Diseño y prototipado de pie prostético de almacenamiento y retorno de energía ESAR para amputados transtibiales colombianos por manufactura aditiva

Abstract

Actualmente, la demanda de pies prostéticos en Colombia asciende a aproximadamente 5000 unidades anuales. Este trabajo se propone el diseño de un pie prostético de almacenamiento y retorno de energía, tipo ESAR (Energy Storage And Return), para amputados transtibiales. Investigaciones previas indican que este tipo de prótesis mejora la simetría de los pasos y reduce la disipación de energía en la transición de paso a paso en comparación con los pies prostéticos de talón suave, tipo SACH (Solid Ankle Cushioned Heel). La propuesta utiliza tecnología y materiales fácilmente accesibles en Colombia, lo que no solo brinda comodidad a los usuarios, sino también impulsa el desarrollo tecnológico del país. Este proyecto es de relevancia, ya que tiene un impacto directo en la calidad de vida de las personas que han experimentado la amputación de sus miembros inferiores. La implementación de esta prótesis les permitirá recuperar a colombianos con amputación transtibial parte de su independencia, superando las limitaciones de algunas opciones disponibles en el mercado local con comportamiento semejante al pie prostético SACH. El enfoque de investigación abarca el diseño y prototipado del ESAR, centrado en amputados transtibiales en Colombia, empleando técnicas de manufactura aditiva. El proceso se inicia con la definición de especificaciones de los usuarios para traducir posteriormente los resultados en especificaciones de ingeniería utilizando la metodología de la Casa de la Calidad. A partir de un estudio del estado del arte, se generan conceptos que son evaluados y elegidos bajo criterios de factibilidad y capacidad de los diseños conceptuales de cumplir con criterios alineados con el objetivo general de este proyecto. La elección del material se basa en la restricción de manufactura mediante deposición fundida (FDM), optando por materiales locales que ofrecen óptimas propiedades para la fabricación, incluyendo capacidad de memoria de forma y resistencia a esfuerzos. Luego, se lleva a cabo un diseño de experimentos para evaluar las dos condiciones críticas de esfuerzo en el pie prostético. Durante estas pruebas, se implementan modificaciones en el material y la forma, y se realizan análisis por elementos finitos para simular las condiciones de esfuerzo reales. Se opta por el diseño que muestra un rendimiento adecuado en ambas situaciones simuladas. Finalmente, con el diseño seleccionado, se procede a la fabricación del prototipo en una empresa local. Al mismo tiempo, se describe un método de caracterización mecánica que concuerda con las simulaciones, permitiendo la evaluación de las propiedades reales del prototipo y determinando su grado de seguridad para su uso en personas con amputación. El resultado es un prototipo de pie prostético que cumple con los estándares promedio de amputados transtibiales en Colombia, fabricado mediante impresión 3D y con un nivel de seguridad teórico comparado con prótesis de países en desarrollo fabricadas en plástico, como la prótesis Niagara, que ha demostrado un buen desempeño. (Texto tomado de la fuente)

Currently, the demand for prosthetic feet in Colombia is approximately 5000 units per year. This work aims to design a prosthetic foot with energy storage and return capabilities, ESAR (Energy Storage And Return), for transtibial amputees. Previous research indicates that this type of prosthesis improves step symmetry and reduces energy dissipation during the step-to-step transition compared to soft heel prosthetic feet, such as SACH (Solid Ankle Cushioned Heel). The proposal utilizes technology and materials readily available in Colombia, not only providing comfort to users but also driving the technological development of the country. This project is of great relevance as it has a direct impact on the quality of life for individuals who have experienced lower limb amputation. Implementing this prosthesis will allow Colombian transtibial amputees to regain some of their independence, overcoming the limitations of some options available in the local market that behave similarly to the SACH prosthetic foot. The research approach encompasses the design and prototyping of the ESAR, focused on transtibial amputees in Colombia, using additive manufacturing techniques. The process begins with defining user specifications, which are then translated into engineering specifications using the Quality Function Deployment (QFD) methodology. Based on a state-of-the-art study, concepts are generated and evaluated, selecting those that meet feasibility and design capacity criteria aligned with the overall objective of this project. The choice of material is based on the manufacturing constraint using Fused Deposition Modeling (FDM), opting for local materials that offer optimal properties for fabrication, including shape memory capability and resistance to stress. Subsequently, a design of experiments is conducted to evaluate the two critical stress conditions on the prosthetic foot. During these tests, modifications to the material and shape are implemented, and finite element analyses are performed to simulate real stress conditions. The design that demonstrates adequate performance in both simulated situations is chosen. Finally, with the selected design, the prototype is manufactured by a local company. At the same time, a mechanical characterization method is described that aligns with the simulations, allowing for the evaluation of the actual properties of the prototype and determining its safety level for use by individuals with amputation. The result is a prosthetic foot prototype that meets the average standards for transtibial amputees in Colombia, manufactured through 3D printing, and with a theoretical safety level comparable to prostheses from developing countries made of plastic, such as the Niagara prosthesis, which has shown good performance.