio de despegue 187° 183° 183° 180° 53-60
Despegue 205° 187° 205° 183° 60-67
Balance 235° 199° 240° 193° 67-100
41
3.7 Descomposición de fuerzas
Figura 3.28. Distribución de cargas en extremidades
De acuerdo a lo establecido en el artículo Biomecánica del MVZ Rodrigues Ricco
Roberto (RODRIGUEZ R. R., 2006) así como en el libro Atlas de la anatomía
veterinaria: El caballo del autor ASHDOWN R. R. (ASHDOWN R. R., 2012) se
especifica que la descomposición de fuerzas teóricamente en un cuadrúpedo
corresponde al 60% del peso corporal en la parte anterior debido al peso de la cabeza y
el 40% correspondiente a la parte posterior Figura 3.28.
Para ejemplificar esta distribución de cargas, si tenemos a un caballo que pese 550 Kg
sus extremidades anteriores cargarán 330 kg y las extremidades posteriores 220 Kg,
cada miembro anterior cargaría 165 Kg y las posteriores 110 Kg Figura 3.29.
Figura 3.29. Distribución de cargas en cada una de las extremidades anteriores y posteriores del caballo.
Es importante hacer mención que dentro del artículo Biomecánica del Dr. Rodríguez R.
R. menciona que para la construcción de una órtesis se realiza en función del peso del
miembro, considerando siempre los ángulos que se forman con la flexión del miembro.
42
3.7.1 Cálculo de los esfuerzos ejercidos
Como se mencionó en el capítulo 3 en el apartado 3.2 cálculos para las órtesis el MVZ
Roberto Rodríguez Ricco (Rodríguez R. R., 2006) menciona que es necesaria la
aplicación del principio de funcionamiento de las palancas y la trigonometría para el
diseño y la construcción de una órtesis o prótesis.
Para un ortopedista es importante conocer las palancas que tiene un organismo animal,
porque en función de éstas se construyen los aparatos ortopédicos. Le sirven también
para reconocer los movimientos y las fuerzas que ejerce al caminar. En este caso será
útil a la hora de calcular la fuerza que un animal ejerce para poder caminar con un
aparato ortopédico de manera armoniosa.
El mismo doctor Rodríguez Ricco especifica que la palanca que se utiliza para el
cálculo de los esfuerzos que el animal aplica sobre una órtesis al caminar, es la palanca
de tercer género o la palanca interpotente que se muestra en la figura 2.4 del capítulo 2.
Para ubicar esta teoría dentro de la biomecánica de un caballo se visualiza en la
siguiente figura 3.30 donde se ubican los elementos de una palanca. Y donde se
localizan dentro de la anatomía del equino ver figura 3.31
Figura 3.30. Elementos de una palanca (RODRIGUES R. R. 2006).
43
Figura 3.31. Localización de elementos de la palanca en un caballo
Para ubicar la teoría de la trigonometría dentro de la anatomía del caballo se puede
visualizar en la figura 3.32.
Figura 3.32. Identificación de partes trigonométricas en la extremidad de un caballo.
Esta teoría aporta la determinación del peso mínimo que debe soportar una prótesis de
acuerdo al peso ejercido por el caballo.
Un ejemplo del cálculo mínimo que debe soportar una prótesis de un cuadrúpedo por el
MZ Roberto Rodríguez Ricco (RODRIGUEZ R. R.2006) es:
Datos:
• Hipotenusa: peso ejercido sobre el aparato ortopédico en kgf.
• Seno del ángulo A = seno de 40° = 0,6428
• Cateto opuesto: peso del miembro = 6 kg.
Aplicando la siguiente fórmula de trigonometría:
Seno 40° = Cateto opuesto/Hipotenusa
0,6428 = 6 Kg/ H
H = 9,3 Kgf
44
Conclusión: el peso ejercido sobre la órtesis sería de 9,3 Kgf, que es el peso mínimo
que debe soportar el aparato.
3.8 Diagrama de cuerpo libre de la extremidad anterior del caballo.
Para iniciar con este análisis de los resultados obtenidos por el software
𝑨𝒏𝒔𝒚𝒔 𝒔𝒕𝒖𝒅𝒆𝒏𝒕 𝟏𝟖. 𝟐®es necesario definir el diagrama de cuerpo libre en las
articulaciones que tiene un equino en sus extremidades anteriores. Figura 3.34
El objetivo principal es analizar y conocer las fuerzas que están interviniendo en la
extremidad anterior. Figura 3.35 y 3.36
Figura 3.33. Huesos principales que conforman la extremidad anterior
Donde el hueso 13 es el Metacarpo III, el hueso 16 es la Falange proximal, el hueso 17
es la falange intermedia y el hueso 20 es el sesamoide distal. Figura 3.33
Figura 3.34. Fuerzas que intervienen en la extremidad anterior
45
Figura 3.35. Localización de fuerzas en el plano cartesiano
Figura 3.36 Diagrama de cuerpo libre de las fuerzas que están interviniendo en la extremidad anterior del
caballo.
46
Capítulo 4 Propuesta de Diseño
47
4.1 Raza
Dentro de la selección para el diseño y propuesta de una prótesis para un caballo, la raza
mayormente adecuada para este diseño son los caballos de raza cuarto de milla, debido
a que en México son los más comúnmente utilizados en eventos ecuestres y eventos
culturales.
4.1.1 Peso promedio
Dentro del artículo de la guía de trabajo de la Facultad De Agronomía Y Veterinaria
Departamento Producción Animal Área De Producción Equina UNRC (TISSERA J.,
2009) y por los MVZ del Hospital de Equinos de la Facultad de Estudios Superiores de
la UNAM3 estipulan que el peso de un caballo cuarto de milla oscila entre 500 y 600 Kg
para animales en buen estado de trabajo.
4.2 Fuerzas en la marcha del caballo
Dentro del artículo “Finite element analysis of stress in the equine proximal phalanx” se
estipula que la fuerza total que se ejerce en las extremidades del caballo están en
proporción según en el aire de la marcha en la que se encuentre; es decir si se encuentra
en posición estática la carga se encuentra repartida en las cuatro extremidades según lo
estipulado en el capítulo 3 en la sección 3.7, figura 3.28 y 3.29, pero si inicia la marcha
caminando la fuerza de carga se estaría incrementado el doble, y al trote la fuerza se
estaría incrementando el tripe, para plantearlo de una manera más ejemplificada se
expone el siguiente caso. Tabla 4.1
Tabla 4.1. Ejemplo de fuerzas en dos aires del caballo
Si se tiene un caballo que presenta un peso de 550 Kg. Las fuerzas en cada
extremidades delanteras serían las siguientes:
Paso Carga (Kg) Incremento en relación
al peso estático
Carga (Kg)
Estático 165 - -
Paso - Dos veces el peso
estático
330
trote - Tres veces el peso
estático(Carga critica)
495
3Información adquirida a base de experiencia y proporcionada por el MVZ J. Jesús Valdez Miranda del
Hospital de Equinos de la UNAM
48
4.3 Carga mínima en la prótesis en posición estática
Apegando a lo establecido por el MVZ Roberto Rodrigues Ricco en su artículo
biomecánica, de acuerdo a la biomecánica del cuadrúpedo, se puede determinar el peso
mínimo ejercido por el cuadrúpedo en posición estática por medio de la función
trigonométrica, ecuación 4.1. Figura 3.32 (RODRIGUES R. R.2006).
sin 40° =𝐶𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑂𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜
𝐻𝑖𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑢𝑠𝑎 Ec. 4.1
Una vez estableciendo esta función y recabando los datos del caballo según lo
estipulado en el capítulo 3, sección 3.7.1, tenemos que:
Datos:
• Hipotenusa: peso ejercido sobre el aparato ortopédico en Kgf.
• Seno del ángulo A = seno de 40° = 0,6428
• Cateto opuesto: peso del miembro = 165 kg.
Aplicando la siguiente fórmula de trigonometría:
Seno 40° = Cateto opuesto/Hipotenusa
0,6428 = 165 Kg/ H
H = 256.68 Kgf
Conclusión: el peso ejercido sobre la prótesis sería de 256.68 Kgf, que es el peso
mínimo que debe soportar el aparato.
4.4 Diseño propuesto de la prótesis
Para el primer diseño propuesto de la prótesis, la parte médica exige primeramente que
la prótesis que utilice por primera vez el paciente deba ser rígida, hasta que esté la
acepte y se adapte, para después poder implementarle una prótesis articulada.
Dentro del primer diseño se encuentra el mostrado en la figura 4.1, el cual ha sido
diseñado en el programa 𝐴𝑢𝑡𝑜𝐶𝑎𝑑® y consta de tres elementos que lo componen; el
primero es el Socket figura 4.2, segundo caja cola de milano 4.3 y tercero cilindro
metacarpiano 4.4.
49
Figura 4.1. Diseño de prótesis rígida realizada en 𝑨𝒖𝒕𝒐𝑪𝒂𝒅®.
Figura 4.2. Geometría interna del socket
Figura 4.3. Caja cola de milano- interfaz entre el cilindro metacarpiano y socket
Figura 4.4. Cilindro metacarpiano
50
4.4.1 Obtención de la geometría interna del socket
Para poder determinar la geometría correcta que deberá de tener el socket se utilizaron
técnicas desde artesanales hasta técnicas altamente innovadoras, a continuación se
describen los pasos que se siguieron para obtener la geometría del socket:
1.- Se eligió un caballo cuarto de milla en completo desarrollo para poder determinar
por medio de manera artesanal la geometría como se muestra en la figura 4.5.
2.- Una vez obtenido el molde, se llenó de yeso, para poder obtener el negativo de la
geometría interna del molde obtenido en el paso 1, figura 4.6 y figura 4.7.
3.- Se detalla la pieza obtenida con lija para retirar exceso de material, Figura 4.8.
4.- La pieza obtenida se define como “muñón”, mismo que se envía a la empresa 3D
System para que por medio de la herramienta Handheld Scanner (Figura 4.9), sea
escaneada y el formato en puntos, para poder reconstruirlo en CAD.
5.- Una vez obtenido el formato se reconstruye con el software 𝐴𝑢𝑡𝑜𝐶𝑎𝑑®.
6.-Se obtiene la geometría en líneas en el programa 𝐴𝑢𝑡𝑜𝐶𝑎𝑑® (Figura 4.10).
7.- Con el programa 𝑨𝒏𝒔𝒚𝒔 𝒔𝒕𝒖𝒅𝒆𝒏𝒕 𝟏𝟖. 𝟐® se le construyen las áreas Figura 4.11,
para así poder determinar una geometría que es lo más apegada a la realidad y con ello
realizar la simulación mecánica, Figura 4.9.
Figura 4.5. Primer paso.
51
Figura 4.6 Molde obtenido en el paso 1.
Figura 4.7. Pieza de yeso obtenida “muñón”.
Figura 4.8 Retirando exceso de material y detallando de manera manual el “muñón”.
Figura 4.9 Herramienta de escaneo Handheld de 3D System.
52
Figura 4.10. Geometría en líneas reconstruida en 𝐀𝐮𝐭𝐨𝐂𝐚𝐝®.
Figura 4.11. Construcción de áreas en el programa 𝐀𝐧𝐬𝐲𝐬®.
4.5 Escenarios de análisis
Para poder desarrollar el análisis numérico es importante determinar las posiciones en
las que se realiza dicho análisis, dichas posiciones se muestran en las figuras 4.12, 4.13
y 4.14 respectivamente.
Figura 4.12. Inicio del ciclo de marcha, generando dos cargas puntuales en el interior del socket.
53
Figura 4.13. Posicion estatica, enerando presion dentro del interior del socket.
Figura 4.14. Fin del ciclo de marcha, generando dos cargas puntuales en el interior del socket.
4.6 Selección del material para la prótesis
Se tiene documentado que en la antigüedad las prótesis eran manufacturadas con
materiales económicos, y de fácil acceso, como la madera que al paso del uso
fracasaban y se convertían inservibles o también podían ser fabricadas con materiales
muy pesados que prolongaban su vida útil pero dificultaban al usuario su uso. En la
actualidad también eso podría ser posible; mas sin embargo las necesidades y la
tecnología han evolucionado.
Las características y las propiedades de la Fibra de Carbono ha evolucionado a pasos
agigantados, tanto sus propiedades mecánicas, estabilidad dimensional, la
amortiguación a las vibraciones, resistencia a la fatiga o a la resistencia térmica, entre
otras, son mucho los beneficios que se le pueden ofrecer a un producto fabricado con
este material y en el caso de una prótesis para animales no es la excepción, que como
principal objetivo tiene dar solución a una problemática en los equinos y así mismo
evolucionar junto con los nuevos materiales que existen en el mercado.
De acuerdo a la evidencia de las prótesis que ya se han fabricado para caballos en donde
describen claramente que los materiales que han utilizado tales como la fibra de vidrio,
54
cuero, plásticos, entre otros, se han visto en la necesidad de tener que realizar
frecuentemente mantenimientos correctivos a las mismas, debido a que con el uso del
paciente, es común que sea más susceptible a presentar fallas.
Por medio de la metodología propuesta en el inicio de este trabajo y en base a los
adecuados filtros de selección se determinó que los más adecuados son la fibra de vidrio
y el aluminio, seleccionando para este proyecto los materiales comerciales presentados
en la tabla 4.2.
Tabla 4.2. Propiedades de los materiales comerciales seleccionados
MATERIAL_01:
MBrace
Espesor= 1.4mm
E=160 GPa = 160 000 N/mm2
POISSON=0.25
Resistencia a la tensión ultima=2690
MPa = 2 690 N/mm2
MATERIAL_02:
HT-SIKA WRAP 600C
Espesor= 1mm
E=73100 N/mm2
POISSON=0.25
Resistencia a la tensión
ultima=960N/mm2
ALUMINIO 6061
E= 69 000 N/mm2
POISSON=0.33
CEDENCIA=276 N/mm2
4.7 Calculo del área, presión y fuerzas, cargas en KP
El área tiene un valor de 75,528.8 mm2 y es determinado mediante el software
𝑨𝒏𝒔𝒚𝒔 𝒔𝒕𝒖𝒅𝒆𝒏𝒕 𝟏𝟖. 𝟐®, basado en el diseño del socket previamente obtenido.
La carga crítica que soporta el caballo en su extremidad anterior que es de 495 Kgf
(4,851 N), en base a la carga critica de acuerdo a la tabla 4.1, se puede determinar la
presión.
𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 = 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑜
𝑎𝑟𝑒𝑎 Ec. 4.2
𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 = 4,851 𝑁
75,528.8 𝑚𝑚2= 0.064 𝑁
𝑚𝑚2⁄
Para determinar la fuerza que se está ejerciendo dentro del interior del socket cuando el
paciente se encuentra en posición dinámica de acuerdo a lo establecido por Mark R.
55
Pitkin en el artículo “Métodos para evaluaciones geométricas y biomecánicas de
miembros residuales” (figura 4.15).
Figura 4.15. Cargas críticas en KP específicos dentro del socket
Donde lo establecido en el artículo del Dr., Pitkin utiliza las fórmulas de momento
ecuación 4.3 y 4.4
𝑀𝐵 = 𝐿 ∗ 𝐹 Ec. 4.3
𝑀𝐺 = 𝑚𝑔 ∗ 𝑟 Ec. 4.4
Datos:
r, radio de cilindro de aluminio 6061 ced. 80: 12.70 mm
L: 300 mm
Carga máxima dinámica: 4856 N (495 Kg)
𝑀𝐺 = 4856 𝑁 ∗ 12.70 𝑚𝑚 = 61,671.2 𝑁/𝑚𝑚
Se igualan los momentos
𝑀𝐺 = 𝑀𝐵
Por lo tanto 𝑀𝐵 = 61,671.2 𝑁/𝑚𝑚2
61,671.2𝑁
𝑚𝑚= 300 𝑚𝑚 ∗ 𝐹
𝐹 = 61,671.2 𝑁/𝑚𝑚
300 𝑚𝑚
𝐹 = 205.571 𝑁
4.8 Determinación de espesor
Establecido lo anterior y considerando que el socket se comporta como un recipiente a
presión interna, el diseño se apega a lo establecido por la teoría de Diseño de
56
Recipientes a Presión (DRP) bajo el código ASME secc. VIII, Div.2, para poder
determinar los espesores aptos para el diseño propuesto de la prótesis, al igual con este
cálculo se verifica que los espesores ya establecidos por los materiales comerciales
Mbrace y WRAP 600 C (tabla 4.2) cumplen con lo requerido para el diseño.
Cálculos:
Mbrace
E=160 GPa = 160 000 N/mm2
POISSON=0.25
Resistencia a la tensión ultima=2690 MPa = 2 690 N/mm2
Presión= 0.064 N/mm2
Área= 75,528.8
Radio min= 29.6 mm
Formula de DRP para determinar espesores, ecuación 4.5
𝑡 =𝑃∗𝑅
𝑆𝐸−0.6𝑃 Ec. 4.5
El factor de seguridad establecido por el código ASME secc. VIII, Div.2 es de 1.5,
donde S= 2
3𝑆𝑐.
𝑆 = 2
3(2 690 𝑁
𝑚𝑚2⁄ ) = 1,793.33 𝑁𝑚𝑚2⁄
𝑡𝑚𝑖𝑛 =0.064 ∗ 29.6
1,793.33 − 0.6(0.064)= 1.05𝑥10−3 𝑚𝑚
Lo cual se concluye que el espesor comercial del material MBrace de 1.4 mm, es
superior al obtenido por el cálculo y por lo tanto cumple.
WRAP 600C
E=73100 N/mm2
POISSON=0.25
Resistencia a la tensión ultima=960N/mm2
Presión= 0.064 N/mm2
Área= 75,528.8
57
Radio min= 29.6 mm
𝑆 = 2
3(960 𝑁
𝑚𝑚2⁄ ) = 640 𝑁𝑚𝑚2⁄
𝑡𝑚𝑖𝑛 =0.064 ∗ 29.6
640 − 0.6(0.064)= 2.9𝑥10−3 𝑚𝑚
Lo cual se concluye que el espesor comercial del material MBrace de 1 mm, es superior
al obtenido por el cálculo y por lo tanto cumple.
4.9 Simulación mecánica del modelo
Una vez concluido e identificados estos datos, el siguiente paso de la investigación
incluye el realizar un análisis por medio del software 𝑨𝒏𝒔𝒚𝒔 𝒔𝒕𝒖𝒅𝒆𝒏𝒕 𝟏𝟖. 𝟐®sobre la
geometría de la prótesis diseñada Figura 4.16
Figura 4.16 Geometría de la prótesis propuesta, conformada por tres elementos (1) Socket, (2) caja de
milano y (3) cilindro.
Misma que permite visualizar los esfuerzos de Von Mises y la deformación de la
geometría; observando de manera virtual que en base al diseño, las cargas, presiones,
fuerzas, etc. el material y la geometría propuesta cumplen con el funcionamiento total
que se tiene previsto para la prótesis y el paciente.
El elemento con el que fue mallada la geometría de la prótesis en el software
𝑨𝒏𝒔𝒚𝒔 𝒔𝒕𝒖𝒅𝒆𝒏𝒕 𝟏𝟖. 𝟐® fue es el Solid 10 node 187, las condiciones de frontera en los
tres escenarios analizados son las presentadas en la tabla 4.3:
58
Posición estática
Inicio de la marcha (paso)
Cierre de la marcha (paso)
Tabla 4.3. Condiciones de frontera para los 3 escenarios.
Escenarios En Socket
Posición estática Inicio de la marcha
(paso)
Cierre de la marcha
(paso)
Está restringido
cero movimientos
en la parte inferior
del diseño
Está restringido
cero movimientos
en la parte inferior
del diseño
Está restringido
cero movimientos
en la parte inferior
del diseño
Presión constante
interna de 0.064
N/mm2
Cargas puntuales
internas
F(205.571N)
Fy=78.554N y
Fx=189.646N en
KP 702 y 2089
Cargas puntuales
internas
F(205.571N)
Fy=78.554N y
Fx=189.646N en
KP 952 y 689
Se le indica el
espesor según sea el caso
del tipo de material que se
está analizando
Mbrace t=1.4 mm
WRAP 600C= 1 mm
Se le indican las
propiedades mecánicas de
los materiales empleados
Se le indica el
espesor según sea el caso
del tipo de material que se
está analizando
Mbrace t=1.4 mm
WRAP 600C= 1 mm
Se le indican las
propiedades mecánicas de
los materiales empleados
Se le indica el
espesor según sea el caso
del tipo de material que se
está analizando
Mbrace t=1.4 mm
WRAP 600C= 1 mm
Se le indican las
propiedades mecánicas de
los materiales empleados
59
4.9.1 Resultados de la simulación mecánica
Los resultados obtenidos en la simulación mecánica nos muestran el correcto
comportamiento de diseño propuesto, mismo que se puede apreciar en las figuras 4.17 a
la 4.19 para el material Mbrace y de la figura 4.20 a la 4.22 para el material WRap
600, así como los resultados numéricos en cada una de las tablas, respectivamente.
Para obtener los resultados de la simulación mecánica es necesario tener en cuenta todos
los cálculos, restricciones, condiciones de frontera, entre otros datos anteriormente
descritos en los subcapítulos 4.7 al 4.8 del capítulo presente.
De manera puntual se especifican los datos utilizados.
Se maneja una presión interna uniforme dentro del socket igual a 0.064 𝑁𝑚𝑚2⁄ . Se
manejan cargas puntuales de 205.571 N durante el ciclo de la marcha en dos puntos
internos del socket (figura 4.15). El socket deberá de tener un espesor mínimo de
1.05𝑥10−3 𝑚𝑚; todo esto de acuerdo a lo establecido por la teoría de diseño de
recipientes a presión y calculado bajo la fórmula para determinar espesores (ecuación
4.5), misma por la cual se determinó el espesor mínimo que deberá tener el socket.
Inclusive, por la misma teoría se determina que el factor de seguridad que deberá de
cumplir la prótesis, es el establecido por el código ASME secc. VIII, div. 2 el cual
deberá de ser un factor de seguridad mayor a 1.5.
De las figuras 4.17 a la 4.22 se eligieron algunas de las imágenes de los resultados de
las simulaciones mecánicas que se realizaron, representando en las tablas los resultados
totales de la simulación mecánica de cada uno de los elementos que conforman la
prótesis.
60
4.9.1.1 Para el material MBrace
a) Análisis Estático- MEF
La figura 4.17 demuestra los resultados de esfuerzo de Von Mises obtenidos en la
simulación mecánica de la prótesis completa en un escenario estático en el cal se está
generando una carga uniforme en la prótesis debido a la posición, simulado con el
material MBrace.
Figura 4.17 Prótesis completa- MEF (Escenario Estático).
De manera individual en la tabla 4.4 se detalla cada esfuerzo de VM de cada elemento
que conforma la prótesis (socket, caja y cilindro) en el mismo escenario.
Tabla 4.4. Resultados Posición Estática
Posición Estática MBrace para el socket
Y aluminio 6061 para la caja y el cilindro
Socket Caja Cilindro
Esfuerzo de VM (N/mm2) 206.952 2.252 7.060
Obteniendo un FS
Cedencia Fibra= 2,690 N/mm2
Cedencia alum= 276 N/mm2
2 690/206.952
=
12.99
276/2.252
=
122.558
276/7.060
=
39.09
Cumple con el FS
establecido por el cod.
ASME de 1.5
Cumple Cumple Cumple
De acuerdo a los resultados obtenidos por medio del esfuerzo de von mises y de acuerdo
a los esfuerzos de Cedencia del material ya sea la fibra Mbrace y Aluminio, se
determina que en base a la ecuación 4.6
𝐹. 𝑆 = 𝜎𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙
𝜎𝑉𝑀 Ec. 4.6
cada elemento que conforma la prótesis se realiza el cálculo para determinar que
cumple con el factor de seguridad establecido por el código ASME para cumplir su
función sin presentar falla.
61
b) Análisis dinámico (EA: Etapa Apoyo)
La figura 4.18 demuestra los resultados de esfuerzo de Von Mises obtenidos en la
simulación mecánica del elemento socket en un escenario dinámico simulado con el
material Mbrace, también se aprecia el área en donde se está generando mayor esfuerzo
en el socket (área: superior trasera).
Figura 4.18. Socket-EA.
De manera individual en la tabla 4.5 se detalla cada esfuerzo de VM de cada elemento
que conforma la prótesis (socket, caja y cilindro) en el mismo escenario.
Tabla 4.5. Resultados Posición: Dinámica Apoyo
Posición: Dinámica Apoyo MBrace para el socket
Y aluminio 6061 para la caja y el cilindro
Socket Caja Cilindro
Esfuerzo de VM (N/mm2) 362.597 33.823 69.496
Obteniendo un FS
Cedencia Fibra= 2,690 N/mm2
Cedencia alum= 276
N/mm2
2 690/362.597
=
7.41
276/33.823
=
8.16
276/69.493
=
3.97
Cumple con el FS
establecido por el cod.
ASME de 1.5
Cumple Cumple Cumple
62
c) Análisis dinámico (EB: Etapa Balance)
La figura 4.19 demuestra los resultados de esfuerzo de Von Mises obtenidos en la
simulación mecánica del elemento caja en un escenario dinámico simulado con el
material Mbrace, también se aprecia el área en donde se está generando mayor esfuerzo
en la caja (área: inferior trasera).
Figura 4.19. Caja Milano – EB.
De manera individual en la tabla 4.6 se detalla cada esfuerzo de VM de cada elemento
que conforma la prótesis (socket, caja y cilindro) en el mismo escenario.
Tabla 4.6. Resultados Posición: dinámica Balance
Posición: dinámica Balance MBrace para el socket
Y aluminio 6061 para la caja y el cilindro
Socket Caja Cilindro
Esfuerzo de VM
(N/mm2)
308.710 31.85 77.662
Obteniendo un FS Cedencia Fibra=2,690 N/mm2
Cedencia alum= 276
N/mm2
2
690/308.710
=
8.71
276/31.85
=
8.67
276/77.662
=
3.55
Cumple con el FS
establecido por el cod.
ASME de 1.5
Cumple Cumple Cumple
63
4.9.1.1 Para el material WRap 600C
a) Análisis Estático- EE
La figura 4.20 demuestra los resultados de esfuerzo de Von Mises obtenidos en la
simulación mecánica de la prótesis completa en un escenario estático con el material
WRap.
Figura 4.20. Prótesis completa- EE (Escenario Estático).
De manera individual en la tabla 4.7 se detalla cada esfuerzo de VM de cada elemento
que conforma la prótesis (socket, caja y cilindro) en el mismo escenario.
Tabla 4.7. Resultados Posición: dinámica Balance .
Posición: dinámica Balance WRap 600C para el socket
Y aluminio 6061 para la caja y el cilindro
Socket Caja Cilindro
Esfuerzo de VM
(N/mm2)
206.952 2.323 7.048
Obteniendo un FS Cedencia Fibra= 960 N/mm2
Cedencia alum= 276 N/mm2
960/206.952
=
4.63
276/2.323
=
118.81
276/7.048
=
39.16
Cumple con el FS
establecido por el cod.
ASME de 1.5
Cumple Cumple Cumple
De acuerdo a los resultados obtenidos por medio del esfuerzo de von mises y de acuerdo
a los esfuerzos de Cedencia del material ya sea la fibra WRap 600C y Aluminio, se
determina que en base a la ecuación 4.6
𝐹. 𝑆 = 𝜎𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙
𝜎𝑉𝑀 Ec. 4.6
cada elemento que conforma la prótesis se realiza el cálculo para determinar que
cumple con el factor de seguridad establecido por el código ASME para cumplir su
función sin presentar falla.
64
b) Análisis dinámico (EA: Etapa Apoyo)
La figura 4.21 demuestra los resultados de esfuerzo de Von Mises obtenidos en la
simulación mecánica del elemento socket en un escenario dinámico con el material
WRap, también se aprecia el área en donde se está generando mayor esfuerzo en el
socket (área: superior trasera) debido a que son los puntos donde se está generando
mayor carga interna de acuerdo al ciclo de la marcha del equino.
Figura 4.21. Socket-EA.
De manera individual en la tabla 4.8 se detalla cada esfuerzo de VM de cada elemento
que conforma la prótesis (socket, caja y cilindro) en el mismo escenario.
Tabla 4.8 Resultados Posición: dinámica Balance .
Posición: dinámica Balance WRap 600C para el socket
y aluminio 6061 para la caja y el cilindro
Socket Caja Cilindro
Esfuerzo de VM (N/mm2) 499.651 31.618 69.488
Obteniendo un FS
Cedencia Fibra= 960
N/mm2
Cedencia alum= 276
N/mm2
960/499.651
=
1.92
276/31.618
=
8.73
276/69.488
=
3.97
Cumple con el FS
establecido por el cod.
ASME de 1.5
Cumple Cumple Cumple
65
c) Análisis dinámico (EB: Etapa Balance)
La figura 4.22 demuestra los resultados de esfuerzo de Von Mises obtenidos en la
simulación mecánica del elemento cilindro en un escenario dinámico con el material
WRap, también se aprecia el área en donde se está generando mayor esfuerzo en este
elemento (área: longitudinal) debido a que se está generando una carga de acuerdo al
punto del ciclo de la marcha llamado balance, misma que significa que el equino está
cerrando el ciclo de la marcha.
Figura 4.22. Cilindro – EB.
De manera individual en la tabla 4.9 se detalla cada esfuerzo de VM de cada elemento
que conforma la prótesis (socket, caja y cilindro) en el mismo escenario.
Tabla 4.9. Resultados Posición: dinámica Balance .
Posición: dinámica Balance WRap 600C para el socket
y aluminio 6061 para la caja y el cilindro
Socket Caja Cilindro
Esfuerzo de VM (N/mm2) 388.549 29.260 76.809
Obteniendo un FS
Cedencia Fibra= 960
N/mm2
Cedencia alum= 276
N/mm2
960/388.549
=
2.47
276/29.260
=
9.43
276/76.809
=
3.59
Cumple con el FS
establecido por el cod.
ASME de 1.5
Cumple Cumple Cumple
66
4.10 Conclusión del análisis.
De acuerdo al análisis previo, en el cual se muestran el comportamiento del diseño, los
cálculos y resultados obtenidos por el software 𝑨𝒏𝒔𝒚𝒔 𝒔𝒕𝒖𝒅𝒆𝒏𝒕 𝟏𝟖. 𝟐®, en base a los
tres materiales sometidos bajo ciertas condiciones de frontera, fuerzas y geometrías
complejas, en los tres escenarios distintos se precisa señalar que los materiales
comerciales mencionados en la tabla 4.2 se analizaron y se encuentran trabajando de
manera favorable en el diseño propuesto.
En el caso forzoso de tener que tomar la decisión de seleccionar un único material de las
fibras de carbono comerciales propuestas y analizadas para trabajar sería la FC MBrace
ya que el factor de seguridad calculado y obtenido se encuentra por muy encima del FS
de 1.5 establecido por el código ASME Secc. VIII div 2.
Grafica 4.1. Localización de EVM del material Mbrace durante el ciclo de la marcha.
La interacción de los tres elementos que componen la prótesis, en base a las imágenes
gráficas y resultados obtenidos, determinan que el diseño se está comportando de
manera favorable, definiendo así mismo que el diseño propuesto cumple con la
funcionalidad prevista para la prótesis en los equinos.
206.952
362.597
308.71
0
50
100
150
200
250
300
350
400
E
s
f
u
e
r
z
o
s
d
e
V
M
% de avance
Grafica de Esfuerzos en marcha
EVM
Ate
rriz
aje
Ap
oyo
Bal
ance
0 - 5 12-53 66-99
67
4.11 Procesos de Manufactura
Los procesos de manufactura propuestos para la fabricación del prototipo este diseño
esta clasificados por dos rutas posibles:
1.- procesos convencionales (1).
2.- impresiones con tecnología 3D (2).
4.11.1 Forming technology
Maquinado CNC (1)
El cual consiste en transformar la información de CAD directamente en una pieza final,
llevando el proceso del CNC en una maquina fresadora donde el resultado para la
prótesis es preciso y de alta calidad. Este maquinado es propuesto para el perfil tubular
y la caja milano propuestos de aluminio 6061 ced. 80.
Se selecciona el laminado compuesto (1) para la manufactura del socket. Este es un
proceso en el cual las fibras y los plásticos rígidos son fabricados para ser utilizados en
productos que requieren de ser ultraligeros y robustos, destacando que los productos que
son fabricados con el laminado compuesto son productos de alta calidad.
Se propone la impresión en 3D (2) para el prototipado total de la prótesis. De acuerdo al
material utilizado en la impresión 3D es un proceso de manufactura que ofrece
productos de alta calidad ya que fabrica productos de peso ligero y de alta duración
siendo resistentes a esfuerzos y deformaciones, la impresión de 3D para el prototipado
ofrece alternativas al metal y otros materiales resistentes. Esta nueva técnica de
manufactura ofrece una alta calidad en las piezas fabricadas y por medio de esta técnica
se pueden manufacturar las piezas propuestas, es decir el diseño completo.
68
Joining technology
Staking (1) El ensamble para el caso cuando las piezas son manufacturadas por
separado se puede utilizar el staking que es uno de las uniones más recomendadas que
se ofrecen para cuando se necesitan unir dos piezas de materiales distintos. La única
condiciones que restringe a esta técnica, es que es una unión permanente, aunque es
muy adecuada como ya se mencionaba para trabajar con la unión de materiales
distintos, como por ejemplo el caso de las fibras y el aluminio, ya que usan de manera
favorable la capacidad que tienen los materiales termoplásticos para unirse sin perder la
resistencia de su material. Es el proceso de ensamble propuesto para la unión del socket
y la caja milano.
Joinery (1) Es una técnica de ensamble manual, el beneficio que tiene este ensamble, es
una unión fuerte y con variedad de tipos de ensambles: cola milano, superpuesta, media
madera, en T, etc. Para el caso de la unión entre el cilindro y la caja, se seleccionó la
cola milano.
69
Conclusión
La creación y la implementación de las prótesis en cualquier ser vivo son de suma
importancia, debido a que pueden brindar fines tanto estéticos como funcionales, hasta
el nivel benéfico de ayudar al paciente a poder integrarse de nuevo a su entorno social
en el caso de una persona o integrarse nuevamente a su habitad en el caso más
específico de animales.
Para poder alcanzar el objetivo principal de este trabajo que es el diseño de una prótesis
para caballos se tomó en cuenta todo tipo de requisitos que fueran necesarios para
satisfacer la problemática, desde la identificación de la problemática y la metodología
apta que ayudó a lograr resultados, considerando los principales requisitos que deberá
cumplir la prótesis; mismo que fueron proporcionados por especialistas de caballos, así
como también la búsqueda adecuada de la información existente dentro de la literatura.
El diseñar y proponer una o varias posibles soluciones escogiendo la mejor, para así
poder llegar a una propuesta de diseño final; dándole cuerpo a dicha propuesta con los
materiales y especificaciones más oportunas que permiten alcanzar el principal
funcionamiento a la prótesis diseñada, realizándole un análisis mecánico con el cual se
permitió obtener los resultados accediendo a la aprobación total del diseño propuesto.
Una vez elaborado el diseño, examinado y analizado la propuesta, llegó el turno para la
manufactura en la cual debido a la amplia tecnología y procesos de manufactura, se
proponen procesos para la fabricación y producción de la prótesis.
A partir de toda la investigación y de las bases bien fundamentadas para la manufactura
de esta prótesis, en el presente trabajo escrito se detalla una propuesta de diseño futuro
mejorando ciertos aspectos, geométricos, tecnológicos y entre otras.
Finalizando esta conclusión se manifiesta que todos las propuestas y/o elementos
descritos en este trabajo e investigación realizada podrían ser probablemente sustituidas
por unos de mejor desempeño, sin embargo para eso es necesario realizar un estudio
más detallado y profundo para poder sustentar dicha información.
70
Trabajos Futuros
1.- En base a la metodología aplicada para el desarrollo de esta investigación se analiza
y se selecciona una propuesta de un concepto mejorado, con mayor innovación,
propuestas de mejora en geometría, uso de productos existentes en el mercado.
Habiendo señalando que únicamente este concepto está situando para ofrecerse como
una propuesta de diseño a futuro tabla TF. 1.
Tabla TF.1. Concepto propuesta.
Funciones Concepto propuesta
1.-Proveer soporte estático
Material para la
capacidad de carga en
socket-cilindro
Fibra de Carbono-
resina y aluminio
Estabilidad Área de contacto con
el suelo mediana
Derrape Megasus shoes
2.-Movimiento natural al
caminar – trotar
(biomecánico y dinámico)
Movimientos Sistema mecánico
articulado
Movimiento articulado
controlado
electromecánico
3.-Inferfaz entre caballo y
prótesis
Ajuste de muñón Ajuste con cinturones
de velcro
Ajuste de altura Ajuste a diferentes
alturas por medio de
seguros de traba y
ajuste
Confort Confort interno de
ajuste por medio de
sistema de colchón de
aire
4.- Interfaz entre prótesis
y suelo
Sistema de
amortiguamiento
Geometría inferior de
la prótesis para poder
adaptarle las Megasus
shoes y absorban
impacto.
2.- Manufacturar el diseño de la prótesis con alguna empresa de máquinas de 3D que
cuente con los materiales propuestos o mejores.
71
3.- Proporcionar la prótesis manufacturada a los especialistas en caballos de la Facultad
de Estudios Superiores de la UNAM para que puedan probarla en caballos amputados,
para obtener retroalimentación del prototipo desarrollado.
4.- Implementación de instrumentación en la prótesis.
5.- investigación detallada del desarrollo de una prótesis fabricada con materiales más
accesibles pero que de igual manera cumplan al 100 % su función sin presentar fallas.
72
Referencias
ALMANZA A. (s.f.) Redboot [online]. Available: http://www.redboot.com.ar/
CAGAN J y M. VOGEL C. (2012). “Creating Breakthrough Products”. United States
of America. Pearson Education, Inc.
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76
Anexos
77
Anexo A: Desarrollo de la metodología “Systematic Approach”
El desarrollo del diseño de una prótesis para caballos está basada en la necesidad de
resolver la problemática que existe en el área médica de grandes especies, en donde se
expresa que se carecen de alternativas que permitan ofrecer a los pacientes equinos que
llegan a tener multifracturas en los metacarpos de las extremidades anteriores y se ven
en la necesidad de ser amputados, dando una segunda oportunidad de vida y evitando
con esto la eutanasia.
En el análisis que a continuación se presenta en este “technical report” consta de
identificar la metodología y la recapitulación de los ejercicios que se siguieron para
poder llegar al concepto ideal, poder proponerlo y en caso posible mejorarlo.
Todo el trabajo aquí detallado fue producto de la dirección del PhD. Noé Vargas en la
Universidad de Texas Rio Grande Valley en donde el objetivo principal es analizar
desde las bases hasta los resultados del trabajo previamente realizado logrando analizar,
aprender, detallar, y proponer una mejora todo en base a el diseño futuro de la prótesis.
Metodología
“Systematic Approach” en base al libro Engineering Design de los autores Pahl W.
Beitz y Freldhusen K. H. Grote; bajo la dirección y retroalimentación del PHD. Noé
Vargas.
78
Problem
ID • SET Factor
• VOA Chart
Metodología de diseño sistemático
79
Social: In the veterinarian sector the euthanasia is the only solution to offer horses that present multifractures in its front legs.
Economy:
Is focus to the “Charros” in Mexico, because this people have disposable income in money
Technology:
New materials used such as fiber carbon, new manufactures process
Prótesis de la extremidad anterior para caballos cuarto de milla
SET FACTORS
Dentro del desarrollo del Problem ID, se encuentran la identificación de los Set Factors, identificando el impacto no solo tecnológico, sino
también el social y el económico que tiene el producto en la sociedad.
80
Desarrollo de la VOA Chart, tablas que ayudan a evaluar las ventajas que se tienen en diseño propuesto y que están por encima de las prótesis
para caballos ya existentes.
VOA: Value Opportunity Chart
81
VOA CHART
Conclusión: Se define con la VOA Chart analizada para el diseño de la prótesis
propuesta que el valor que se tiene para este producto es superior al ofrecido por las
prótesis llamadas Redboot, ya que el diseño del producto propuesto ofrece mayores
ventajas en durabilidad, resistencia, cumplimento requerimientos específicos por el
cliente, soportando mayor carga en peso sin presentar falla, proponiendo mejores
procesos de manufactura, aunque el costo es mayor al ofertado por Redboot, es
justificable ya que el material utilizado para la fabricación de este producto es de mayor
calidad con ello garantizando la calidad del mismo; sumándole a todo lo anterior, que la
prótesis ofertada contara con rangos de movimientos articulados que permitirá al
paciente poderse desplazar con mayor facilidad-naturalidad
82
Problem
Formulation Background research
Competitive products
User research
Customer requirements
Design spec
Metodología de diseño sistemático
83
La formulación del problema consiste de evaluar los siguientes 5 puntos.
84
La búsqueda de los antecedentes de las prótesis que ya se han propuesto tanto en diseño
o las cuales se han llevado hasta la fabricación; los posibles casos de éxito de equinos
que ya han recibido alguna amputación y se les ha adaptado una prótesis, entre otros
antecedentes relacionados con el tema, ayudan a ampliar el conocimiento previo para
poder dar inicio al tema de estudio. A continuación se mencionan de las más relevantes.
El doctor LINDSEY D. 1997. interesado en manufacturar una prótesis para caballo, propone
para la fabricación de esta prótesis, materiales de fibra de carbono
y acrílico, de este modo aportando significativamente el tipo del
material con el cual se pudiera fabricar el prototipo de prótesis
Los doctores PERKINS N.R. &
FRAZER G. S. 1995.
En su artículo científico describen una prótesis testicular de fibra
de vidrio en un caballo semental cuarto de milla, en la cual se
resume en haber colocado una prótesis de manera invasiva
logrando tener resultados favorables posteriores a la operación,
debido a que el animal acepto de manera exitosa la inclusión del
testículo fabricado de fibra de vidrio
El MVZ T. Vlahos. 2008
Practica procedimientos quirúrgicos en equinos con la finalidad
colocarles prótesis de alguna de las extremidades que fue
amputadas, basada en la similitud de algunas prótesis que han sido
fabricadas para los humanos.
MVZ ALMANZA A., Médico dedicado a la ortopedia especialmente en equinos,
fabricante de las prótesis Redboot en Argentina.
85
El determinar la competencia, ayuda a visualizar desde que tan desarrollados se
encuentran los productos o protesis que ya se encuentran en el mercado, visualizar una
perspectiva de posible solucion para el cliente, distinguir alfunas necesidades que coo
diseñador se podrian estar dejando pasar por alto y que son necesarias cbrir o inclsive
mejorar.
La prótesis principal es la llamada REDBOOT fabricada por el MVZ Agustín Almanza.
Figura 1. Prótesis de fibra de vidrio realizada por el MVZ Agustín Almanza. A. Almanza, Redboot
86
Identificación de los posibles usuarios o beneficiarios de la fabricación de la prótesis
Una vez identificados los usuarios es importante establecer la relación que tienen estos
usuarios con la prótesis.
Con la ayuda de la siguiente tabla se pueden determinar con mayor facilidad la relación
que existe entre la prótesis y los cliente, determinando quien es mi beneficiario directo,
quien pagaría por la prótesis, quien aportaría información directa que enriquezca a la
evolución e innovación del diseño de la prótesis y que otros posibles clientes
interesados en la fabricación de esta. Tabla 1. Relación prótesis-cliente
Relación entre prótesis y customers
Prótesis – caballo Beneficiado directo
Prótesis- veterinarios Beneficiado para proveer alternativas
Prótesis-charros Comprador
Prótesis- especialistas en reproducción
equina
Comprador
Prótesis- inversionistas en caballos Comprador
Prótesis De
Caballos
Caballos
Veterinarios
Charros
Sementales de reproducción
Inversionistas
Asociaciones de protección de caballos
Innovadores
Empresas de manufactura
Empresas de impresiones en 3D
Procesos de manufactura
Especialistas en reproducción equina
Amantes de caballos
Proveedores de nuevos materiales
87
Prótesis-innovadores Interesados en mejorar la prótesis diseñada
Prótesis- Asociaciones de protección de
caballos
Interesados en preservar la vida de un animal y
como promotores
Prótesis- Amantes de caballo Interesados en preservar la vida de un animal
Prótesis- Proveedores de nuevos
materiales
Suministrar e innovar materiales capaces de
soportar cargas, sometidos a esfuerzos-
deformación
Prótesis- Procesos de manufactura Guía como proceso de selección en el proceso de
manufactura
Prótesis- Empresas de impresión 3D Interesados en aportar sus recursos de manera
altruista y apoyo en prototipado
Prótesis- Empresas de manufactura Taller de fabricación necesarios para
manufacturar la prótesis
La identificación de los requerimientos del cliente es una técnica que provee mayor
información necesaria para el diseñador e incrementa el valor material del producto para
el cliente, el usuario directo, especialistas o quien pagara por la prótesis, de tal manera
es importante tenerlos en cuenta.
En la siguiente tabla se enlistan los principales requerimientos expresados a viva voz
por los especialistas en caballos del hospital de equinos de la Facultad de Estudios
Superiores de la UNAM, en México.
Tabla 2. Requerimientos del cliente.
Requerimientos de viva voz del cliente
Con la prótesis se podrá reemplazar la parte
de la extremidad amputada
La prótesis tendrá que ser removible
La prótesis tendrá que ser resistente el socket de la prótesis podrá ajustar al
muñón del animal
La prótesis tendrá que ser articulada no sea invasiva
que tenga confort para el muñón del animal -
88
Una vez establecido el problema, identificado los posibles productos en el mercado,
establecidos los clementes potenciales, y las necesidades así como los requerimientos
específicos que son necesarios satisfacer el problema, se continua con la propuesta de
diseño del producto, enlistando de ser posible en términos mesurables algunos de
estos requisitos tan cómo se puede mostrar en el siguiente listado de requerimientos,
funciones y propuestas que contribuyen para poder ir asociando una posible
propuesta de prótesis.
Tabla 3. Tabla Design spec
89
Funciones primarias y secundarias
Es preciso identificar las funciones principales que proporcionara la prótesis, en la siguiente tabla se enlistan.
Tabla 4. Funciones primarias y secundarias
Funciones
1.-Proveer soporte estático
Para dar estabilidad
es necesario:
Contar con suficiente área de contacto entre la prótesis con el suelo
Que la prótesis soporte pesos críticos
Que la prótesis cuente con antiderrapante en la superficie de contacto con el suelo
2.-Movimiento natural al caminar – trotar (biomecánico y dinámico)
Para dar movimiento
es necesario:
Tener un sistema que ayude a alcanzar los movimientos que realizaba la extremidad amputada
3.-Inferfaz entre caballo y prótesis
Para la interfaz entre
caballo y prótesis es
necesario:
Colocación de un solo elemento
Sistema de ajuste-amarre de la prótesis al paciente
Ajuste de diferentes alturas según lo requiera el paciente
4.- Interfaz entre prótesis y suelo
Para la interfaz entre
la prótesis y el suelo
es necesario:
Contar con un sistema de amortiguamiento
90
Tablas morfológicas
Se sigue por medio de tablas morfológicas y Pugh Chart una serie de filtros que permiten llegar al concepto más adecuado para proponer y/o
desarrollar.
La primera es la tabla morfológica en la cual se enlisas las funciones principales de la tabla 5. Y se derivan diversas posibles tipos de soluciones.
Tabla 5. Tablas morfológicas
Funciones Sol. 1 Sol. 2 Sol. 3 Sol. 4 Sol. 5 Sol. 6 Sol. 7 Sol. 8 Sol. 9
1.-Proveer soporte estático
Material para la
capacidad de
carga en socket-
cilindro
Aluminio Fibra de
vidrio
Fibra de
carbono
Madera Piel Resinas Fibra de
Carbono
y
alumini
o
- -
Estabilidad Área de
contacto
con el
suelo
chica
Área de
contacto con
el suelo
mediana
Área de
contacto con el
suelo grande
- - - - - -
Derrape Lijas gomas huella Megasus
shoes
2.-Movimiento natural al caminar – trotar (biomecánico y dinámico)
Movimientos Sistema
mecánico
articulado
Sistema fijo Movimiento
articulado
controlado
electromecánic
o
- - - - - -
3.-Inferfaz entre caballo y prótesis
Ajuste de
muñón
Ajuste con
cinturones
Ajuste con
cinturones de
Ajuste con
vendas
Almohadilla
s adhesivas
Presión Sistema de
aire interno
Sujeción
elástica
Intervenció
n quirúrgica
Par de
agujeta
91
de cuero velcro internas s
Ajuste de altura Sistema de
ajuste
telescópic
o
Seguros de
traba y
destraba
Cilindro
neumático
Ajuste con
tornillos de
apriete
Sensores
electromecánico
s
Una sola
altura fija
- - -
Confort vendas Huata
algodón
silicón gel Sistema de aire
4.- Interfaz entre prótesis y suelo
Sistema de
amortiguamient
o
Goma
absorbente
Amortiguado
r mecánico
(carros)
colchón cuero Almohadillas de
gel
Almohadilla
s de huata de
algodón
Megasu
s shoes
- -
De acuerdo a las soluciones creadas o descritas en la tabla morfológica 5. Se continúa generando un segundo filtro en la cual haciendo una
mezcla con las posibles soluciones propuestas ayuda a seleccionar 5 conceptos destacados.
Tabla 6. Tablas morfológicas
Funciones Concepto A Concepto B Concepto C Concepto D Concepto E
1.-Proveer soporte estático
Material para la capacidad de
carga en socket-cilindro
Aluminio Fibra de vidrio Fibra de
Carbono-resina y
aluminio
Fibra de carbono Resinas
Estabilidad Área de contacto
con el suelo chica
Área de contacto
con el suelo
grande
Área de contacto
con el suelo
mediana
Área de contacto
con el suelo
mediana
Área de contacto
con el suelo
grande
Derrape Lijas huella gomas Megasus shoes Megasus shoes
2.-Movimiento natural al caminar
– trotar (biomecánico y dinámico)
Movimientos Sistema mecánico
articulado
Movimiento
articulado
controlado
Sistema fijo Sistema
mecánico
articulado
Sistema fijo
92
electromecánico
3.-Inferfaz entre caballo y prótesis
Ajuste de muñón Ajuste con
cinturones de cuero
Ajuste con vendas Ajuste con
cinturones de
velcro
Almohadillas
adhesivas
internas
Sujeción elástica
Ajuste de altura Sistema de ajuste
telescópico
Cilindro
neumático
Una sola altura
fija
Seguros de traba
y destraba
Ajuste con
tornillos de
apriete
Confort vendas Gel Huata algodón Sistema de aire Huata algodón
4.- Interfaz entre prótesis y suelo
Sistema de amortiguamiento colchón Almohadillas de
gel
Goma
absorbente
Megasus shoes Megasus shoes
Pugh Chart
Una vez seleccionados los conceptos se evalúa por medio de la herramienta Pugh Chart que ayuda a diferenciar los criterios que van aportar más
valor así poder priorizar las características que la prótesis pose en comparación con las prótesis que ya son existentes. Generando al final una
conclusión de este análisis.
Análisis en base al Design Spec – Filtro Pugh Chart
Tabla 7. 1er filtro PC
Concepto
Referencia
REDBOOT
Concepto A Concepto B Concepto C Concepto D Concepto E
Costo D + - - - - Resistente D - + + + - Balance D - + + + + Capacidad de Carga D - + + + - Ajuste atura D + + - + + Ajuste muñón D + - + - - Apariencia D - 0 0 0 0 confortable D - + + + 0
93
No invasivo D 0 0 0 0 0 Movimientos
articulados D + + - + -
∑ (+) +4 +6 +5 +6 +2
∑ (-) -5 -2 -3 -2 -4
Total 1 4 2 4 -2
Posición 3 1 2 1 4
Conclusión:
De la tabla anterior, se puede definir que los 3 conceptos relevantes que priorizar o hacer una segunda evaluación de selección son los conceptos
B, C, y D. debido a que encabezan la tabla de posiciones. Y por lo tanto se definen para sea analizados en un segundo filtro donde los criterio a
evaluar son externos a los establecidos por los requerimientos del cliente.
En base a los resultados obtenidos por la tabla 7 Pugh Chart se seleccionaron 3 conceptos que son seleccionados para una segunda evaluación por
la misma herramienta, mas esta evaluación tiene una característica principal, ya que los conceptos serán evaluado en base a criterios externos y
no controlados por el diseñador y así poder determinar cuál es el concepto ideal a proponer
Análisis consideraciones externas– Filtro 2 Pugh Chart.
Donde la simbología corresponde al nivel de complejidad
Criterios externos
Tiempo de diseño Complejidad de manufactura
Complejidad de diseño Complejidad de análisis
Simplicidad en la funcionalidad Tabla 8. 2do. filtro PC
Concepto
Referencia
REDBOOT
Concepto B Concepto C Concepto D
Tiempo de
diseño
D - + -
Complejidad de
diseño
D - - -
Complejidad de D + + +
Conclusión:
De acuerdo al análisis de la tabla de criterios externas,
es correcto determinar que para la elaboración de un
primer diseño de prótesis para caballos, el más
adecuado deberá ser el Concepto C; debido a que se
toman en consideración la complejidad del diseño y
los tiempos que el programa de la maestría MIM
maneja, así mismo es importante destacar y poder
seleccionar una propuesta de diseño más compleja y
que a futuro permita tener desarrollo y evolución en
94
manufactura
Complejidad de
análisis
D - + -
Simplicidad en
la
funcionalidad
D
- + -
∑ (+) +1 +4 +1
∑ (-) -4 -1 -4
Total -3 3 -3
Posición 2 1 2
Concepto propuesto para diseño futuro
Una vez determinado el concepto ideal, de la misma manera se selecciona una propuesta de un concepto mejorado, con mayor innovación,
propuestas de mejora en geometría, uso de productos existentes en el mercado, etc., cabiendo señalando que únicamente este concepto está
situando para ofrecerse como una propuesta de diseño a futuro .Concepto propuesto como propuesta de desarrollo a futuro
Tabla 9. Concepto propuesta
Funciones Concepto propuesta
1.-Proveer soporte estático
Material para la capacidad de
carga en socket-cilindro
Fibra de Carbono-resina y
aluminio
Estabilidad Área de contacto con el suelo
mediana
Derrape Megasus shoes
2.-Movimiento natural al caminar
– trotar (biomecánico y dinámico)
Movimientos Sistema mecánico articulado Movimiento articulado controlado
95
electromecánico
3.-Inferfaz entre caballo y prótesis
Ajuste de muñón Ajuste con cinturones de velcro
Ajuste de altura Ajuste a diferentes alturas por
medio de seguros de traba y
ajuste
Confort Confort interno de ajuste por
medio de sistema de colchón
de aire
4.- Interfaz entre prótesis y suelo
Sistema de amortiguamiento Geometría inferior de la
prótesis para poder adaptarle
las Megasus shoes y absorban
impacto.
Concepto preliminar seleccionado
Una vez definido los conceptos generados en base a las tablas “Pugh Chart” y en base a la resolución de las preguntas enlistadas a continuación,
se puede definir un concepto ganador preliminar, que es el concepto C, mismo que da solución a la problemática que existe en la falta de
alternativas para ofrecer a los caballos que presentan fracturas en algunas de sus extremidades anteriores, evitando con esto la eutanasia y
brindándoles la oportunidad de vivir con una calidad de vida estable.
El concepto generado y seleccionado responde a:
Descripción 1. ¿Responde a los requerimientos del
cliente?
Mantenimiento
Costo- si- se consideran que los costos de la prótesis sean accesibles y/o honden entre
los precios de prótesis ya existentes
Fácil aplicación- si- se consideran geometrías y elementos en la prótesis que tengan
cercanía a la anatomía del muñón del paciente que simplifiquen la fácil aplicación de la prótesis en él.
Segura- si- se consideran los sistemas de ajuste, amarre y capacidad de carga que
96
permita al paciente la confianza de poder darle uso a la prótesis
Resistente- si – se consideran materiales resistentes para poder soportar las cargas.
Balance- si- la geometría propuesta en el diseño, es similar a la geometría compleja
que presenta un equino, debido a este diseño propuesto dela prótesis, se prevé que ayude a dar un balance y estabilidad en la postura y en la marcha del paciente.
Capacidad de carga – si- se consideran materiales resistentes para poder soportar las
cargas. Sistema de ajuste altura Sistema de ajuste muñón Movimientos
Confortable- si- se considera que la prótesis cuente con un sistema de confort que
brinde al paciente suavidad y confort al muñón del paciente al caminar
No invasivo- si- la prótesis propuesta no requerida de cirugías para poder adaptarle la
prótesis
Removible- si – se podrá remover N veces la prótesis del paciente. 2. ¿Responde a la geometría necesaria para
poder diseñar una prótesis?
Para poder determinar la geometría compleja de la extremidad anterior de un caballo se
reconstruyo el diseño preliminar por medio de herramientas computacionales y precisas en
CAD.
3. ¿responde a que la selección de los
materiales son los más adecuados para
poder trabajar sin presentar fallas,
Para poder determinar qué tipo de material es el más adecuado, se parte de la investigación
de prótesis que ya han sido fabricadas anteriormente, las cuales han sido hechas de fibra de
vidrio, aportando que para el diseño el material más adecuad deberá de ser de fibra de
97
soportando las cargas en posiciones
estáticas y dinámicas?
carbono.
4. ¿El proceso de manufactura seleccionado
será el más adecuado para el diseño de
esta prótesis?
Proponer el uso de las impresiones en 3D para la fabricación de una prótesis para caballo,
ayudara a poder generar desde prototipos rápidos hasta la fabricación final de una prótesis
funcional, debido a que es una herramienta de tecnología precisa que ayuda a obtener
geometrías complejas; así como otros beneficios como los son la velocidad de manufacturar
una prótesis hasta pensando en las producción serial
98
Descripción del Concepto preliminar seleccionado
En la siguiente tabla se detalla con las soluciones que se les están dando a las funciones que tendrá la prótesis según el concepto C, se describen
cargas que deberá de soportar, tipos de movimientos que soportara la prótesis y hasta la propuesta del diseño en CAT propuesta.
Funciones Concepto C Definición
1.-Proveer soporte
estático
Material para la
capacidad de
carga en socket-
cilindro
Fibra de
Carbono y
aluminio
Material comercial:
MBrace
E=160 GPa = 160 000 N/mm2
POISSON=0.25
Resistencia a la tensión ultima=2690 MPa = 2 690 N/mm2
Espesor = 1.4mm
HT-SIKA WRAP 600C
Espesor= 1mm
E=73100 N/mm2
POISSON=0.25
Resistencia a la tensión ultima=960N/mm2
ALUMINIO 6061(M-1)
E= 69 000 N/mm2
POISSON=0.33
CEDENCIA=276 N/mm2
Estabilidad Área de contacto
con el suelo
mediana
Estabilidad Estática:
Capacidad de poder mantener al paciente sobre la base de la prótesis, visualizando sus dos fuerzas Peso
Critico= 495 Kg y su fuerza Normal=495 Kg
Área de contacto con el suelo de 490.57 𝑚𝑚2
Estabilidad Dinámica:
99
Capacidad de poder mantener el equilibrio en el instante cuándo el paciente está generando movimiento y/o
momentos internos dentro de la prótesis.
Representación gráfica de puntos de contacto estático y dinámico
Derrape Gomas Material antiderrapante que sume soporte a la estabilidad.
2.-Movimiento
natural al caminar –
trotar (biomecánico
y dinámico)
Movimientos Sistema fijo Diseño de prótesis propuesta para el sistema fijo, no articulado
100
Geometría de la prótesis propuesta, conformada por tres elementos.
1. Socket, 2. caja milano, 3. cilindro.
3.-Inferfaz entre
caballo y prótesis
Ajuste de muñón Ajuste con
cinturones de
velcro
Socket con cinturones de ajuste en el diámetro de la prótesis y ajuste a su geometría
Tolerancias Max 91.35 mm y mínimo 59.20 mm
Ajuste de altura Una sola altura
fija
La altura promedio de la prótesis deberá de hondar en los 779.5 mm
Confort Huata algodón El confort es necesaria para el paciente y debe ir inmerso en el diseño de la prótesis
Para poder llegar al confort ideal es importante relacionarlo con la geometría correcta ya que van de la
mano.
4.- Interfaz entre
prótesis y suelo
Sistema de Goma Para disipar la energía que produce al generar movimientos el paciente, es importante que el diseño cuente
101
amortiguamiento absorbente con la capacidad de poder absorber golpes y cargas que eviten el daño físico tanto en la prótesis, como en
daño en la anatomía del paciente.
102
Biomecánica
Como en la introducción se describía, durante la dirección y retroalimentación por parte del PhD:
Noé Vargas, se profundizo en el tema del movimiento de las extremidades del caballo y se logró
un mayor entendimiento, obteniendo resultados de aprendizaje en la biomecánica del equino.
Puntualizando como son los movimientos de las extremidades anteriores del equino:
Según su grado y direcciones de movimiento se distinguen lo tipos de articulaciones sinoviales:
La mayoría de las articulaciones son de tipo bisagra y solamente tiene solo dos direcciones como
una puerta, abrir y cerrar.
Todas las articulaciones que forman las extremidades de los caballos desde el codo o babilla hasta
la articulación de la corona son de tipo bisagra. (LENK S.)
Figura 2. Codo en flexión, rodilla (carpo), menudillo, cuartillo y corona en máxima extensión (LENK S.).
Pero es importante delimitar que las extremidades anteriores desde el codo a la corona únicamente
tienen extensión y flexión, más sin embargo en las extremidades posteriores es posible encontrar
abducción.
E igualmente analizando el diagrama de cuerpo libre de la extremidad anterior de equino.
103
Figura 3. Fuerzas que intervienen en la extremidad anterior
Figura 4. Localización de fuerzas en el plano cartesiano
Figura 5. Diagrama de cuerpo libre de las fuerzas que están interviniendo en la extremidad anterior del caballo.
Diseño de manufactura Procesos de manufactura
Los procesos de manufactura propuestos para la fabricación de este diseño esta clasificados por
dos rutas posibles:
1.- procesos convencionales. (1)
2.- impresiones con tecnología 3D. (2)
104
Forming technology
Tabla 10. Maquinado CNC.
Maquinado CNC (1) El uso del maquinado CNC, puede transformar la
información de CAD directamente a piezas de trabajo.
El proceso de CNC se lleva a cabo en una maquina
fresadora y los resultados son precisos y de alta calidad
en el producto
Costo
Unidades de bajo costo
Herramienta de bajo costo
Típicas aplicaciones
Automotores
Muebles
Herramientas
Moldeado
Producción
Producción en masa
Calidad
Alta calidad de acabado
El maquinado CNC comprende un rango de procesos y operaciones que incluyen la
molienda, torno, taladro, biselado, grabado, corte, etc.
Maquinado propuesto para el perfil tubular de aluminio (cilindro metacarpiano) 6061
cedula 80.
105
Tabla 11. Laminado compuesto.
Laminado compuesto (1) Las fuertes fibras y los plásticos rígidos pueden ser
unidos a productos ultraligeros y robustos usando el
laminado compuesto.
La combinación de los materiales son usados para
producir partes que son adecuados según la demanda o la
aplicación.
Costo
Herramienta de moderado
a alto costo
Unidades de moderado a
alto costo según el tamaño
del área complejidad y
desarrollo de la pieza
Típicas aplicaciones
Aeroespacial
Mueblería
Prótesis
Vehículos de carreras
producción
One off to batch production
Production única
Calidad
Alto desarrollo en productos de peso ligero
El laminado compuesto es un proceso usado in la construcción total o parcial de
productos de alta resistencia.
Tipos de laminado:
Wet lay-up
Pre-peg
Resin transfer molding
Laminado propuesto para la fabricación del socket de la prótesis.
106
Tabla 12. Impresión 3D.
Impression 3D(2) –
Mark Two
ProX DMP 100
La impresión 3D, mecanizado CNC tradicional y
moldeado por inyección y su amplia gama de procesos y
tecnologías, ayudan a obtener desde el prototipado hasta
la producción.
Costo
Herramienta de moderado
costo
Típicas aplicaciones
Aeroespacial y defensa
Automoción
Healthcare
Odontología
Enseñanza y formación
Productos duraderos
Entertainment
producción
Calidad
Alto desarrollo en productos de peso ligero y de alta duración, resistencias a esfuerzos
y deformaciones
Alternativa a la Fabricación en Metal
Gran Ahorro de Tiempo y Dinero
Piezas tan Fiables como las de CNC
Fabrica Objetos Ligeros y Resistentes
Calidad Industrial en Formato Desktop
Mark TwoImpresora 3D en Fibra de Carbono, Fibra de Vidrio, Kevlar, Nylon y Onyx
Fabricación Aditiva en Fibra de Carbono, Fibra de Vidrio, Kevlar, Nylon y Onyx
ProX DMP 100 Iimpresora 3D en metales aluminio
Proceso de manufactura propuesto para la fabricación del socket, caja de milano y
cilindro
107
Joining technology
Tabla 13. Staking.
Staking (1) La unión tipo staking es un ensamble de tipo
permanente. Este proceso es adecuado para la
unión de dos piezas de materiales de distintos
como el metal y el plástico.
Existen dos tipos: aire caliente y ultrasonic
staking.
Costo
Sin costo Típicas aplicaciones
Accesorios
Automóviles
Productos electrónicos
producción
altos volúmenes de
producción
Calidad
Altos niveles de unión
Este proceso de ensamble es utilizado para las partes termoplásticas con
otros materiales, el muy adecuado este tipo de ensambles para estos las
uniones de estos dos tipos de materiales debido a que utilizan de manera
favorable la capacidad que tienen los materiales termoplásticos para unirse
por medio de esta técnica sin perder la resistencia de su material.
Proceso de ensamble propuesto para la unión entre el socket y la caja
milano
108
Tabla 14. Impresión 3D.
joinery(1) Ensamble manual, depende del diseñador que
tipo de unión es el seleccionado, variando desde
el más fuerte hasta el más visualmente agradable
para cada aplicación
Costo
Sin costo Típicas aplicaciones
Construcción
Muebles
interiores
producción
altos volúmenes de
producción
Calidad
Uniones fuertes
Los ensambles han ido evolucionado con el paso de la evolución de
diseños. Existen diferentes tipos de ensambles: cola milano, superpuesta,
media madera, en T, entalladura, entre otras más.
Proceso de ensamble propuesto para el corte del cilindro de aluminio 6061
109
Descripción del proceso de manufactura seleccionado- Impresión 3D
El proceso de manufactura propuesto para la fabricación de la prótesis será las nuevas tecnologías
en impresión 3D; aunque los procesos de manufactura convencionales también permiten fabricar
una prótesis funcional, más sin embargo debido a la incursión que han tenido las empresas de
impresión 3D en el sector médico y el interés manifestado por manufacturar prótesis de animales
ya ha sido demostrado en casos documentados anteriormente, tal es el caso de la empresa 3D
System que como se aprecia en el capítulo 2 de la tesis en el estado del arte de este trabajo
escrito, se mencionan las prótesis para animales que han sido impresas por esta empresa y lo más
importante, han sido casos de éxito; así como también cuentan con la capacidad tecnológica y
recursos materiales para poder fabricar desde prototipado y/o prótesis.
Es debido a esto que se selecciona este procedimiento de manufactura, detallando a continuación
los pasos que implican la impresión con esta tecnología avanzada.
Mas es de suma importancia mencionar los procesos convencionales por los cuales se puede llegar
a manufacturar el objetivo final quedan asentados en este trabajo escrito.
110
Diagrama 1. Diagrama de flujo de los pasos simples de la impresión en 3D.
Dibujo en 3D realizado en
cualquier software al uso
Exportar el archivo en formato: STL
Abrir el archivo con el software de
preparación para la impresión 3D
Estimación de tiempo y selección
de nivel de acabado a través del
software
Generación del archivo en la
extensión
Envío de archivo para impresión a
traves del sofware
La calidad y la capacidad del
acabado
Normal print- prototipo
prótesis
High quality- prótesis final
111
Materiales
De acuerdo a lo indicado por el MVZ Gustavo Almanza, fabricante de las prótesis para caballos
en Argentina REDBOOT, define que el material con el cual diseña sus prótesis, están hechas de
Fibra de Vidrio. Material que selecciono en base a la sugerencia del técnico que le manufactura
mencionadas prótesis; hace mención que las prótesis están hechas de manera artesanal y han sido
probadas a base del método “prueba y error” y así el diseño y la función de las prótesis han ido
perfeccionando.
El espesor de las prótesis que él diseña, es de aproximadamente 4 mm, más sin embargo este
espesor no es uniforme en todo el socket y se ha visto en la necesidad de tener que ir colocando
mayor material en algunas partes de este según sea conveniente, todo esto para evitar que sufra
alguna ruptura. Así es que en algunas partes del diseño es más grueso y en otras más delgado,
jugado con los espesores y pesos del caballo tratando de que la prótesis sea lo mayormente
funcional.
En base a esta información previamente asentada se propone que el material propuesto para el
diseño de la prótesis sea de:
Fibra de Carbono para el socket
Aluminio 6061 ced. 80 para la caja milano y cilindro metacarpiano
Con los espesores uniformes y medidas determinados para el diseño analizado y propuesto.
Materiales propuestos
Tabla 15. Propiedades de los materiales propuestos.
Propiedades mecánicas de los materiales propuestos
Fibra de Carbono: Mbrace
E=160 GPa = 160 000 N/mm2
POISSON=0.25
Resistencia a la tensión ultima=2690 MPa =
2 690 N/mm2
Espesor= 1.4mm
Fibra de Carbono: WRAP 600C
E=73100 N/mm2
POISSON=0.25
Resistencia a la tensión ultima=960N/mm2
Espesor= 1mm
Aluminio 6061 Cedula 80
E= 69 000 N/mm2
POISSON=0.33
Cedencia=276 N/mm2
112
Tabla 16. Material FC y epoxis.
Epoxies y compuestos
Los materiales epóxicos y compuestos son
materiales de alto desarrollo. Forman una fuerte
unión y pueden ser usados como revestimientos y
adhesivos tales como en el laminado y en el
moldeo de productos.
Costo
Moderado Típicas aplicaciones
Construcción
Muebles
Equipos de protección
Automotriz
Material propuesto para la fabricación del socket
Tabla 17. Aluminio
Aluminio alloys Material conductivo y de bajo peso
Costo
Moderado Típicas aplicaciones
Paquetería de alimentos
Estructuras
Artículos electrónicas
Partes automotriz
Aeroplanos
Construcción
Material propuesto para la fabricación de la caja milano y cilindro
metacarpiano
113
Secuencia grafica de los
procedimientos y fases que se
siguieron para poder llegar al objetivo
principal. El diseño de una prótesis
para caballos cuarto de milla que
presenta amputación en alguna de sus
extremidades anteriores.
Secuencia grafica
114
Definición de
problemática:
Veterinario Estado del
arte Empresas de
manufactura Visitas a
usuarios
Visitas a
campo
(ranchos)
Fabricantes
de prótesis
Requisitos
necesarios
Investigació
n de historia,
incursión de
prótesis
animales,
evidencia de
prótesis
fabricadas
Recursos
materiales y
tecnológicos
Necesidades
Alternativas
existentes
Geometrías
anatómicas
Ideas Lista de
requisitos a
cumplir
Sketch
Generación de diversos conceptos
Etapa 1
Etapa 2
Etapa 3
Etapa 4
Etapa 5
Etapa 6
En la siguiente secuencia grafica se muestran los procedimientos, fases y pasos detallados que se siguieron para poder llegar a recaudar toda la información
y desarrollar el objetivo principal: el diseño de una prótesis para caballos cuarto de milla que presentan amputación en alguna de sus extremidades anteriores
causadas por multifracturas en el metacarpo
115
Propuestas
con
diversidad
de
soluciones
Generar un
diseño con
geometría
Procesos de
manufactura
Pruebas
Análisis
mecánico
funcional
Generación de diversos conceptos
Selección de
materiales Descripción y
entendimiento
del análisis
Descripción de la mejor propuesta detallada en base al análisis:
Planos, medidas, materiales, tolerancias, procesos de manufactura
Etapa 6
Etapa 7
Etapa 8
Etapa 9
Etapa 8
Etapa
10
Etapa 8
Etapa
11
Etapa 8
116
Conclusión
Centrándose en el objetivo principal de esta estancia, haciendo una investigación
profunda, detallada y bien fundamentada en paralelo al trabajo que ya se ha realizado en
los semestres cursados correspondientes al programa de la MIM bajo la dirección del PhD.
J Jesús Nieto Miranda en el ESIME IPN y con la ayuda de toda la información e
investigación que ya se había realizado previamente, se avanzaron a grandes pasos para
poder desarrollar la metodología propuesta por el Dr. Noé Vargas “ diseño sistemático”
durante la movilidad académica en la Universidad de Texas Rio Grande Valley,
desarrollando cada uno de los pasos como se presentó en este “technical report”.
Toda la información analizada y detallada durante los dos meses en la Universidad de
Texas Rio Grande Valley ayudo a contribuir con el mayor entendimiento y aprendizaje en
la relación de la biomecánica y el diseño, logrando determinar las posibles mejoras que se
le pueden proponer a una prótesis de evolución en el diseño futuro.
Un punto importante que marca la pauta para da mayor valor a todo el trabajo realizado
durante la MIM y en la UTRGV, es que por medio de este estudio se puede identificar que
el nivel de:
Búsqueda de información e investigación,
El acercamiento lo más real posible a las geometrías de un equino,
Desarrollos de diseños hechos en CAD,
Las propuestas de los materiales,
El análisis numérico en software,
Los procesos de manufactura propuestos para cada pieza,
Las propuestas de las mejoras en diseños futuros.
Y la incorporación de la innovación tecnológica en este proyecto se encontró apropiada
para cumplir con una primera propuesta de diseño, logando llegar al objetivo principal
dándole una solución conveniente al problema.
Destacando que es necesario trabajar aún más a fondo en el diseño geométrico, hablando
de manera más específica con la parte inferior de la prótesis para poder adaptarle
tecnología de productos existentes en el mercado como lo son las herraduras
117
MEGASHOES, el cual su principal función es que de acuerdo a la ingeniería utilizada
ayudaran a absorber golpes y evitar derrapes o adaptarle una geometría para un
funcionamiento articulado con rangos de movimientos, ya que toda esta información de
rangos se encuentra descrita dentro de la investigación.
Toda la información descrita, tiene impacto tanto para los sectores del área equina, como
un impacto social para quienes desean preservar la vida. Es por esto que el trabajo, la
investigación y las propuestas bajo la dirección de los especialistas que contribuyeron a
todo el desarrollo del diseño de una prótesis a nivel de propuesta, asegura llevar una buena
ruta o camino para poder evolucionar o crecer a futuro, y aunque aún no se logra tener de
manera visual una prótesis totalmente manufacturada, con los resultados de las pruebas
que se han realizado y con la información fundamentada, aportan la certeza de alcanzar
una prótesis funcional.
118
Anexo B: Fichas técnicas de material
119
120
121
122
Anexo C: Planos del prototipo propuesto.
