ANÁLISIS Y OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DE ELEMENTOS BIOMECÁNICOS

Abstract

El presente Trabajo de Fin de Grado (TFG) se centra en el diseño y fabricación de una prótesis transtibial mediante la aplicación de tecnologías avanzadas de fabricación aditiva (impresión 3D) y optimización topológica. La motivación del proyecto surge de la necesidad de crear soluciones médicas más accesibles, personalizadas y económicas para personas con amputaciones, superando las limitaciones de las prótesis convencionales, que suelen ser costosas, pesadas y poco adaptables a las necesidades específicas de los pacientes.

• Proceso de Desarrollo El proyecto comienza con la creación de un modelo digital en CAD basado en el escaneo de la pierna del paciente, lo que garantiza una personalización exacta y un ajuste perfecto. Este escaneo puede realizarse fácilmente utilizando un dispositivo móvil actualizado, lo que facilita la accesibilidad para los pacientes y reduce los costos de personalización.

A continuación, el modelo CAD se divide en dos partes: la tibia y el pie. Esta división permite optimizar de manera más eficiente cada parte por separado y facilita el proceso de fabricación aditiva. Posteriormente, se lleva a cabo un análisis de la optimización topológica para reducir el material empleado sin comprometer la resistencia estructural de la prótesis, lo que también ayuda a disminuir el peso total de la misma.

• Materiales y Fabricación

Para la fabricación de la prótesis, se han evaluado diversos materiales, siendo finalmente elegido el Nylon 12 por sus excelentes propiedades mecánicas y su compatibilidad con las impresoras 3D. El Nylon es un material más ligero y económico que los materiales convencionales utilizados en la fabricación de prótesis, lo que contribuye a reducir los costos de producción y aumentar el confort del usuario. Además, su flexibilidad y resistencia lo hacen ideal para soportar los esfuerzos diarios de una prótesis transtibial. La prótesis se imprime en una impresora 3D especializada en nylon y polímero, permitiendo la creación de geometrías complejas y la implementación de estructuras lattice, que optimizan la distribución del material, manteniendo la resistencia mientras se reduce el peso.

• Simulaciones y Ensayos

Una vez diseñado el modelo optimizado, se realizan simulaciones bajo condiciones de compresión y torsión para asegurar que la prótesis cumpla con los estándares de esfuerzo y deformación requeridos para su uso diario. Sin embargo, los ensayos físicos de compresión, torsión y fatiga quedan pendientes para futuras fases del proyecto, donde se validará el diseño final y su durabilidad en la vida real.

• Futuras Mejoras Debido a limitaciones de software, no ha sido posible implementar la optimización con estructuras lattice en nTop. No obstante, se contempla la posibilidad de incluir esta mejora en futuros estudios, lo que permitiría optimizar aún más la distribución de tensiones y aumentar la ligereza de la prótesis.

• Conclusión Este proyecto demuestra que, mediante el uso de impresión 3D y optimización topológica, es posible desarrollar prótesis transtibiales más accesibles, ligeras y económicas, ofreciendo una alternativa viable a las prótesis tradicionales. Al ser personalizables y adaptadas a las necesidades específicas de cada paciente, estas prótesis mejoran significativamente la calidad de vida de los usuarios, reduciendo tanto el peso como los costos de producción. Además, la combinación de estas tecnologías permite crear prótesis de una sola pieza, con mayor eficiencia y menor consumo de materiales.

This Final Degree Project (TFG) focuses on the design and manufacturing of a transtibial prosthesis through the application of advanced additive manufacturing technologies (3D printing) and topological optimization. The motivation for the project stems from the need to create more accessible, personalized, and cost-effective medical solutions for amputees, overcoming the limitations of conventional prostheses, which are often expensive, heavy, and not easily adaptable to the specific needs of individual patients.

• Development Process The project begins with the creation of a digital CAD model based on a scan of the patient's leg, ensuring exact personalization and a perfect fit. This scan can be easily carried out using an updated mobile device, which improves accessibility for patients and reduces customization costs. Next, the CAD model is divided into two parts: the tibia and the foot. This division allows for more efficient optimization of each part individually and facilitates the additive manufacturing process. Subsequently, a topological optimization analysis is performed to reduce the material used without compromising the structural integrity of the prosthesis, which also helps to decrease its overall weight.

• Materials and Manufacturin Several materials were evaluated for the fabrication of the prosthesis, with Nylon 12 being the final choice due to its excellent mechanical properties and compatibility with 3D printers. Nylon is a lighter and more economical material than those traditionally used in prosthetic manufacturing, contributing to reduced production costs and increased comfort for the user. Additionally, its flexibility and strength make it ideal for handling the daily stresses of a transtibial prosthesis The prosthesis is printed using a specialized 3D printer for nylon and polymers, allowing the creation of complex geometries and the implementation of lattice structures, which optimize material distribution, maintaining strength while reducing weight.

• Simulations and Testing Once the optimized model is designed, simulations under compression and torsion conditions are conducted to ensure the prosthesis meets the required stress and deformation standards for daily use. However, physical tests for compression, torsion, and fatigue are pending for future phases of the project, where the final design and its durability will be validated in real-world conditions.

• Future Improvements Due to software limitations, it was not possible to implement lattice structure optimization in nTop. However, future studies aim to include this improvement, which would further optimize stress distribution and increase the lightness of the prosthesis.

• Conclusion This project demonstrates that, through the use of 3D printing and topological optimization, it is possible to develop transtibial prostheses that are more accessible, lightweight, and cost-effective, offering a viable alternative to traditional prostheses. By being customizable and adapted to the specific needs of each patient, these prostheses significantly improve the users' quality of life, reducing both the weight and production costs. Additionally, the combination of these technologies allows for the creation of single-piece prostheses with greater efficiency and lower material consumption.