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Verifica e ottimizzazione strutturale di una protesi trans-tibiale in fibra di carbonio Laura Vergani*, Chiara Colombo, Daniele Bonacini

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Presentazione sul tema: "Verifica e ottimizzazione strutturale di una protesi trans-tibiale in fibra di carbonio Laura Vergani*, Chiara Colombo, Daniele Bonacini"— Transcript della presentazione:

1 Verifica e ottimizzazione strutturale di una protesi trans-tibiale in fibra di carbonio Laura Vergani*, Chiara Colombo, Daniele Bonacini

2 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini 2 Contesto scientifico di riferimento Solo in Italia ogni anno ci sono circa nuovi amputati di arto inferiore*, di cui l'80% dell'utenza sono anziani, il 10 % adulti vittime di incidenti sul lavoro e il 10% residuo sono giovani vittime di incidenti stradali. Per consentire il recupero di una condizione di vita accettabile, per uso quotidiano ma anche per uso sportivo, è indispensabile lutilizzo di protesi, che però hanno un costo molto elevato. E quindi importante sviluppare tecnologie che permettano di contenere i costi, pur producendo prodotti di qualità. * Fonte Fioto :Federazione italiani Tecnici Ortopedici

3 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini 3 Introduzione Oggetto del lavoro: Testing di un piede protesico da correre in fibra di carbonio Fornitore: Roadrunnerfoot Engineering srl Scopo del lavoro: verifica strutturale attraverso prove sperimentali statiche e di fatica allestimento di una procedura di prova semplice e sistematica omologazione delle protesi secondo normativa EN ISO 10328:2006 ottimizzazione della protesi attraverso una modellazione con metodo degli elementi finiti

4 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini 4 Caratteristiche principali Piede protesico ideato per amputazioni trans-tibiali e trans-femorali, presente in 4 classi a seconda del peso dellutente, del numero di scarpe e del livello di dinamicità con una versione più rigida e una più flessibile. Ogni piede di classe differente presenta una sua configurazione di montaggio che dipende dalla lunghezza dellarto del soggetto in quanto resta sempre costante il punto di fissaggio, collocato 10 cm al di sotto del cavo popliteo, corrispondente allorigine del tendine dachille. Caratteristiche principali di leggerezza, resistenza ed elasticità (capacità di accumulare e restituire energia elastica) legate ai materiali utilizzati (fibra di carbonio) Sezione di appoggio in corrispondenza dellavampiede dimensionata in riferimento allarto sano in modo da consentire unelevata stabilità per latleta e un equilibrio nella corsa tale da ottenere elevate prestazioni agonistiche

5 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini Caratteristiche principali La morfologia innovativa consente: di eliminare la componente resistente all'avanzamento durante il caricamento del piede, presente nei piedi in commercio, minimizzando lenergia spesa e quindi la fatica, e migliorando la performance dellatleta agonista di avere la funzionalità muscolo-tendinea del gruppo gastrocnemio-soleo-tendine dAchille grazie alla sua morfologia e alla posizione di attacco, garantendo una elasticità paragonabile a quella di un arto sano Fissaggio della protesi allarto: utilizzo di una staffa con completa aderenza della protesi punto di ancoraggio posteriore rispetto all'invaso in corrispondenza dellorigine del tendine dachille 5

6 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini Materiale del piede protesico La protesi è costituita da ununica lamina multi-strato di fibra di carbonio impregnata in una matrice di resina epossidica. Per valutare correttamente le caratteristiche meccaniche delle lamine, sono stati estratti dei campioni di materiale e condotte prove di trazione per valutare: E long = MPa E trasv = 6200 MPa ν = 0.55 Ogni singola lamina unidirezionale ha spessore 0.19 mm, dato verificato al microscopio ottico e mediato sullo spessore totale. Esternamente sono presenti due strati di tessuto 0- 90° con spessore totale 0.55 mm. 6

7 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini 7 Allestimento prove per i test statici (EN ISO 10328:2006) Prove statiche su protesi da corsa: Macchina di prova MTS Alliance RT/100 Prova statica in controllo di forza Velocità imposta alla traversa: 10 mm/min Campionamento dati condotto a frequenza 5 Hz Posizionamento e serraggio della protesi con staffa superiore opportunamente adattata Utilizzo di una staffa verticale allestremità inferiore della protesi per evitare che il provino perda in aderenza col supporto, slittando in avanti e provocando picchi anomali nei valori del carico

8 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini Esito prove sperimentali statiche Il piede protesico da correre non rientra nelle protesi ortopediche previste dalla Norma ISO perché non è un ausilio per deambulare, ma un ausilio sportivo. La normativa prevede un carico massimo a compressione di 3360 N che viene applicato al piede: infatti secondo le acquisizioni cineto-dinamiche della corsa di soggetti amputati e normali è emerso che larto protesico scarica al terreno una forza verticale di N, mentre larto sano arriva a 3000 N e nel caso di atleti normodotati di alto livello arriva a 3200 N perciò è corretto il carico di test applicato. La prova è stata condotta superando ampiamente tale valore, senza rottura della protesi. Lesito della prova statica risulta quindi positivo. ProvinoCarico raggiunto [kN]Spostamento [mm]Esito prova Positivo Positivo Positivo Rottura 8

9 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini 9 Esito prove sperimentali statiche Prova statica sulla protesi: controllo spostamento e montaggio estensimetri Estensimetri: posizionati a 400 (A) e 300 (B) mm (coordinate curvilinee) dallestremità della protesi A B

10 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini 10 Cilindro idraulico attuatore con cella di carico Allestimento prove per i test dinamici (EN ISO 10328:2006) Staffe di bloccaggio Protesi testata

11 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini 11 Allestimento prove per i test dinamici (EN ISO 10328:2006) Prova di fatica in controllo di forza: da 0 a N Frequenza di prova: 0.5 Hz Campionamento dati condotto a frequenza 100 Hz, ogni s Numero di cicli condotti: (la condizione di esercizio prevede N per un numero di cicli pari a circa 3 h di allenamento quotidiano per tutto lanno, al termine del quale la protesi va sostituita, perché non garantisce più le stesse prestazioni) La prova dinamica è stata superata con esito positivo.

12 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini Esito prove sperimentali dinamiche Osservazioni: = rottura viti serraggio abbassamento protesi da 40 a 70 mm tratto centrale della prova con abbassamento fino 90 mm: ingrassaggio della zona di appoggio della protesi 12

13 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini Modellazione FEM Modello FEM: caratteristiche: Geometria attuale: acquisizione con tastatore Materiale: Lamine in fibra di carbonio: caratteristiche ottenute da prove sperimentali Tessuto: valori da letteratura E long = MPa E trasv = 6500 MPa ν = 0.07 Carico: F applicata a un RP con inclinazione secondo normativa valore di riferimento: 3000 N Vincoli: contatto su piastra rigida orizzontale vincoli per piastra rigida verticale Elementi: shell quadratici, 8 nodi, 5 dof, integrazione ridotta 13 LaminaTessuto E 1 (GPa) E 2 (GPa) G 12 (GPa) G 13 (GPa) G 23 (GPa)

14 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini Modellazione FEM Divisione del modello in 5 e 6 parti: sequenza di laminazione (dallattacco alla punta): 14 5 parti6 parti N° elementi Spostamento (mm) Variazione0.05%0.71% Modello a 6 parti: cm,46 lamine cm,43 lamine cm,34 lamine cm,30 lamine cm,28 lamine cm,22 lamine Modello a 5 parti: cm,40 lamine cm,36 lamine cm,32 lamine cm,25 lamine cm,22 lamine E possibile adottare la mesh con il numero minore di elementi, alleggerendo lanalisi.

15 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini Risultati e confronti Confronto dellabbassamento della protesi (RP): 15 Spostamento [mm] Forza [N]

16 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini Risultati e confronti Confronto delle deformazioni: Forza [N] Deformazione [%] Estensimetro A: Sperimentale Numerico 5 parti Numerico 6 parti Estensimetro B: Sperimentale Numerico 5 parti Numerico 6 parti 16

17 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini 17 Influenza del materiale Per valutare linfluenza delle proprietà del materiale sul comportamento della protesi sono state effettuate alcune simulazioni variando una caratteristica alla volta delle lamine unidirezionali Valore iniziale Valori stimati 5 parti6 parti U (mm) E 1 (GPa) E 2 (GPa) G 12 (GPa) Il parametro più importante è sicuramente E 1

18 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini 18 Influenza dello spessore (lamina) Variando progressivamente il numero di lamine unidirezionali, in una sola delle partizioni alla volta, è possibile valutare linfluenza della laminazione (e quindi dello spessore) sulla rigidezza della protesi

19 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini 19 Influenza della laminazione (tessuto) Spess. Tex (mm) 5 parti6 parti U (mm) In seguito sono state eseguite altre due analisi: 1.senza il tessuto; 2.senza il tessuto, ma con un numero di lamine UD sufficienti a mantenere lo spessore iniziale della protesi. 5 parti6 parti U (mm) Senza Tex Senza Tex + 5 UD E decisamente più importante il contributo alla rigidità delle lamine UD rispetto a quelle di tessuto 0/90 Innanzitutto è stata indagata linfluenza dello spessore del tessuto 0/90, ponendolo uguale a 0.35 e 0.75 mm su ogni lato

20 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini 20 Conclusioni In questo lavoro sono state proposte le verifiche strutturali di un piede protesico per corsa agonistica per atleti disabili, costruita di materiale composito in fibra di carbonio. In parallelo sono state condotte simulazioni agli elementi finiti per valutare i parametri significativi per un eventuale miglioramento della stessa. Dalle prove effettuate si sono tratte le seguenti conclusioni: La protesi da corsa è stata testata staticamente con una macchina di prova, applicando una forza di compressione in corrispondenza dellattacco. A fatica la protesi è stata sollecitata con una forza di compressione da normativa. Tutti i campioni testati hanno risposto adeguatamente alle sollecitazioni imposte e sono quindi stati omologati secondo normativa. Le prove sono state superate con carico nelle condizioni più gravose possibili proposte dalla normativa vigente. Dal confronto tra la simulazione agli elementi finiti e le prove sperimentali è stato possibile validare il modello e valutare linfluenza dei parametri significativi. In particolare il valore di E nella direzione delle fibre e lo spessore delle lamine hanno grande influenza sullabbassamento e rigidità della protesi, parametro significativo per latleta.

21 L. Vergani, C. Colombo, D. Bonacini Sviluppi futuri In futuro si potranno effettuare anche ulteriori analisi agli elementi finiti, sempre al fine di individuare linfluenza delle diverse variabili in gioco sul comportamento della protesi: simulazione di una corsa (F che si sposta lungo la coordinata curvilinea del piede protesico) variazione del lay-up, con variazione degli angoli di deposizione delle lamine unidirezionali variazione della curvatura della protesi 21


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