construcción de un prototipo final de pie para prótesis transfemoral

CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO FINAL DE PIE PARA PRÓTESIS
TRANSFEMORAL
AIDE MERCEDES ESPEJO MORA
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE
INGENIERÍA DE DISEÑO & AUTOMATIZACIÓN ELECTRÓNICA
BOGOTÁ, D.C.
2007
CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO FINAL DE PIE PARA PRÓTESIS
TRANSFEMORAL
AIDE MERCEDES ESPEJO MORA
Trabajo de grado para optar por el título de
Ingeniera de Diseño y Automatización electrónica
Director de Proyecto
PEDRO FERNANDO MARTÍN
M. SC., Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE
INGENIERÍA DE DISEÑO & AUTOMATIZACIÓN ELECTRÓNICA
BOGOTÁ, D.C.
2007
Nota de aceptación
______________________
______________________
______________________
______________________
Director
_____________________
Jurado
_____________________
Jurado
Bogotá D.C., Enero del 2007
A mis padres Nubia Mora y Alfonso Espejo
por su esfuerzo y dedicación, a mi hermano
Edgar Espejo por su colaboración y a mis
amigos por su apoyo incondicional.
AGRADECIMIENTOS
Al ingeniero Pedro Fernando Martín Gómez, director de éste proyecto por
su colaboración, dedicación y valiosos aportes en el desarrollo del presente
trabajo.
Al ingeniero Carlos Ruiz, gerente de Polímeros Fraktal, por su disposición y
colaboración en la realización de las partes de la prótesis de pie.
Al ingeniero Edgar Espejo, por su colaboración en las pruebas de los
materiales de construcción de la prótesis de pie.
A quienes hicieron posible la realización de este proyecto.
CONTENIDO
GLOSARIO
INTRODUCCIÓN
1. ANTECEDENTES
2. JUSTIFICACIÓN
3. OBJETIVOS
3.1. OBJETIVO GENERAL
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
4. ASPECTOS A RESCATAR
4.1. IDENTIFICACIÓN DEL GRUPO OBJETIVO
4.2. RANGO DE MOVIMIENTOS DEL TOBILLO
4.3. MARCHA NORMAL
5. PRÓTESIS DE PIE
5.1. TIPOS DE PRÓTESIS DE PIE
5.1.1. Prótesis parciales de pie
5.1.2. Prótesis de pie uniaxial (Single Axis)
5.1.3. Prótesis de pie de eje múltiple (Multiple Axis)
5.1.4. Prótesis de pie Sach (Solid Ankle Cushion Heel)
5.1.5. Prótesis de pie Syme
5.2. FABRICACIÓN DE PRÓTESIS EN EL PAÍS
5.2.1. Procesos de fabricación
6. DISEÑO DE LA PRÓTESIS DE PIE
6.1. ACOPLE
6.2. TALÓN
6.3. PLANTA
6.4. ANÁLISIS DE FUERZAS EN LAS PARTES DE LA PRÓTESIS DE
PIE
7. PROTOTIPO DE PRÓTESIS DE PIE EN YESO
7.1. PROTOTIPADO RÁPIDO
7.2. MATERIAL SELECCIONADO
7.2.1. Prueba de flexión
7.3. ANÁLISIS DE LA PRÓTESIS DE PIE PARA EL MATERIAL EN
POLVO DE YESO POR ELEMENTOS FINITOS
7.4. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN POR PROTOTIPADO RÁPIDO
7.4.1. Contracción de las piezas
8. MATERIALES
8.1. PROPIEDADES COMUNES DE LOS PLÁSTICOS
8.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES PLÁSTICOS
8.2.1. Materiales termoplásticos
8.2.2. Materiales termoestables
8.3. COMBINANDO CUALIDADES
8.4. ELECCIÓN DEL MATERIAL PARA EL PROTOTIPO FINAL DE LA
PRÓTESIS DE PIE
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8.4.1. Poliuretano rígido (PUR)
8.4.1.1. Propiedades y ventajas
8.4.1.2. Características del poliuretano
9. PROCESOS DE FABRICACIÓN
9.1. ORIGENES DE LA FUNDICIÓN
9.1.1. Acabado
9.1.1.1. Dorado
9.1.1.2. Bruñido
9.1.1.3. Pulido
9.2. FUNDICIÓN DE PRECISIÓN O FUNDICIÓN A LA CERA
PERDIDA
9.3. TIPOS DE MOLDES
9.3.1. Molde desechable
9.3.1.1. Molde de arena
9.3.1.2. Molde de cera
9.3.2. Molde permanente
9.3.2.1. Molde hueco
9.3.2.2. Molde de yeso
9.3.2.3. Molde flexible
9.3.2.3.1. Molde de látex
9.3.2.3.2. Molde de hule de silicón
9.3.3. Fabricación de los moldes
9.3.3.1. Arranque de viruta
9.3.3.2. Troquelado o estampado
9.3.3.3. Electroerosionado
9.3.3.4. Vaciado o colada
9.4. RENTABILIDAD DEL PROCESO
9.5. MOLDEABILIDAD
9.5.1. Líneas de partición
9.5.2. Contracción
9.5.3. Simplificación del modelo
9.5.4. Tolerancia en artículos moldeados
9.5.4.1. Rectitud
9.5.4.2. Planitud
9.5.4.3. Radios
9.5.4.4. Concentricidad
9.5.4.5. Secciones paralelas
9.5.4.6. Grosores
9.5.5. Alabeado
9.5.6. Conicidad de desmoldeo
9.5.7. Espesor de pared
9.5.8. Tensiones internas
9.5.9. Rebordes redondeados
9.5.10. Cantos vivos externos
9.5.11. Mecanización de las partes
9.5.12. Filetes y roscas
9.5.13. Inserciones y piezas de unión
9.5.14. Acabado superficial
10. FABRICACIÓN DEL PROTOTIPO FINAL DE LA PRÓTESIS DE
PIE POR MEDIO DE VACIADO
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10.1. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS DE LA PRÓTESIS DE
PIE CONSTRUIDA EN POLIURETANO COMPACTO
10.2. PROBETAS PARA PRUEBAS DE TENSIÓN
10.2.1. Pruebas de tensión
11. METODOGÍA PARA EL ENSAYO Y COMPROBACIÓN DEL
FUNCIONAMIENTO DE LA PRÓTESIS DE PIE
12. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFÍA
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Movimiento flexión-extensión del tobillo
Figura 2. Movimiento inversión-eversión del tobillo
Figura 3. Ciclo de marcha normal
Figura 4. Prótesis de pie con tobillo uniaxial
Figura 5. Prótesis de pie de eje múltiple
Figura 6. Prótesis de pie Sach
Figura 7. Prótesis Syme
Figura 8. Procesos de fabricación de prótesis
Figura 9. Positivo del molde de pie en yeso
Figura 10. Acoples tipo pirámide
Figura 11. Diseño de acople piramidal para prótesis de pie
Figura 12. Diseño de talón para prótesis de pie
Figura 13. Diseño de planta para prótesis de pie
Figura 14. Vista isométrica de la prótesis de pie diseñada
Figura 15. Análisis de fuerzas para el talón
Figura 16. Análisis de fuerzas para la planta
Figura 17. Distribución de esfuerzos en el acople
Figura 18. Distribución de esfuerzos en el talón
Figura 19. Distribución de esfuerzos en la planta
Figura 20. Piezas para ser llevadas a la unidad de limpieza y
extracción de polvo.
Figura 21. Proceso de infiltrado
Figura 22. Prototipo terminado en yeso
Figura 23. Estructura lineal y ramificada
Figura 24. Estructura de un polímero entrecruzado
Figura 25. Procesos de fabricación de los plásticos
Figura 26. Enlace uretano
Figura 27. Escala de dureza del poliuretano
Figura 28. Piezas realizadas por fundición a la cera perdida
Figura 29. Collares elaborados por fundición a la cera perdida
Figura 30. Pasos en la fundición a la cera perdida
Figura 31. Pasos en la fundición en molde permanente
Figura 32. Modelo de la pieza
Figura 33. Tolerancias de radios
Figura 34. Piezas en yeso
Figura 35. Montaje del modelo de la planta
Figura 36. Desmoldante
Figura 37. Caja de moldeo
Figura 38. Caja de moldeo y recubrimiento de bordes
Figura 39. Vaciado del poliuretano
Figura 40. Culminación del vaciado
Figura 41. Molde de la planta
Figura 42. Molde y pieza final del tobillo
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Figura 43. Molde y piezas finales del acople
Figura 44. Desmoldante en los moldes de la planta
Figura 45. Vaciado de la pieza final de la planta
Figura 46. Desmoldeo de pieza final planta
Figura 47. Pieza final de la planta sin acabados
Figura 48. Pieza final de la planta
Figura 49. Moldes de las partes de la prótesis de pie
Figura 50. Piezas finales de la prótesis de pie
Figura 51. Acabados de las pieza finales
Figura 52. Ensamble del conjunto de la prótesis de pie
Figura 53. Acople, buje y extensión
Figura 54. Prótesis de pie con extensión
Figura 55. Conjunto final de prótesis socket y pie
Figura 56. Esfuerzos del acople en poliuretano
Figura 57. Esfuerzos en el tobillo en poliuretano
Figura 58. Esfuerzos en la planta en poliuretano
Figura 59. Probetas para pruebas de tensión
Figura 60. Probetas realizadas
Figura 61. Máquina para pruebas de tensión
Figura 62. Montaje de probeta e indicador de carga
Figura 63. Longitud final de las probetas
Figura 64. Tipo de fractura
Figura 65. Sistema de coordenadas con planos de referencia
Figura 66. Puntos de aplicación y referencia de la carga
Figura 67. Tamaño del pie
Figura 68. Línea central efectiva del tobillo
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Duración del ciclo de marcha
Tabla 2. Densidad, conductividad térmica y eléctrica de diferentes
materiales
Tabla 3. Ventajas del poliuretano frente a otros materiales
Tabla 4. Características del poliuretano
Tabla 5. Tolerancias de rectitud
Tabla 6. Tolerancias de planitud
Tabla 7. Tolerancias para secciones paralelas
Tabla 8. Tolerancias para el grosor de las paredes
Tabla 9. Dimensiones de las probetas de tracción corrientemente
utilizadas
Tabla 10. Medidas de las probetas utilizadas
Tabla 11. Resultados de carga
Tabla 12. Resultados de fluencia
Tabla 13. Elongación de las probetas
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LISTA DE ANEXOS
Anexo 1. Probetas
Anexo 2. Conjunto de prótesis de pie
Talón
Encaje
Buje
Anexo 3. Cartas tecnológicas de fabricación
Anexo 4. Costos de fabricación
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GLOSARIO
COMPÓSITOS Ó COMPUESTOS: es cualquier material constituido por más de
un componente. El concreto es un compósito. Está formado por cemento, grava
y arena, y a menudo contiene bastones de acero en su interior para refuerzo.
COPOLIMEROS EN BLOQUE: un copolímero es un polímero constituido por
más de una clase de monómero. Un copolímero en bloque es un copolímero en
el cual los monómeros se encuentran separados en largas secciones de la
cadena polimérica principal.
ESCALAMIENTO ISOTRÓPICO: El software utilizado en la impresora 3D que
realiza el prototipado rápido, realiza un ajuste a las dimensiones de las piezas
para contrarrestar el efecto de contracción del material después de fabricadas
las piezas.
ESCAYOLA: Yeso calcinado en polvo de gran finura que permite un acabado
de elevada blancura y perfección.
FRAGUAR: Endurecer consistentemente como por ejemplo el yeso, el metal
fundido, etc.
INFILTRANTE: Sustancia a base de uretano utilizada para dar dureza a la
pieza después de construida.
ISOCIANATO: Los isocianatos son compuestos químicos que contienen el
grupo funcional R-N=C=O.
MODELO: Pieza original que se desea reproducir, difiere de las piezas
terminadas ya que las dimensiones se aumentan para tener en cuenta la
contracción que presenta el material en el que se esta trabajando.
MOLDE: Un molde es una impresión negativa tomada de un modelo (similar al
negativo de una foto). El objetivo al hacer el molde es reproducir un modelo lo
más parecido posible al original.
POLIOL: se denomina poliol a los alcoholes que tienen más de un grupo
hidroxilo.
TUMBAGA: Aleación de oro y cobre.
13
VACIADO: el vaciado hace referencia al llenado de un molde mediante la
gravedad, vertiendo la mezcla en el molde y permitiendo el endurecimiento sin
aplicar presión externa. Puede o no aplicarse calor antes o después de verter el
plástico.
14
INTRODUCCIÓN
Este proyecto forma parte del proyecto de investigación del grupo de
investigación en bioingeniería de la Facultad de Ingeniería de Diseño y
Automatización Electrónica; cuyo objetivo es construir una prótesis para
miembro inferior con amputación por encima de la rodilla.
Una prótesis transfemoral, o con amputación por encima de la rodilla se puede
dividir en tres grandes partes o módulos, el socket, la rodilla y el pie. En éste
trabajo se presentará la construcción del prototipo final de la prótesis de pie
basado en el diseño, análisis de ingeniería y construcción por prototipado
rápido, de las piezas componentes del pie, realizado por estudiantes de la
Facultad como proyectos de tesis de grado pertenecientes al grupo de
investigación de bioingeniería.
La fabricación en Colombia de prótesis para pie se limita a una prótesis de
comportamiento normal con quilla en el talón que facilita el amortiguamiento, en
Colombia las prótesis de pie no han sido evolucionadas ni trabajadas para
competir con prótesis importadas de otros países. Es por esta razón que con
este trabajo se busca indagar y proponer sobre los procesos de fabricación y
los materiales de prótesis viables para contribuir a los discapacitados con bajos
recursos y al desarrollo de este tipo de implementos en el país.
15
1. ANTECEDENTES
La fabricación de prótesis se ha convertido en una ciencia en los últimos años,
y han generado una gran demanda como resultado del enorme número de
amputaciones producidas en nuestro país. Por diferentes causas las prótesis
para los miembros inferiores pueden presentar articulaciones en la rodilla o el
tobillo para simular un paso natural, los materiales empleados buscan obtener
una articulación de muy bajo coeficiente de fricción; se utilizan metales muy
pulidos (acero inoxidable especial, aleación de cromo-cobalto-molibdeno o
aleación de titanio) y un polímero plástico (polietileno) de muy alta densidad.
Las prótesis de recuperación de energía permiten, incluso, correr y practicar
deportes al amputado por debajo de la rodilla sin diferencias respecto al
deportista sano.
La fabricación de prótesis de miembro inferior ha ido variando con el tiempo, en
función del descubrimiento de nuevos materiales, más resistentes, más livianos
y más simples de manipular para la elaboración de la prótesis lo cual
contribuye a una mayor eficiencia de la misma y comodidad para el paciente.
En Colombia varias universidades tienen proyectos de grado basados en el
diseño y construcción de prótesis para miembros inferiores y otras partes del
cuerpo como en la UNIVERSIDAD DE LOS ANDES donde se han desarrollado
dos proyectos relacionados con prótesis para miembro inferior1. El primer
proyecto trata de una prótesis de pie articulada en el tobillo que puede ser
fabricada en Colombia con un diseño centrado en la anatomía de pies
normales. El segundo proyecto, consiste en implementar y evaluar un prototipo
ASCENCIO, Oscar Y GÓMEZ, Diego. Diseño y Modelamiento de Pie para Prótesis de
Miembro Inferior Adaptable a Prótesis Comerciales o Estándares con Sistema de
Amortiguación. Bogotá,
2004, 219 p. Trabajo de grado (Ingeniero de Diseño y
Automatización Electrónica). Universidad de La Salle. Facultad de Ingeniería de Diseño y
Automatización Electrónica. Área de Bioingeniería. P. 18
1
16
de control de la fase de oscilación de la marcha del discapacitado transfemoral,
incorporando el mecanismo articulado de la rodilla. Además, en la universidad
Nacional de Colombia en las Facultades de Medicina y de Ingeniería Mecánica,
la escuela Colombiana de Ingeniería, la Universidad Militar Nueva Granada, y
en la Universidad Central entre otras, se han desarrollado otros proyectos del
área de Bioingeniería relacionados con prótesis.
En la Universidad de La Salle, dentro de la Facultad de Ingeniería de Diseño y
Automatización Electrónica, se han desarrollado dos proyectos de Investigación
en el Grupo de Bioingeniería: El primero, titulado: “Estudio y análisis de una
metodología para el análisis de marcha Humana”2 y “Aplicación de Nuevos
Materiales en el Diseño de una Prótesis para Miembro Inferior con Amputación
por Encima de la Rodilla”3.
El proyecto Aplicación de Nuevos Materiales en el Diseño de una Prótesis para
Miembro Inferior con Amputación por Encima de la Rodilla, utiliza materiales
con memoria de forma controlados electrónicamente para el desarrollo de una
prótesis transfemoral. Las partes de la prótesis diseñada se lograron por medio
de las tecnologías de asistencia por computador CAD/CAM/CAE, para una
mayor precisión y funcionalidad. De esa forma, se diseñaron cada una de las
partes componente de la prótesis (socket, rodilla y pie) con su sistema de
control independiente, pensando en la modularidad. Se construyó un prototipo
en yeso de la prótesis de pie, por medio de prototipado rápido, en donde, a
partir de estas piezas se obtendrán los moldes de fabricación para las piezas
finales lo cual hace parte del presente proyecto.
Este proyecto de grado comprende parte de la construcción de la prótesis,
diseñada en el proyecto de grado “Diseño y Modelamiento de pie, para
2
RANGEL, Jorge et al. Estudio y análisis de una metodología para el análisis de marcha
Humana. Bogotá, 2006. Proyecto de investigación. Universidad de La Salle. Facultad de
Ingeniería de Diseño y Automatización Electrónica.
3
MARTIN, Pedro et al. Aplicación de Nuevos Materiales en el Diseño de una Prótesis para
Miembro Inferior con Amputación por Encima de la Rodilla. Bogotá, 2006. Proyecto de
investigación. Universidad de La Salle. Facultad de Ingeniería de Diseño y Automatización
Electrónica.
17
prótesis de miembro inferior adaptable a prótesis comerciales o estándares
con sistema de amortiguación”4, ya que se pretende construir el prototipo final
a partir de los prototipos preliminares de las partes del pie realizadas en el
proyecto de grado titulado “Construcción de un prototipo de pie para prótesis
transfemoral con sistema de control electrónico de amortiguación5”.
4
ASCENCIO Op. cit.
FRANCO, Carolina y ORTIZ, Alvaro. Construcción de un Prototipo de pie para Prótesis
Transfemoral con Sistema de Control Electrónico de Amortiguación. Bogotá, 2005, 94 p.
Trabajo de grado (Ingeniero de Diseño y Automatización Electrónica). Universidad de La Salle.
Facultad de Ingeniería de Diseño y Automatización Electrónica. Área de Bioingeniería.
5
18
2. JUSTIFICACIÓN
Debido a la situación que enfrenta el país, son mas frecuentes las personas
que quedan discapacitadas por diferentes causas y, como consecuencia con la
perdida de algunos de sus miembros. A dichas personas les es muy
complicado seguir una vida normal, debido a que en Colombia el desarrollo de
prótesis no se encuentra en un alto nivel y el factor económico es bastante alto,
ya que las prótesis activas son demasiado costosas y las fabricadas aquí en
nuestro país son prótesis demasiado pesadas y poco cómodas.
En Colombia, hay instituciones que fabrican prótesis y que proporcionan
servicios para víctimas de minas terrestres y otras víctimas de la violencia. Una
de ellas es el CIREC (Centro Integral de Rehabilitación de Colombia) con sede
en Bogotá, la cual produce aproximadamente unas 500 prótesis para miembros
inferiores y cerca de 3000 elementos ortopédicos cada año.
En la fabricación de prótesis de pie la mayoría de instituciones desarrolla
prótesis que van desde el número 12 al 28, si el número requerido es mayor
este se importa desde países como, Estados Unidos y Alemania entre otros.
Las prótesis que son importadas pueden llegar a superar los 20 mil dólares, lo
cual las hacen inasequibles a la población de bajos recursos.
Este
proyecto
pretende
continuar
con
una
investigación
tecnológica
encaminada a diseñar y construir una prótesis para miembro inferior con
amputación por encima de la rodilla. En particular se trata de construir el pie a
partir de los modelos realizados anteriormente en yeso, mediante el proceso de
fabricación por prototipado rápido. Se hace necesario llevar a cabo la
construcción de los prototipos definitivos como culminación del proceso de
diseño y construcción para ensamblar y probar primero el funcionamiento
mecánico de las partes, e integrar y probar después, los sistemas electrónicos
19
de control desarrollados como parte final de construcción y puesta a punto de
la misma.
20
3. OBJETIVOS
3.1. OBJETIVO GENERAL
Construir el prototipo final de las partes del pie previamente diseñado, a partir
de los modelos preliminares en yeso desarrollados por prototipado rápido.
3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
•
Estudiar y seleccionar los materiales y procesos de fabricación
apropiados para la construcción de cada una de las partes del prototipo
de pie para la prótesis diseñada.
•
Desarrollar y construir los moldes necesarios para la fabricación de las
partes de geometría irregular.
•
Construir los prototipos finales de las piezas a partir de los moldes
definitivos desarrollados.
•
Llevar a cabo los procesos de acabado, mecanizado y ajuste
necesarios, para el montaje apropiado de las partes componentes del
pie.
•
Ensamblar y ajustar las partes componentes del pie verificando que
cumplan con los requisitos de diseño establecidos en el modelamiento
del mismo.
•
Desarrollar una metodología para el ensayo y comprobación del
funcionamiento mecánico del pie.
21
4. ASPECTOS A RESCATAR
4.1. IDENTIFICACIÓN DEL GRUPO OBJETIVO
Después de un estudio antropométrico del pie realizado anteriormente6 se
definieron las características que debe tener el grupo objetivo el cual está
conformado por hombres o mujeres entre 15 y 25 años de edad, ya que la
amputación efectuada en un individuo cuyo crecimiento óseo no ha finalizado
conduce a ciertas alteraciones de la forma y estructura interna de los huesos
largos y esqueleto axial. La altura promedio será entre 1.60 y 1.75 m. y el peso
promedio a trabajar será entre 65 y 80 Kg. Así mismo, el usuario debe realizar
actividad moderada y el medio ambiente de desempeño será un clima
templado, donde no tenga contacto continuo con elementos como arena, tierra
o agua, para una adecuación eléctrica y mecánica favorable.
4.2. RANGO DE MOVIMIENTOS DEL TOBILLO
El movimiento del tobillo se produce principalmente en el plano sagital y se
describe como flexión plantar (flexión) y flexión dorsal (extensión). Las
mediciones radiográficas muestran un movimiento normal de 10º a 20º de
flexión dorsal y de 40º a 55º de flexión plantar.
En el contacto del talón, el tobillo está en una ligera flexión plantar. Esta flexión
plantar incrementa hasta el pie plano, pero el movimiento rápidamente se
invierte hacia la flexión dorsal durante la mitad de la fase portante a medida
6
ASCENCIO Op. cit., p. 20-40
22
que el cuerpo sobrepasa el pie. El movimiento vuelve de nuevo a la flexión
plantar con el despegue de dedos. El tobillo se flexiona dorsalmente de nuevo
en la mitad de la fase oscilante y cambia a una ligera flexión plantar en el
contacto con el talón. En la figura 1 se puede ver el movimiento de dorsiflexión
y flexión plantar.
Figura 1. Movimiento flexión-extensión del tobillo7
La aducción y abducción se dan alrededor del eje sagital de la pierna. Aducción
es cuando la punta del pie se lleva hacia adentro, y la abducción es cuando la
punta del pie se lleva hacia fuera.
La amplitud de ambos movimientos es de 35º - 45º y se realiza a nivel de
articulación de Chopart ayudado por los movimientos de rotación de la rodilla
cuando está en flexión.
Los movimientos de aducción y abducción no existen por si solos requieren de:
Supinación: el pie gira de tal manera que la planta se orienta hacia dentro.
Pronación: el pie gira de tal manera que la planta del pie se orienta hacia fuera.
La aducción acompañada de supinación y una ligera flexión plantar se
denomina inversión. La abducción acompañada de pronación y una ligera
flexión dorsal se denomina eversión (figura 2).
7
Tomado de http://www.uv.es/grupo13f/tobillo.htm
23
Figura 2. Movimiento inversión-eversión del tobillo8
4.3. MARCHA NORMAL9
El ciclo de la marcha humana comienza cuando el pie hace contacto con el
suelo y termina con un siguiente contacto al suelo de este mismo pie. Se
encuentran dos componentes importantes dentro de la marcha que son: la fase
de apoyo y la de balanceo. Y como se puede observar en la figura 3, la marcha
esta en fase de apoyo cuando el pie esta en contacto con el suelo y en
balanceo cuando no esta en contacto con el suelo.
En la Tabla 1 se puede observar la cantidad relativa de tiempo que se emplea
en cada fase del ciclo de la marcha a una velocidad normal.
Tabla 1. Duración del ciclo de marcha10.
Fase de apoyo
50% del ciclo
Fase de balanceo
30% del ciclo
Doble apoyo
20% del ciclo
Si se aumenta la velocidad de la marcha, se aumenta el tiempo empleado en la
fase de balanceo y si se disminuye la velocidad, se presenta una relativa
disminución del tiempo de balanceo. Además, el doble apoyo disminuye en
duración cada vez que la velocidad aumenta, es decir que se debe tener en
8
Ibid.
Ibid., p. 60-62
10
ASCENCIO Op. cit. p. 61.
9
24
cuenta que la cantidad percentil empleada por el doble apoyo depende en gran
parte de la velocidad de la marcha.
Figura 3. Ciclo de la marcha normal11
En la marcha se pueden ver cinco momentos al subdividir la fase de apoyo, y
estos son:
•
Contacto del talón: se refiere al instante en el que el talón de la pierna
referenciada toca el suelo.
•
Apoyo Plantar: se refiere al contacto de la parte anterior del pie con el
suelo.
•
Apoyo Medio: ocurre cuando el trocánter mayor esta alineado
verticalmente con el centro del pie, visto desde un plano sagital. (Apoyo
del pie con la tibia a 90º)
•
Elevación del talón. se presenta cuando el talón se eleva del suelo.
•
Despegue del pie: se presenta cuando los dedos se elevan del suelo.
La fase de balanceo se divide en tres intervalos:
•
Aceleración: este intervalo se caracteriza por la rápida aceleración del
extremo de la pierna inmediatamente después que los dedos dejan el
suelo.
11
Tomada de www.oandp.com
25
•
Fase de balanceo medio: la pierna balanceada sobrepasa a la otra
pierna ya que ésta se encuentra en fase de apoyo.
•
Deceleración: está caracterizado por la deceleración de la pierna que se
mueve rápidamente cuando se acerca al suelo para apoyarla
nuevamente.
26
5. PROTESIS DE PIE
La prótesis de pie es un dispositivo que suministra soporte, permitiendo o
facilitando la marcha y dando una apariencia de normalidad.
Todo pie protésico muestra las mismas propiedades básicas para restaurar en
una pequeña cantidad la función y apariencia, en los amputados de miembro
inferior. Aunque existen muchas apariencias externas entre los diferentes tipos
de prótesis de pie, son de mucha importancia las características internas del
diseño, ya que éstas permiten un comportamiento casi igual a la del pie
humano.
Dentro de las principales funciones que cumplen las prótesis de pie se
encuentran:
•
Simulación de la articulación de tobillo.
•
Base estable de soporte de peso.
•
Soporte al usuario al caminar.
•
Absorción del impacto en el talón con flexión plantar del dispositivo.
•
Simula la dorsiflexión a la última fase de apoyo.
•
Apariencia cosmética agradable
5.1. TIPOS DE PRÓTESIS DE PIE
5.1.1.
Prótesis Parciales Del Pie: Las amputaciones parciales del pie
pueden ser causadas por heridas, por aplastamiento u otros traumas, por
insuficiencia vascular que conduce a una gangrena localizada y por
deformidades graves que pueden causar dolor o invalidez.
27
En la amputación de uno o más de los dedos pequeños del pie, la pérdida
cosmética y funcional es mínima, y no se necesita ninguna restauración o tal
vez se puede usar un material suave y resistente como relleno de los dedos.
Sin
embargo,
si
no
hay
dedos
gordos
o
hay
una
desarticulación
metatarsofalángica completa, la pérdida funcional es mayor, ya que disminuye
la fuerza de empuje durante la última parte de la fase de apoyo. Estos
pacientes necesitan una plantilla construida sobre el molde del pie, con un arco
plantar de apoyo y rellenar el espacio que ocupaban los dedos. Se debe usar
un resorte de acero para mantener la forma de la parte anterior del zapato.
Las amputaciones transmetatarsales y tarsometatarsales (Lisfranc) dan como
resultado deficiencias funcionales más graves, ya que pierden las estructuras
que descargan el peso del cuerpo en las cabezas metatarsales.
La parte restante del pie tiende a colocarse en posición equino, el extremo del
muñón es más sensible, al quedar el pie muy acortado no es capaz de empujar
el cuerpo hacia adelante, en la fase de despegue.
Para superar estas dificultades, el zapato lleva una suela rígida y plana, que se
extiende hasta lo que sería la articulación tarso metatarsiana normal, con una
almohadilla distal para proteger el muñón, y una ranura transversal para que
doble la punta del pie formada por un relleno de los dedos. En algunos casos
se necesita colocar unos tirantes de suspensión sujetos sobre el tobillo y/o una
barra metatarsal en la suela del zapato.
Si el calcáneo tiende a desviarse, la suela debe extenderse por detrás para
envolver y estabilizar el talón. Las amputaciones transmetatarsales presentan
además el problema de conexión. Esto puede controlarse un poco moldeando
la porción antero lateral de la suela plana para que envuelva más área
metatarsal.
En la amputación mediotarsiana, llamada de Chopart, queda solo el calcáneo y
el astrágalo. Por ello, para estabilizar el tobillo, la prótesis debe extenderse
considerablemente sobre los maléolos (tobillo) en forma de encaje, de plástico,
28
que envuelva el muñón y la pantorrilla. Se deja una abertura posterior que
permite la entrada del muñón en el encaje y la prótesis se mantiene firme en el
muñón cuando está cerrada. El pie protésico debe poder flexionar la parte
anterior del mismo y el talón del zapato requiere modificaciones para
proporcionar un aumento de compresión, al apoyar el talón para simular la
flexión plantar.
5.1.2. Prótesis De Pie Uniaxial (Single Axis)
Figura 4. Prótesis de pie con tobillo uniaxial12
En esta unidad, la base del pie se conecta al bloque del tobillo por un tornillo. El
eje transversal del tobillo permite que el pie haga la flexión plantar y la
dorsiflexión alrededor de un eje. Mientras el pie realiza la flexión plantar, se
comprime un pequeño cilindro de goma colocado detrás del eje del tobillo,
ofreciendo resistencia al movimiento como puede verse en la figura 4. A este
respecto, la acción del cilindro de goma corresponde a la acción de los flexores
dorsales del pie en la pierna intacta. La goma permite un movimiento de 15º de
flexión plantar. En dirección opuesta, el movimiento se frena por un tope que
está colocado delante del eje del tobillo. El tope de dorsiflexión es de goma,
fieltro o plástico. La capacidad de dorsiflexión del pie protésico no excede
normalmente los 5º.
12
Tomado de http://www.ccc.uprh.edu/download/modulos/TEFI_PT.pdf
29
5.1.3. Prótesis De Pie De Eje Múltiple (Multiple Axis): La prótesis de pie de
eje múltiple permite realizar dorsiflexión, flexión plantar, inversión y eversión lo
cual facilita la adaptabilidad a terrenos irregulares.
Figura 5. Prótesis de pie de eje múltiple.13
El extremo inferior del bloque del tobillo tiene un arco curvo metálico que
reposa en el bloque de goma en arco. La superficie curvada permite al pie rotar
sobre el eje transversal en la articulación del tobillo, y así puede realizar la
flexión plantar y una dorsiflexión suave. El eje transversal de la articulación del
tobillo está situado en un receptáculo flexible de la articulación. La flexibilidad
de este receptáculo permite un movimiento medio lateral y una suave rotación
en el plano horizontal. Ver figura 5.
Una ventaja de este montaje es que absorbe algunas de las fuerzas de torsión
creadas durante la marcha, reduciendo el momento del muñón con el encaje.
Las desventajas son que es más voluminoso que el pie de eje sencillo, que
requiere más cuidados y puede ser más ruidoso y menos cosmético. Por otro
lado, permite una gran amplitud de movimiento y puede llegar a crear
inestabilidad en algunos pacientes con poca estabilidad.
13
Tomado de http://www.oandp.com/news/jmcorner/library/protesica/LLP-07.pdf
30
5.1.4. Prótesis De Pie Sach (Solid Ankle Cushion Heel)
Figura 6. Prótesis de pie Sach14
El pie SACH (tobillo sólido con talón blando figura 6) está conformado por una
quilla de madera con material flexible alrededor de la quilla, un tirante corto que
pasa por debajo de la quilla y se extiende hacia adelante hasta los dedos, un
tornillo que sujeta el pie a la pierna y un talón blando comprimible que actúa
como amortiguador.
Ésta prótesis permite el movimiento debido a la compresión selectiva de los
materiales de los cuales se fabrica, y no por el movimiento articulado de sus
segmentos. El talón blando tiene diferentes grados de compresión que se
seleccionan basados en el nivel de amputación, el peso del cuerpo y la
capacidad de control de la prótesis por el paciente.
La prótesis tipo SACH es la que más se usa en la mayoría de los casos de
amputación por debajo de la rodilla, especialmente en las que no utilizan un
corsé de suspensión de muslo. Las ventajas del pie SACH son su sencillez,
que no tiene partes móviles, que no necesita reparaciones, que tiene buena
apariencia y que está bien moldeado para zapatos de tacón alto. La gran
desventaja es que no puede variarse el grado de flexión plantar o la
dorsiflexión.
14
Tomado de http://www.ccc.uprh.edu/download/modulos/TEFI_PT.pdf
31
5.1.5. Prótesis De Pie Syme: La prótesis original de Syme consistía en un
encaje de cuero, con barras de acero a los lados, y un pie protésico de eje
sencillo (figura 7). La primera modificación que se hizo de este diseño se
desarrolló en Toronto. La prótesis de Syme canadiense consiste en un encaje
de plástico laminado, sujeto a un pie SACH modificado. Como el encaje se
conforma sobre un molde de escayola del muñón, se pueden variar las
proporciones de carga entre el extremo y la parte proximal, según las
necesidades del amputado.
Figura 7. Prótesis Syme15
5.2.
FABRICACION DE PROTESIS EN EL PAIS
La alta incidencia de casos de pérdidas de miembros del cuerpo humano por
causa de accidentes y otros hechos violentos, muy comunes hoy día,
determina una creciente demanda de dispositivos ortopédicos para el sector
mayoritario de la población carente de recursos económicos.
En la fabricación de prótesis de pie la mayoría de instituciones desarrolla
prótesis pequeñas, si se requiere de una talla grande se hace necesario
importarlas, las cuales pueden llegar a superar los 20 mil dólares, haciéndolas
inasequibles a la población de bajos recursos.
15
Tomado de http://www.oandp.com/news/jmcorner/library/protesica/LLP-07.pdf
32
La fabricación en Colombia de prótesis para pie se limita a una prótesis de
comportamiento normal con quilla en el talón que facilita el amortiguamiento
pero, en Colombia las prótesis de pie no han sido evolucionadas ni trabajadas
para competir con prótesis importadas.
5.2.1.
Procesos De Fabricación: En la figura 8 se muestra el proceso de
fabricación de las prótesis:
Figura 8. Proceso de fabricación de prótesis
El molde de la parte requerida se puede obtener por medio de un scanner
láser, o manualmente por medio de vendas de yeso. En el proceso de vendas
que es un proceso manual, se envuelve la parte requerida en vendas de yeso y
se deja secar, luego se toma este molde y se le introduce yeso líquido para
obtener el positivo del modelo, por lo rústico de esta técnica el modelo final
debe ser corregido manualmente como se ilustra en la figura 9. La técnica de
scanner se utiliza para dar mayor precisión en donde por medio de rayos láser
33
realiza una lectura de la pieza y esta información es luego llevada a un torno y
así se tiene como resultado final un molde positivo de la parte que se requiere.
Figura 9. Positivo del molde de pie en yeso16
Luego de tener el molde positivo se pasa al proceso de laminación, este cuenta
con dos diferentes procesos dependiendo del material que se vaya a laminar.
Para Polipropileno se termoforma la lámina en un horno especial y luego
cuando esta caliente se lleva al molde positivo donde se da la forma que se
requiere por termoformado. En la técnica con resina poliéster no pueden ser
moldeadas órtesis, esta técnica solo es utilizada para la fabricación de prótesis.
En esta técnica se coloca el positivo del molde en tubo recubierto por medias
de seda y se va agregando la resina capa por capa hasta tener el resultado
final.
16
Tomado de http://www.oei.org.co/sii/entrega9/art04.htm
34
6. DISEÑO DE LA PRÓTESIS DE PIE
Después de un análisis de: esfuerzos, costos de fabricación, facilidad de
construcción, ventajas y desventajas que presentaban los prediseños
realizados de la prótesis de pie se llegó a un diseño final que tiene como
ventaja un análisis de ingeniería en cuanto a sus características físicas y
mecánicas para darle un mayor confort al usuario y poder garantizar su
perfecto funcionamiento.
El diseño de ésta prótesis fue realizada por los ingenieros de Diseño y
Automatización Electrónica, OSCAR JAVIER ASCENCIO SEPULVEDA y
DIEGO JULIAN GOMEZ BAQUERO en su proyecto de grado titulado “DISEÑO
Y MODELAMIENTO DE PIE, PARA PRÓTESIS DE MIEMBRO INFERIOR
ADAPTABLE A PRÓTESIS COMERCIALES O ESTANDARES, CON SISTEMA
DE AMORTIGUACIÓN”, el cual se tomo como base para el desarrollo del
presente proyecto que consiste en la construcción de un prototipo final de la
prótesis diseñada.
Para el diseño de cada una de las piezas que conforman la prótesis del pie se
tuvo en cuenta algunos diseños realizados por compañías dedicadas
exclusivamente a la fabricación de prótesis con el fin de hacer que la prótesis
fuera modular y así poder adaptarse fácilmente a las prótesis existentes en el
mercado.
6.1. ACOPLE
Para el diseño del acople solo se tuvo en cuenta la forma en que este se
acopla con el reemplazo de los huesos de la pierna. Como se puede observar
35
en la figura 11, el diseño del acople realizado para la prótesis, cumple con la
condición de acople universal, de un acople piramidal como los que se
muestran a continuación.
Figura 10. Acoples tipo pirámide, a17, b18.
Figura 11. Diseño de acople piramidal para prótesis de pie
6.2. TALÓN
Este diseño simula al talón del ser humano y se acopla perfectamente a las
exigencias de diseño tanto mecánica como estéticamente como se observa en
la figura 12.
17
18
Tomado de http://www.owwco.com/html/new_products.htm
Tomado de http://www.medexinternational.com/pdf/MXI_Cat_03.pdf
36
Figura 12. Diseño de talón para prótesis de pie.
6.3. PLANTA
En la figura 13 se muestra la planta diseñada, que cumple con los
requerimientos de diseño mecánico y además, posee una apariencia con los
huesos del pie para simular la marcha de un ser humano.
Figura 13. Diseño de planta para prótesis de pie
En la figura 14 se muestra el ensamble del diseño final que se seleccionó, por
cumplir con los requisitos buscados.
37
Figura 14. Vista isométrica de la prótesis de pie diseñada.
6.4. ANÁLISIS DE FUERZAS EN LAS PARTES DE LA PRÓTESIS DE PIE
El análisis de esfuerzos que realizaron19 al diseñar la prótesis de pie, fue hecho
tomando tres posiciones de las fases de la marcha; despegue del talón, apoyo
plantar y contacto del talón, ya que son las posiciones mas críticas en donde se
presentan los mayores esfuerzos.
El análisis de fuerzas realizado para cada una de las posiciones nombradas
anteriormente se muestra a continuación. Para el talón, de cuerdo a la figura
15:
Figura 15. Análisis de fuerzas para el talón
19
ASCENCIO, Op. cit., p 168-183
38
Fr = Fuerza de rozamiento
α = 15.6º Angulo de incidencia del resorte
θ = 26.6º Angulo de Incidencia de la fuerza transmitida por el pasador
P = 2800 N Fuerza trasmitida por el acople
K = 152 N/m Constante de elasticidad del resorte (Ver Capitulo Caracterización
de alambre muscular)
Ry3 = K * X; K = 152 N/m; X plantar = 3.5 cm = 3.5 * 10-2
Ry3 = 5.32 N
Talón
∑
∑
Fy
= P − R y 1 − R y 2 Cos θ − R y 3Cos α = 0 Sumatoria de fuerzas en el Eje Y.
Fx
∑M
= Fr − R y 2 Sen θ − R y 3 Sen α = 0 Sumatoria de fuerzas en el Eje X.
pasador
= − P * d1 − R y 3 Senα (d 3 ) + R y1 (d 2 )
Sumatoria de Momentos en el
pasador.
Ry3 Cos α = 5.32 N * (cos 26.6º) = 4.75 N
ΣM pasador = -(2800N) (15.45 E 10-3 m) – (5.32 N) (0.44) (25.27 * 10-3 m) +
Ry1 (59.11 * 10-3) = 0
ΣM pasador = - 43.26 N * m - 0.06 N * m + Ry1 (59.11*10-3 m) = 0
Ry1 = (43.32 N * m) / (59.11 * 10-3 m)
Ry1 = 732 N
Reemplazando Ry1 en ΣFy
2800 N – 732 N – Ry2 Cos θ – 4.75 N = 0
Ry2 = 2062.3 N / Cos θ
Ry2 = 2141 N
Reemplazando en ΣFx
39
Fr - 575.82 N – 2.38 N= 0
Fr = 578.2 N
Para la planta, de acuerdo con la figura 16:
Figura 16. Análisis de fuerzas para la planta.
Planta
∑
∑
Fy
= R y 4 − R y 3 Cos α − R y 2 Cos θ = 0
Fx
= Fr − R y 3 Sen α − R y 2 Sen θ = 0
Reemplazando en ΣFy
Ry4 = Ry3 Cos α + Ry2 Cos θ
Ry4 = 4.75 N + 2026 N
Ry4 = 2066 N
40
7. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE PIE POR PROTOTIPADO
RÁPIDO
La construcción del prototipo, de cada una de las partes componentes del pie
diseñado, fue hecha usando la tecnología CAM de prototipado rápido. Dicha
construcción fue llevada a cabo por los Ingenieros de Diseño y Automatización
Electrónica CAROLINA FRANCO CORTES y ALVARO ANDRES ORTIZ
PRIETO en su proyecto de grado titulado “CONSTRUCCIÓN DE UN
PROTOTIPO DE PIE PARA PRÓTESIS TRANSFEMORAL CON SISTEMA DE
CONTROL ELECTRÓNICO DE AMORTIGUACIÓN”, en donde éste prototipo
sirvió de modelo para la construcción del prototipo final en el presente proyecto.
7.1. PROTOTIPADO RÁPIDO
El Prototipado Rápido, se concibe como un conjunto de tecnologías, que
permiten la obtención de prototipos, moldes de inyección para plásticos,
electrodos de erosión, entre otros; en menos de 48 horas a partir de un modelo
sólido 3D generado en el sistema CAD. Al contrario de los procesos de
fabricación que extraen material de la pieza en bruto para obtener el modelo
deseado, los sistemas de Prototipado Rápido generan la pieza a partir de la
unión aditiva de líquidos, capa por capa, a partir de secciones transversales de
la pieza obtenidas a partir del modelo 3D. Las máquinas de Prototipado Rápido
producen piezas en plásticos, madera, cerámica o metales.
Consecuencia de esta rapidez de respuesta, es que el tiempo de desarrollo de
un producto puede reducirse a la mitad, la quinta e incluso la décima parte.
41
El prototipado rápido (RP por sus siglas inglesa de “Rapid Prototipo”) da la
posibilidad de efectuar, en un tiempo relativamente corto, diversas pruebas de
geometrías distintas para una pieza, validar la geometría definitiva, y acometer
la producción en serie rápidamente, con unos costos de desarrollo lo más
ajustados posible. La complejidad de las piezas o la confidencialidad de los
prototipos son también argumentos frecuentes a la hora de optar por el RP.
Bajo el nombre de Prototipado rápido se agrupan una serie de tecnologías
distintas de construcción de sólidos. Todas ellas parten del corte en secciones
horizontales paralelas de piezas representadas en CAD. Estas secciones
caracterizan a todas las tecnologías de prototipado rápido, que construyen las
formas sólidas a partir de la superposición de capas horizontales.
Las tecnologías más difundidas en la actualidad son:
•
SLA (Estereolitografía).- Emplea un láser UV que se proyecta sobre un
baño de resina fotosensible líquida para polimerizarla. También se
puede encontrar con la denominación de STL.
•
SGC.
Fotopolimerización
por
luz
UV.-
Al
igual
que
en
la
estereolitografía, esta tecnología se basa en la solidificación de un
fotopolímero o resina fotosensible. En la foto-polimerización, sin
embargo, se irradia con una lámpara de UV de gran potencia todos los
puntos de la sección simultáneamente.
•
FDM. Deposición de hilo fundido.- Una boquilla que se mueve en el
plano XY horizontal deposita un hilo de material a 1ºC por debajo de su
punto de fusión. Este hilo se solidifica inmediatamente sobre la capa
precedente.
•
SLS. Sinterización selectiva láser.- Se deposita una capa de polvo, de
unas décimas de mm., en una cuba que se ha calentado a una
temperatura ligeramente inferior al punto de fusión del polvo.
Seguidamente un láser
CO2
seleccionados.
42
sinteriza el polvo en los puntos
•
LOM. Fabricación por corte y laminado.- Una hoja de papel encolado
se posiciona automáticamente sobre una plataforma y se prensa con un
rodillo caliente que la adhiere a la hoja precedente.
•
DSPC. Proyección aglutinante.- Esta tecnología trabaja mediante la
deposición de material en polvo en capas y la combinación selectiva del
mismo mediante la impresión de "chorro de tinta" de un material
aglutinante.
7.2. MATERIAL SELECCIONADO
El material seleccionado para la construcción de la prótesis de pie fue zp®102
powder que está compuesto principalmente de yeso y resinas, lo cual lo hace
ideal para construir modelos complejos. El aglutinante esta basado en agua.
Las principales razones que llevaron a seleccionar éste material fueron:
•
Los materiales como el polvo de yeso presentan un buen conjunto de
propiedades mecánicas, son fáciles de procesar, reciclables y bastante
económicos.
•
Presentan muy buenas propiedades a elevadas temperaturas y junto
con su alta resistencia térmica presentan alta resistencia química,
rigidez, dureza superficial y buena estabilidad dimensional.
•
La Humedad y la temperatura tienen una gran influencia sobre la
resistencia del material. En este caso la resistencia a la flexión
disminuye con la temperatura. Se puede concluir que cuanto mayor es la
humedad, menor será la resistencia a la tracción también.
•
Este material posee el doble de dureza que el material de celulosa, para
muchas aplicaciones se hace innecesaria la post-infiltración
43
7.2.1. Prueba De Flexión: Después de la construcción de las partes se realizó
una prueba de flexión20 con apoyo en tres puntos, las partes hechas con
zp®102 powder tienen una resistencia de 10MPa en estado verde. Después de
la infiltración, las partes tienen una capacidad de fuerza compresiva de hasta
25Mpa con un proceso de infiltrado.
Cuando las partes hechas con zp®102 powder salen de la impresora son lo
suficientemente resistentes y en la mayoría de las geometrías no es necesario
el post-procesado. Además las partes se pueden infiltrar con resina o cera para
mejorar su resistencia. Muchos pegamentos de baja viscosidad se pueden
emplear en la infiltración de sus partes.
7.3. ANÁLISIS DE LA PRÓTESIS DE PIE PARA EL MATERIAL EN POLVO
DE YESO POR ELEMENTOS FINITOS
Por medio del análisis de elementos finitos realizado se pudo predecir con gran
precisión y simplicidad los esfuerzos y deformaciones que va a soportar
internamente las piezas al ser sometidas a un sistema de cargas21. Ésta
simulación fue realizada en el software Visual Nastran 4D. Estos datos se
tomaron como un indicador puesto que no se encontraron datos de
propiedades de yeso compacto.
Figura 17. Distribución de esfuerzos en el acople22.
20
FRANCO Op. cit., p. 57
Ibid., p. 58- 60
22
Ibid., p. 59
21
44
La mayor concentración de esfuerzo se presenta en el cuello del acople donde
el volumen de la pieza es menor, se presenta un esfuerzo de compresión en la
parte superior del acople, la fuerza aplicada esta distribuida en toda el área
superior y la parte inferior de la pieza esta haciendo contacto con el talón de la
prótesis. El esfuerzo de Von Mises máximo que presenta es de 1.13*106Pa de
acuerdo con la figura 17.
Figura 18. Distribución de esfuerzos del talón23.
Los esfuerzos se distribuyen a través del talón, por la parte inferior en donde
hace contacto con el suelo y en la pestaña que encaja al resorte que sirve de
amortiguación, se presenta un esfuerzo cortante.
En la parte trasera del talón se presenta un esfuerzo de compresión debido al
enfrentamiento de las fuerzas generadas al apoyar el talón. En el cuadro de
esfuerzo de cortante máximo se tiene que su valor máximo es de 0.5*106Pa, y
el esfuerzo máximo de Von Mises es de 0.98*106Pa según la figura 18.
23
Ibid.
45
Figura 19. Distribución de esfuerzos en la Planta24.
La mayor concentración de esfuerzo se presenta en el orificio por donde se
transmite la fuerza a través del pasador; la planta esta afectada por tres cargas:
la que ejerce el suelo, la del resorte y la trasmitida a través del pasador.
En el orificio del pasador se presenta un esfuerzo cortante máximo con un valor
de 10.43*106Pa según la figura 19.
La planta tiende a deformarse presentando un esfuerzo de flexión que tiende a
llevar la punta del pie hacia arriba con un valor de esfuerzo máximo de Von
Mises de 18.75*106Pa como se observa en la figura 19.
7.4. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN POR PROTOTIPADO RÁPIDO25
Después de tener los modelos en archivos STL, los cuales se encargan de
aproximar el modelo sólido por pequeños triángulos o facetas, la máquina de
prototipado rápido se encargó de fabricar la pieza. A continuación se describen
los pasos que se siguieron para la construcción de las piezas de la prótesis en
yeso.
24
25
Ibid., p. 60
Ibid., p. 66-73
46
La máquina con la cual se fabricaron las piezas cuenta con dos
compartimientos principales en donde uno de ellos contiene el polvo de yeso
(alimentación), y en el otro se construye la pieza capa por capa (estructura). Un
rodillo extiende el polvo del lado de la alimentación sobre el lado de la
estructura.
La cabeza de impresión de inyección rocía la tinta líquida sobre el polvo de
yeso en sección transversal del modelo CAD. Esto solidifica el polvo solamente
donde la tinta toca el polvo de yeso.
El rodillo vuelve al lado del compartimiento de alimentación el cual se levanta y
el compartimiento de la estructura baja. Otra capa de polvo se deposita sobre
el compartimiento de la estructura y se repite el proceso hasta que se hace la
pieza.
Figura 20. Piezas para ser llevadas a la unidad de limpieza y extracción de
polvo.
Posteriormente se realiza la limpieza de la pieza eliminando así el exceso de
polvo. Como se muestra en la figura 20
Figura 21. Proceso de infiltrado
Cuando las piezas has sido construidas, éstas son un 50% porosas y pueden
ser infiltradas para producir una gama de características en el material (figura
47
21). Por tal razón después de la limpieza de las piezas se realizo el proceso de
infiltrado con el cual el material experimenta un calentamiento, y el resultado
fue un material endurecido capaz de resistir 20MPa de torsión.
Después de todo el proceso mencionado anteriormente el resultado fue el
siguiente: se fabricaron las tres partes componentes y se ensamblaron como se
ilustra en la figura 22.
Figura 22. Prototipo terminado en yeso
7.4.1. Contracción De Las Piezas: La mayoría de los sistemas de prototipado
rápido producen partes que experimentan contracción del material durante o
después de ser construidos. Para contrarrestar esta contracción fue aplicado
un escalamiento isotrópico al momento de la construcción. Esto significa que el
sistema implícitamente escala las partes antes de imprimirlas para que cuando
se contraigan lleguen al estado dimensional con error del orden de milésimas
de milímetro.
48
8. MATERIALES
Actualmente existe gran variedad de materiales para prótesis, pero no existe un
material que por si solo brinde todas las características que se requieren para
esta aplicación. Por esta razón es necesario combinar diversos materiales que
brinden los requerimientos mecánicos específicos para cada una de las partes
que conforman la prótesis.
Dentro de las especificaciones dadas por el modelamiento de la prótesis de pie
está que sea lo mas liviano posible y además lo mas parecido a las
propiedades de los huesos para mantener una homologación entre la prótesis y
el pie original. La prótesis debe soportar la temperatura ambiente con todas sus
ocurrencias de bajas y altas temperaturas, además de ello no debe
proporcionar altas temperaturas por su uso, debe ser resistente y poseer un
módulo grande para que sea resistente a la deformación26.
Con base en las especificaciones dadas en el modelamiento de la prótesis de
pie a construir, se realizó una investigación de algunos materiales, como
plásticos y cauchos, debido a las características que poseen y que se ajustan a
lo que se esta buscando como la rigidez para soportar el peso corporal,
flexibilidad y movimiento para permitir la flexión plantar en respuesta al golpe
en el talón.
26
ASCENCIO, Oscar Y GÓMEZ, Diego. Diseño y Modelamiento de Pie para Prótesis de
Miembro Inferior Adaptable a Prótesis Comerciales o Estándares con Sistema de
Amortiguación. Bogotá,
2004, 219 p. Trabajo de grado (Ingeniero de Diseño y
Automatización Electrónica). Universidad de La Salle. Facultad de Ingeniería de Diseño y
Automatización Electrónica. Área de Bioingeniería.
49
8.1. PROPIEDADES COMUNES DE LOS PLÁSTICOS
No importando la gran variedad de composiciones y estructuras que pueden
presentar los diferentes tipos de plásticos existentes, hay una serie de
propiedades comunes que poseen los plásticos y que los distinguen de los
otros materiales
El rango de densidades de los plásticos es relativamente bajo y se extiende
desde 0.9 hasta 2.3 g/cm3 (tabla 2). Los plásticos de mayor consumo son el
polietileno y el polipropileno, ambos materiales con densidad inferior a la del
agua. La densidad de otros materiales es varias veces mayor, como el aluminio
con densidad 2.7 g/cm3 o el acero con 7.8 g/cm3. Esta densidad tan baja es por
dos razones; primero los átomos que componen los plásticos como C, H, O y N
son ligeros, y segundo, las distancias medias de los átomos dentro de los
plásticos son relativamente grandes.
Tabla 2. Densidad, conductividad térmica y eléctrica de diferentes materiales.
Material
Densidad
Cond. Térmica
Cond.
(g/cm3)
(W/mK)
Eléctrica (s)
Plásticos
0.9 – 2.3
0.15 – 0.5
--POLIETILENO
0.9 – 1.0
0.32 – 0.4
--POLICARBONATO
1.0 – 1.2
----DE BISFENOL
(PVC)
1.2 – 1.4
--10-15
POLICLORURO DE
VINILO
Acero
7.8
17.50
5.6
Aluminio
2.7
211
38.5
Aire
0.0013
0.05
---
Por otra parte, el valor de la conductividad térmica de los plásticos es bastante
pequeño. Los metales presentan conductividades térmicas 2000 veces
mayores que los plásticos, esto se debe a la ausencia de electrones libres en el
material. Un inconveniente de la baja conductividad aparece durante la
transformación de los plásticos. El calor necesario para transformar los
plásticos se absorbe de manera muy lenta y, por otra parte la eliminación del
50
calor resulta igualmente costosa. Durante el uso de los plásticos, la baja
conductividad térmica aparece como una ventaja, pues permite el empleo de
estos materiales como aislantes.
Los plásticos no conducen corriente eléctrica debido a que presentan
resistencias altas, y por tanto, bajas conductividades. La resistencia eléctrica
es función de la temperatura, y a elevadas temperaturas conducen mejor.
Debido
a
su
elevada
resistencia
eléctrica
los
plásticos
se
utilizan
frecuentemente como aislantes en dispositivos electrónicos y los elementos
que transportan corriente eléctrica.
Los
termoplásticos
amorfos
como
el
policarbonato
de
bisfenol,
polimetilmetacrilato, policloruro de vinilo, presentan transparencia que no
difieren mucho del propio vidrio. Su transparencia es aproximadamente del
90%. La transparencia de los plásticos se puede perder, al menos
parcialmente, por exposición a la intemperie o a cambios bruscos de
temperatura.
8.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES PLÁSTICOS.
Existe una gran cantidad de materiales plásticos para fabricar piezas, sin
embargo se pueden clasificar en dos grupos, en función de su comportamiento
frete al calor:
9 Termoplásticos: Si la cadena de polímeros permanece lineal y separada
después del moldeo.
9 Termoestables: Si la cadena se convierte en una cadena tridimensional
reticulada.
8.2.1.
Materiales
Termoplásticos:
Los
materiales
termoplásticos
son
polímeros lineales, que pueden ser ramificados o no y puesto que no se
51
encuentran entrecruzados son polímeros solubles en algunos disolventes
orgánicos (figura 23), son capaces de fundir y son reciclables. Los
termoplásticos más frecuentes son: polietileno, polipropileno, poliestireno y
policloruro de vinilo que se fabrican y emplean en cantidades muy grandes.
Figura 23. Estructura lineal y ramificada.27
Dentro de los materiales termoplásticos los más comúnmente usados son:
Nylon (poliamida): Familia de resinas usadas en ingeniería que tienen
tenacidad y resistencia sobresalientes al desgaste, bajo coeficiente de fricción y
propiedades eléctricas y resistencia química excelentes. Las resinas son
higroscópicas; su estabilidad dimensional es peor que la de la mayoría de otros
plásticos usados en ingeniería.
Policarbonato: Tiene la más alta resistencia al impacto de los materiales
transparentes rígidos; estabilidad en exteriores y resistencia a la deformación
plástica bajo carga excelentes; resistencia a los productos químicos aceptable;
algunos solventes aromáticos pueden causar agrietamiento al esfuerzo.
Polipropileno: Resistencia sobresaliente a la flexión y al agrietamiento por
esfuerzo; resistencia química y propiedades eléctricas excelentes; buena
resistencia al impacto arriba de -10 ºC; buena estabilidad térmica; peso ligero,
bajo costo, puede aplicársele una capa galvanoplástica.
27
http://www.hiru.com/es/kimika/kimika_03100.html
52
Poliestireno: Bajo costo, fácil de procesar, material rígido, claro, quebradizo
como el cristal; baja absorción de humedad, baja resistencia al calor, mala
estabilidad en exteriores; con frecuencia se modifica para mejorar la resistencia
al calor o al impacto.
Poliuretano: Material tenaz, de extrema resistencia a la abrasión y al impacto;
propiedades eléctricas y resistencia química buenas; puede obtenerse en
películas, modelos sólidos o espumas flexibles; la exposición a la radiación
ultravioleta produce fragilidad, propiedades de menor calidad y color amarillo;
también hay poliuretanos termofraguantes.
8.2.2. Materiales Termoestables: Los plásticos termoestables son materiales
que adquieren un estado final reticulado (entrecruzado figura 24), que hace que
el material sea insoluble e incapaz de fundir otra vez. A partir de materias
primas de bajo peso molecular se forma, en una primera fase, un producto
intermedio (prepolímero), de peso molecular intermedio, no reticulado o muy
poco y por tanto todavía capaz de fundir (y por tanto de rellenar un molde).
Figura 24. Estructura de un polímero entrecruzado.28
La reticulación espacial que da lugar a la formación de la macromolécula
termoestable tiene lugar por reacción química (curado) durante el moldeo de la
pieza, es decir, durante el proceso de transformación. Puesto que no funden y
no reblandecen son materiales que presentan muy buenas propiedades a
elevadas temperaturas. Junto con su alta resistencia térmica presentan alta
28
Tomada de www.textoscientificos.com/polimeros/estructura
53
resistencia química, rigidez, dureza superficial, buena estabilidad dimensional,
etc.
A continuación se exponen algunos de estos materiales:
Resinas epóxicas: Resistencia mecánica excepcional, sus propiedades
eléctricas y de adhesión superan a la mayoría de los materiales; baja
contracción durante el moldeo; algunas fórmulas pueden curarse sin calor o
presión.
Fenólicas: Material de bajo costo con buen equilibrio de las propiedades
mecánicas, eléctricas y térmicas; limitadas a colores negro y café.
Poliéster:
Excelente
equilibrio
de
propiedades,
colores
ilimitados;
transparentes u opacos; no libera volátiles durante el curado, pero la
contracción en el moldeo es alta; se pueden usar moldes de bajo costo sin
calor o presión; utilizado ampliamente con refuerzo de vidrio para producir
componentes "de fibra de vidrio"; también hay poliéster termoplástico.
Poliuretano: Puede ser flexible o rígido, dependiendo de la fórmula; presentan
excepcional tenacidad y resistencia a la abrasión y al impacto; particularmente
adecuado para piezas grandes hechas de espuma, ya sea en tipos rígidos o
flexibles; también se produce con fórmulas termoplásticas.
8.3. COMBINANDO CUALIDADES
Cuando se diseñan nuevos materiales se puede sacrificar la resistencia en
favor de la dureza, pero a veces se puede combinar dos polímeros con
diferentes propiedades para obtener un nuevo material con las propiedades de
ambos por separado. Existen tres formas de hacer esto, que son la
copolimerización, el mezclado, y la obtención de compuestos.
El Spandex es un ejemplo de un copolímero que combina las propiedades de
dos materiales. Es un copolímero que contiene bloques de polioxietileno
54
elastómero y bloques de un poliuretano, precursor de fibras rígidas. El
resultado es una fibra que se estira.
El poliestireno de alto-impacto, o HIPS, es una mezcla inmiscible que combina
las propiedades de dos polímeros, el estireno y el polibutadieno. El poliestireno
es un plástico rígido. Cuando se lo agrega a un elastómero, como el
polibutadieno, forma una mezcla de fases separadas, que tiene la resistencia
del poliestireno y la dureza aportada por el polibutadieno. Por esta razón, el
HIPS es mucho menos quebradizo que el poliestireno puro.
En el caso de un material compuesto, generalmente empleamos una fibra para
reforzar un termorrígido. Los termorrígidos son materiales entrecruzados cuyo
comportamiento tensión-estiramiento es a menudo similar al de los plásticos.
La fibra incrementa la resistencia tensil del compuesto, en tanto que el
termorrígido le confiere dureza y resistencia a la compresión.
8.4. ELECCIÓN DEL MATERIAL PARA EL PROTOTIPO FINAL DE LA
PRÓTESIS DE PIE29
El material elegido determina el tipo de molde a emplear, y el proceso de
fabricación como se puede ver en la figura 25 de acuerdo con su naturaleza.
En general hay que tener en cuenta que la elección de un material adecuado,
exige el estudio de las ventajas y desventajas de cada material tenido en
cuenta para el trabajo. Ningún material poseerá todas las cualidades deseables
y ninguna de las indeseables. Las características indeseables deben
compensarse con el diseño adecuado de la pieza.
29
DUBOIS, J.H. Y PRIBBLE, W.I. Enciclopedia de la Química Industrial : Ingeniería de moldes
para plástico. España : Urmo, 1999. v.5, p. 33-41
55
Figura 25. Procesos de fabricación de los plásticos.
Es importante prever la influencia que puede tener sobre la pieza una vez
diseñado el molde, la sustitución de un material por otro. Factores tales como
estabilidad dimensional, fluencia, absorción de humedad, inflamabilidad,
dureza, propiedades eléctricas, resistencia al impacto y rigidez mecánica
pueden imponer el cambio de material o variación en el diseño de las piezas.
En la elección del material plástico adecuado para el moldeo de piezas existe
un procedimiento de eliminación viable que reduce el campo a límites bien
definidos. En este caso, el problema de elegir el material definitivo se reduce a
uno que consiste en estudiar el comportamiento de la pieza en las condiciones
reales de utilización y que demuestre su duración y estabilidad en dichas
condiciones ambientales reales.
•
PLÁSTICOS ELÁSTICOS: Si el producto exige el empleo de plásticos
flexibles, la elección se limita a polietileno, vinílicos, polipropileno,
56
plásticos fluorados, silicona, poliuretano, plastisoles, acetálicos y nylon o
algunos de los plásticos rígidos que presentan una cierta flexibilidad en
secciones delgadas. Las secciones delgadas de laminados son bastante
flexibles.
•
TEMPERATURA:
Consideraciones
de
tipo
técnico
eliminarán
rápidamente muchos materiales. Para piezas que operen por encima de
232°C pueden emplearse las siliconas, o plásticos moldeados en frío a
base de mica cementada con fibra de vidrio o de amianto fosforoso. En
éste campo irán bien, algunas de las fibras inorgánicas impregnadas con
resinas orgánicas tales como lana cerámica impregnada. Dentro del
margen de temperaturas de 232°C a 288°C, pueden obtenerse
excelentes resultados con fibras de vidrio impregnadas con resina epoxi
y fenólicas.
•
RESISTENCIA A LA LLAMA: La reglamentación de las compañías de
seguros en cuanto al uso de plásticos autoextinguibles en piezas que
comportan interruptores y en muchos otros componentes, pueden
imponer
el
empleo
de
materiales
termoestables.
Todos
los
termoestables son autoextinguibles. El nylon, polióxido de fenileno, las
polisulfonas, los policarbonatos, plásticos vinílicos, poliéster clorado,
clorotrifluoretileno, fluoruro de vinilideno e hidrocarburos fluorados, son
materiales termoplásticos que pueden ser apropiados en aplicaciones
que precisan propiedades autoextinguibles. Se dispone de unos cuantos
termoplásticos, tales como acetato de celulosa y ABS, que poseen estas
propiedades.
•
IMPACTO: El valor de impacto puede servir para diferenciar claramente
los materiales que pueden resistir cargas de impacto, de los que
tendrían un mal comportamiento. Por tanto de este valor sólo pueden
sacarse conclusiones generales. Para determinar el comportamiento a
impacto de un material plástico, deben realizarse ensayos comparativos
con secciones de tamaño semejantes y que se han moldeado de
acuerdo con las condiciones requeridas por el producto propuesto.
57
•
RESISTENCIA AL ARCO: Ciertas instalaciones eléctricas exigen, con
frecuencia, una buena resistencia al arco; muchos plásticos no resistirán
un arco de alta densidad y a grandes temperaturas. En los casos más
moldeados en frío tales como fosfoamianto, mica cementada con fibra
de vidrio o hidrocarburos fluorados con carga mineral. Los problemas de
resistencia al arco de menor importancia, pueden resolverse empleando
polisulfonas, poliéster- vidrio, alquídicas, melamina, urea o fenólicas. En
el caso de arco de baja intensidad, pueden emplearse las resinas
fenólicas de uso general, nylon o policarbonatos con carga de vidrio y
úrea. En algunos casos pueden mejorarse la resistencia al arco
mediante un recubrimiento con un filme de un hidrocarburo fluorado.
Para muchas aplicaciones de este tipo, puede emplearse fibra
vulcanizada.
•
RADIACIÓN: En general, los plásticos son superiores a los elastómeros
en cuanto a su resistencia a las radiaciones, pero son inferiores a los
metales y productos cerámicos. Entre los materiales que poseen mala
resistencia a las radiaciones se incluye en polimetacrilato de metilo, los
poliésteres
no
cargados,
materiales
celulósicos,
poliamidas
e
hidrocarburos fluorados.
•
COLOR: Para temperaturas superiores a 93°C es necesario emplear
plásticos de urea, melamina, policarbonatos, polióxidos de fenileno,
polisulfonas y fenólicas. La mayoría de los termoplásticos pueden
emplearse por debajo de estas temperaturas.
•
TRANSPARENCIAS: La máxima transparencia se encuentra en los
compuestos acrílicos, poliodefinas y poliestireno. Existen otros muchos
termoplásticos con buena transparencia y actualmente se producen
polietilenos
mucho
más
transparentes.
Para
su
aplicación
a
temperaturas más altas de las normales, existen ureas en tipos
translúcidos para iluminación.
58
•
TENSIÓN APLICADA: Muchos termoplásticos pueden agrietarse e
inclusive romperse en ciertas condiciones ambientales. Y las piezas que
hayan de estar sometidas a grandes tensiones mecánicas, deben
comprobarse cuidadosamente. Para la fabricación de piezas sometidas
a cargas continuas o cíclicas, son preferibles, en general, los materiales
termoestables.
•
HUMEDAD: Los efectos deteriorantes producidos por la humedad, son
bien conocidos. Para aplicaciones donde exista gran cantidad de
humedad, darían buenos resultados el polióxido de fenileno, los
acrílicos, butiratos. El polióxido de fenileno se comportan bien en
contacto con humedad/vapor por un lado y aire por otro, a pesar de
tratarse de una combinación bien molesta; estos productos resistirán
también el tratamiento repetido con vapor en autoclave.
•
RESISTENCIA A LOS PRODUCTOS QUÍMICOS: La resistencia química
de los plásticos es bien conocida. En la elección del material debe
tenerse en cuenta y no olvidar que las condiciones ambientales son de
gran importancia. Dos materiales que no ataquen un material plástico
cuando se emplean separadamente, pueden producir molestias si se
usan juntos o diluidos con agua.
•
DESGASTE SUPERFICIAL: La dureza no es necesariamente la
referencia más adecuada para obtener datos en cuanto a la resistencia
al rayado. En general los termoestables poseen mejor resistencia ala
abrasión. Los plásticos acrílicos, ABS y SAN ofrecen también buena
resistencia a ser rayados por la uña. Para obtener las mejores
respuestas es preciso realizar ensayos que reproduzcan condiciones
reales.
•
PERMEABILIDAD: La mayoría de los plásticos están considerados
como poco permeables. El polietileno es permeable al salicilato de
metilo, hidrocarburos y muchos otros productos químicos. En ciertos
59
casos se utiliza para la preparación de gases ya que permitirá el paso de
unos y servirá de barrera para otros.
•
ESTABILIDAD DIMENSIONAL: Existen algunos plásticos orgánicos con
una estabilidad dimensional muy buena, que son adecuados si se
permite alguna variación dimensional por envejecimiento y acción del
medio ambiente. Entre estos materiales pueden incluirse al polióxido de
femileno, polisulfonas, fenoxy, fenólicas con carga mineral y estirenos.
Estos productos mejoran su estabilidad dimensional si se les somete a
recocido posterior. Las cargas de vidrio mejoran la estabilidad
dimensional de todos los plásticos.
No deben utilizarse los materiales que contengan plastificantes. Los que
presenten una fuerte absorción de humedad, no serán estables
dimensionalmente.
En la elección de piezas para máquinas e instrumentos a las que se
exija un control exacto de las dimensiones, hay que andar con mucho
cuidado. Pueden mantenerse mejor las dimensiones exactas si, en los
materiales que tienen una estabilidad dudosa, se incluye o montan
ciertas inserciones.
•
RESISTENCIA A LA INTEMPERIE: Muchos plásticos son de vida corta
cuando se exponen a la intemperie. Entre los mejores materiales pueden
incluirse los acrílicos, clorotrifluoretileno, polifluoruro de vinilideno,
poliéster.
•
OLOR Y SABOR: Las condiciones exigidas en el embalaje y
refrigeración de alimentos, eliminarán muchos plásticos.
Después de analizar las ventajas y desventajas que ofrecen los diversos tipos
de plásticos, como se vió anteriormente, con respecto a las necesidades
(resistencia, dureza, flexibilidad) que se tienen para la construcción de la
prótesis de pie, se determinó que el material en el que se construya debe ser
60
un plástico elástico que permita una cierta flexibilidad en secciones delgadas.
Uno de los materiales que brinda estás características es el poliuretano.
El poliuretano permite ser moldeado reproduciendo la forma deseada, en éste
caso cada una de las partes componentes de la prótesis de pie, además, éste
material tiene una buena fluencia y buena estabilidad dimensional lo cual
permite obtener piezas finales de alta precisión. Sin importar que las piezas
que se van a elaborar posean secciones delgadas y gruesas el poliuretano se
puede trabajar sin ningún problema.
A continuación se exponen las principales razones por las cuales se escogió el
poliuretano para construir cada una de las partes de la prótesis de pie:
1.
Condiciones mecánicas de operación (Resistencia requerida a la
flexión, al impacto, desgaste, fatiga, fractura, etc.).
2.
Disponibilidad del material (Laminado, tubo o necesidad de moldear).
3.
Proceso de fabricación y montaje (Costo de maquinado, posibilidad de
moldeado, tolerancias, etc.).
4.
Costo del material.
5.
Reproducción de detalles exactos.
6.
Amplia variedad de formulaciones
7.
Flexibilidad, permitiendo fácil desmoldamiento del modelo original.
8.
Duran por mucho tiempo, permitiendo múltiples reproducciones.
9.
Gran versatilidad para el diseño
10. Adaptación a aplicaciones específicas.
11. Muchas copias lo que significa ahorro de dinero.
8.4.1. Poliuretano rígido (Pur): El poliuretano es un agente químico,
ampliamente utilizado en diversos procesos industriales. Fue en 1937, cuando
el químico alemán, Otto Bayer (1902-1982), logró la primera sintetización del
poliuretano.
61
El poliuretano procede básicamente de dos productos: el petróleo y el azúcar,
para obtener, después de un proceso químico de transformación, dos
componentes básicos, llamados genéricamente POLIOL (Mezcla de polioles
con
grupos
reactivos
-OH,
conteniendo
catalizadores,
ignifugantes,
expandentes y agentes estabilizadores de la espuma) e ISOCIANATO (Grupos
reactivos -NCO). La mezcla en las condiciones adecuadas de estos dos
componentes proporciona, según el tipo de cada uno de ellos, una espuma
rígida, o bien una espuma flexible, o un elastómero, o una espuma semirígida,
etc. Los poliuretanos no son polímeros con unidades repetidas de uretano en
forma regular y carecen por lo general de una fórmula empírica que los
represente a todos.
Para la elevación de espuma, se emplea agua que reacciona con los
isocianatos para formar dióxido de carbono y urea. Las estructuras de urea así
formadas son las responsables de un incremento adicional en la dureza.
La mezcla de los dos componentes poliol e isocianato, que son líquidos a
temperatura ambiente produce una reacción química exotérmica. Esta reacción
química se caracteriza por la formación de enlaces entre el poliol y el
isocianato, consiguiendo una estructura sólida, uniforme y muy resistente.
Además, el calor que desprende la reacción puede utilizarse para evaporar un
agente expansor que rellena las celdas que se forman, de tal modo que se
obtiene un producto sólido, que posee una estructura celular, con un volumen
muy superior al que ocupaban los productos líquidos.
Para la obtención de poliuretanos (PUR) se pueden utilizar compuestos de baja
masa molar, agentes entrecruzadores de la matriz polimérica y extendedores
de la cadena. Así, entre más densa es la reticulación, más duro será el
poliuretano. Los poliéteres alifáticos y aromáticos proveen suavidad y
flexibilidad, el grupo uretano confiere polaridad y enlaces de hidrógeno, y un
entrecruzamiento suave produce enlaces intermoleculares fuertes lo que da
alta fortaleza, elasticidad y resistencia a la abrasión. Por otro lado, la polaridad
del uretano junto con los enlaces de hidrógeno y el entrecruzamiento produce
resistencia química.
62
El grado de entrecruzamiento se define como la concentración de puntos de
unión
efectivos
en
la
red
polimérica.
Un
aumento
del
grado
de
entrecruzamiento en una muestra, podría ser causa de que el material sea
amorfo, más rígido, con mayores módulos, reduciendo su elongación y el
hinchamiento por disolventes, así como incrementar la temperatura de
transición vítrea.
8.4.1.1. Propiedades Y Ventajas: El poliuretano posee un coeficiente de
transmisión de calor muy bajo, menor que el de los aislantes tradicionales
(corcho, fibra de vidrio, lana mineral, poliestireno expandido, etc.), lo que
permite, para una necesidad dada, un menor espesor de material aislante.
•
Duración indefinida. Existen aplicación por más de 30 años, sin
desmejorar sus propiedades.
•
No permite el crecimiento de hongos y bacterias. Tampoco lo afecta el
ataque de roedores ni insectos.
•
Alta resistencia al ataque de ácidos, hidrocarburos, aceites y solventes.
•
Buena estabilidad dimensional.
•
Peso reducido y flexible.
•
Rapidez de ejecución.
•
Buenas propiedades térmicas.
•
Tiene una alta resistencia a la absorción de agua.
•
Altísima resistencia a la abrasión.
•
Máxima resistencia a la carga.
•
Excepcional absorción de impactos.
•
Drástica reducción de ruido.
•
Antiadherente - bajo coeficiente de fricción.
•
Resistencia a la intemperie.
•
Mecanizable.
•
Rapidez y bajo costo de prototipos y lotes pequeños.
•
Estabilidad de características en el tiempo.
63
•
Excelente resistencia al corte y desgarro.
•
Resistencia a temperaturas bajas.
•
Alta capacidad de carga.
Los poliuretanos puede ser cualquier polímero que contenga un enlace uretano
en su cadena principal como se muestra en la figura 26.
Figura 26. Enlace uretano30.
La alta relatividad de los grupos isocianato R-N=C=O en condiciones no muy
exigentes, es una vía interesante para producir polímeros cuando se requiera
de una funcionalidad múltiple. En general un grupo isocianato reacciona con
todo tipo de compuestos que contengan hidrógenos activos, como puede ser el
caso de moléculas de agua, alcoholes, aminas o ácidos.
Los poliuretanos son capaces de unirse perfectamente por enlace por puente
de hidrógeno y así pueden ser muy cristalinos. Por esta razón se utilizan a
menudo para hacer copolímeros en bloque con polímeros de estructura similar
al caucho. Estos copolímeros en bloque tienen características de elastómeros
termoplásticos.
Hoy en día, el poliuretano, es muy usado en fabricación de pinturas sintéticas,
destacándose, la de los automóviles. Las cuales logran una alta adherencia al
metal y gran resistencia a la inclemencia del tiempo. Así mismo, el poliuretano,
en la actualidad, también es utilizado en la fabricación de espumas; incluso en
la fabricación de paneles aislantes, para cámaras frigoríficas. Logrando un muy
30
Tomado de http://pslc.ws/spanish/urethane.htm
64
buen aislamiento del frío. Éste proceso requiere la inyección de agua, en el
poliuretano provocando que el material, se infle literalmente. Pero la ventaja de
su utilización como aislante, es que a diferencia de las espumas normales, las
cuales presentan poros abiertos, el poliuretano logra un acabado sin poros. Sin
aquella cualidad, sería inútil su utilización en el campo de la refrigeración
industrial.
Las ventajas que presenta el poliuretano con respecto a algunos materiales
muy utilizados en aplicaciones industriales se ilustran en la tabla 3:
Tabla 3. Ventajas de poliuretano frente a otros materiales.31
METALES
PLASTICOS
CAUCHOS
Memoria
elástica
y Memoria
elástica
y Mejor aspecto externo ausencia de fragilidad
ausencia de fragilidad
diversidad de colores
Menor
tiempo
de Menor
tiempo
de Resistencia al ataque
desarrollo de partes y desarrollo de prototipos químico
y
a
la
prototipos
y producción
intemperie
Resistencia
a
los Resistencia
a
los Menor costo de utillajes
lubricantes y solventes
lubricantes y solventes
Mayor
tiempo de Menor costo de utillajes Mayor vida útil
duración
Menor costo de utillajes Amplio rango de dureza Memoria de forma
Menor peso
Amortiguación
Excelente absorción de
impacto y vibración
Mayor resistencia al
Amplia gama de dureza
medio ambiente
No se magnetiza con el
Mayor capacidad de
uso
carga
En definitiva, la mayoría de los objetos que diariamente se encuentran están
fabricados entera o parcialmente por componentes de plástico: televisores,
carpetas,
bolígrafos,
mecheros,
calculadoras,
ordenadores,
discos,
electrodomésticos; y así podría hacerse una interminable lista de cosas para
las que la tecnología actual recurre al empleo de plásticos.
El gran empleo de materiales plásticos se debe fundamentalmente a que su
precio es muy competitivo, y a que sus propiedades son muy ventajosas
31
Polímeros FRAKTAL LTDA
65
respecto a otros materiales a los que sustituyen; incluso, han sido
imprescindibles para el desarrollo de algunos procesos técnicos.
Otro punto a favor del poliuretano, es que resiste muy bien el impacto de
solventes químicos. Con lo cual, puede ser utilizado en una amplia gama de
procesos productivos. De la misma manera, contiene una flexibilidad mayor, a
la de otros agentes similares. Con la característica especial, que al ser
contornado, retorna a su forma original.
El poliuretano abarca una amplia gama de dureza, como ningún otro
elastómero o plástico convencional como puede verse en la figura 27.
Figura 27. Escala de dureza del poliuretano32.
A = Cauchos; B = Poliuretano; C = Fluorocarbonato; D = Polipropileno;
E = Plásticos; F = Poliestireno; G = Nylon; H = Acrílico; I = Fenólicas
8.4.1.2. Características Del Poliuretano: Debido a que el material en el que
se construyeron las partes de la prótesis no esta caracterizado por el fabricante
se tuvieron que buscar materiales que fueran semejantes a éste para así llegar
a tener algunos datos. Por esta razón los datos que se presentan en la tabla 4
son aproximados.
32
Ibid.
66
Tabla 4. Características del poliuretano
CARACTERÍSTICAS DEL
POLIURETANO
Dureza
15 Shore A – 75 Shore D
Densidad
1.18 gr/cm^3
Módulo de elasticidad
1.56 GPa
Temperatura
máxima
de 80 – 100 ºC
funcionamiento
Resistencia a la abrasión
115 mg
Porcentaje de contracción
0.6%
Coeficiente de Poisson
0.44
Resistencia al desgarro
108 KN/m
Alargamiento a la rotura
420%
Esfuerzo de Von Misses
53.08MPa
67
9. PROCESOS DE FABRICACIÓN
Muchos proyectos están limitados por aspectos económicos del proceso que
debe emplearse en su fabricación. Por ejemplo el número de piezas a obtener,
puede eliminar el proceso de moldeo por inyección e indicar como más
adecuado un proceso de colada. Ciertas piezas pueden fabricarse más
baratas, obteniéndolas por maquinado normal, a partir de laminados o de
tubos, barras u hojas fabricadas por extrusión. Las inserciones encarecen
enormemente el corte de la piezas fabricadas con termoplásticos, por lo que
puede ser más ventajoso diseñar el producto de modo que las inserciones se
monten después del moldeo, haciendo posible, de éste modo, el moldeo
totalmente automático así como el acoplamiento de las inserciones también
automáticamente.
Los verdaderos factores limitantes son ciertas consideraciones en el diseño del
molde, contracción del material, las operaciones posteriores de montaje o
acabado, las tolerancias dimensionales permisibles, contrasalidas, inclusión de
inserciones, líneas de partición, secciones frágiles, acabados.
9.1.
ORIGENES DE LA FUNDICIÓN
El método de cera perdida introducido por los griegos durante el siglo VI a. de
C., es el más extendido, demostrándolo las numerosas piezas como estatuas,
vasijas y joyas elaboradas en esta técnica por diferentes culturas ver figura 28.
68
Figura 28. Piezas realizadas por fundición a la cera perdida. QUIMBAYA.
Colgante antropomorfo. TOLIMA. Pectoral antropo-zoomorfo33
La característica que hace funcional el uso de la cera en este proceso es su
capacidad y relación de contracción, así como su maleabilidad la cual permite
funcionar muy eficientemente en este proceso de moldeo pero basados en una
cera de características especiales.
En los orígenes de ésta técnica se utilizaban los metales ya que poseen una
propiedad bastante llamativa y que ha contribuido al desarrollo de la
humanidad, ésta propiedad es la ductilidad debido a que a estos materiales se
les puede dar forma por alguno de los procedimientos mecánicos de uso
frecuente.
Parece que el martillado, por ser una técnica de la edad de piedra, fue utilizada
antes que la fundición. Sin embargo, los objetos que se puedan hacer por
martillado no son variados. Por él se puede convertir una pepita de oro en una
lámina. El oro tiene la característica de no requerir fundir varias pepitas juntas
para fabricar una lámina grande, sino que basta con martillarlas juntas para que
se suelden. Esto no sucede con la plata y el bronce lo cual puede ser una de
las razones para que el oro fuera el primer metal trabajado por el hombre.
La fundición tiene sus raíces en la cerámica. Si el metal se calienta en el
interior de un recipiente, llamado crisol, al alcanzar una cierta temperatura que
33
Tomado de
http://www.lablaa.org/blaavirtual/publicacionesbanrep/bolmuseo/1978/bol2/bof1.htm
69
es diferente según el material que se utilice, éste se licua. La temperatura a la
que esto sucede se llama temperatura de fusión del material.
En los procesos de fundición se requieren otro tipo de herramientas que las
empleadas en la deformación. Para fundir es indispensable disponer de un
crisol en cuyo interior se coloque el metal a fundir.
Una vez que se tenía fundido el metal era necesario colarlo (verterlo) en un
molde. Si se verte el metal líquido o fundido en un molde, dicho metal tiene la
propiedad de llenar el molde y tomar como forma exterior, la forma interior del
molde. En definitiva, un molde no es otra cosa que un recipiente fabricado de
un material que no sea fácilmente destruido por el calor.
La fundición a la cera perdida fue el proceso básico utilizado por los orfebres en
la fabricación de la mayoría de sus piezas. Los collares y mascaras fueron
elaboradas con esta técnica como puede verse en la figura 29.
Fig. 29. Collares elaborados por fundición a la cera pedida. Quimbaya. Sinú
Temprano34.
9.1.1. Acabado
9.1.1.1 Dorado: Los orfebres precolombinos doraron sus piezas con diversos
fines; entre éstos, seguramente prevaleció la necesidad de proteger las
elaboradas en tumbaga, contra la rápida oxidación del cobre.
34
Uribe Villegas, Maria Alicia. 2002. Milenios de historia en el Cauca medio. Sitio web Museo
del Oro, Banco de la República, Bogotá.
70
Entre los métodos de dorado se destacó el llamado por oxidación: calentando
un objeto tumbaga, el cobre se oxida, produciendo una película superficial de
óxido de cobre, que era retirada por medio de una solución ácida (para la cual
utilizaban plantas).
Al limpiar el óxido de cobre, la superficie de la pieza
quedaba recubierta de una capa de oro.
9.1.1.2. Bruñido: Con herramientas metálicas, de cuerno, hueso o piedra, se
hacía una presión regular sobre la pieza para alisarla.
9.1.1.3 Pulido: Cuando se quería obtener una superficie homogénea y
brillante, se pulían las piezas frotándolas con agua y un abrasivo, como la
arena.
Con esto se puede ver que la técnica de fundición a la cera perdida existe
desde hace mucho tiempo y ahora es uno de los procesos perfeccionados y
más utilizados en la fabricación de piezas para diferentes fines.
9.2.
FUNDICIÓN DE PRECISIÓN O FUNDICIÓN A LA CERA PERDIDA35
La fundición de precisión es un proceso de producción de piezas que requieren
precisión dimensional y calidad metalúrgica, que permite a las partes obtenidas
satisfacer tolerancias de diseño, con muy poco o ningún maquinado lo cual
disminuye los costos de producción. Esto permite poner en práctica el proceso
para desarrollar prototipos o una producción normal de piezas.
La fundición de precisión también es conocida con el nombre de fundición a la
cera perdida, debido a que el modelo de cera se pierde en el molde antes de
fundirse. Este proceso consiste en la creación de un modelo en cera de la
35
Tomado de http://materias.fcyt.umss.edu.bo/tecno-II/PDF/cap-222.pdf
71
pieza que se requiere, este modelo debe tener exactamente las características
deseadas en la pieza a fabricar. El modelo de cera es revestido con yeso o un
material cerámico que soporte el metal fundido. Luego el conjunto se introduce
a un horno, con ello el material cerámico se endurece y el modelo de cera se
derrite, obteniendo así el molde. En el molde fabricado se vacía el metal
fundido y se obtiene la pieza deseada.
Los pasos en la fundición a la cera perdida se describen en la figura 30. Como
los modelos de cera se funden después que se hace el molde refractario, se
debe fabricar un modelo para cada fundición. En los casos donde la forma de la
pieza es complicada, se juntan varias piezas de cera para hacer el patrón
(paso1). En operaciones de alta producción se pegan varios patrones a un
bebedero de colada, hecho también de cera, para formar un modelo de árbol
(paso 2), ésta es la forma que tomará el metal fundido. El recubrimiento con
refractario (paso 3) se hace generalmente por inmersión del árbol patrón en un
material refractario de grano muy, fino (casi en forma de polvo) mezclado con
yeso que sirve para unir el molde. El grano fino del material refractario provee
una superficie lisa que captura los intrincados detalles del modelo de cera. El
molde final (paso 4) se forma por inmersiones repetidas del árbol en el
refractario o por una compactación cuidadosa del refractario alrededor del árbol
en un recipiente. (Paso 5) el molde se sostiene en posición invertida y se
calienta para fundir la cera y dejar que escurra fuera de la cavidad; (paso 6) el
molde se precalienta a una alta temperatura para asegurar la eliminación de
todos los contaminantes del molde, esto también facilita que el metal fluya
dentro de la cavidad y sus detalles, el metal se vacía y solidifica; (paso 7) el
molde se rompe y se separa de la fundición terminada. Las partes se separan
del bebedero de colada.
72
Fig. 30. Pasos en la fundición a la cera perdida36.
Las ventajas de la fundición a la cera perdida son:
•
Capacidad para fundir piezas complejas y con mucho detalle.
•
Mayor libertad de diseño limitada por tamaño y peso.
•
Estrecho control dimensional con posibles tolerancias de ± 0.076 mm.
•
Buen acabado de la superficie.
•
Elaboración de racimos para producción en serie.
•
Fácil desmoldeo.
•
Recuperación de la cera para reutilizarla.
•
Por lo general no se requiere maquinado adicional.
•
Disminución de los costos de producción.
Sus desventajas son:
36
•
Se requiere de un modelo para obtener el molde en cera.
•
Necesidad de modelos de cera y moldes refractarios desechables.
•
El peso máximo es de 25 Kilos y en algunos casos hasta 50 Kilos.
Ibid., p. 80.
73
•
Las tolerancias deben existir solo para zonas críticas de lo contrario los
costos de producción se incrementan.
Para la fundición se emplean materiales muy variados como lo son:
•
Los metales blandos
•
Aleaciones de aluminio
•
Hierro
•
Latón
•
Yeso
•
Plásticos, goma y otros compuestos.
Cada material tiene características especiales que deben tenerse en cuenta al
emplearse en un modelo.
9.3.
9.3.1
TIPOS DE MOLDES
Molde Desechable: Como su nombre lo indica éste tipo de molde se
desecha o destruye después de haber sido utilizado, es decir, solo sirve para
una reproducción. Este tipo de molde es poco utilizado por la necesidad de
realizar un molde cada vez que se vaya a fundir, pasando a ser un trabajo
tedioso; además, esto puede incrementar los costos de producción. A
continuación se explican algunos moldes de éste tipo.
9.3.1.1. Molde De Arena: El moldeo en arena requiere de la preparación y el
mezclado de las materias primas, que incluyen arena, aglutinantes, aditivos y
agua. Los aglutinantes son materiales que ofrecen cohesión a la arena. Para la
fundición en molde de arena se realiza el moldeo en arena de fundición,
alrededor de un patrón adecuado de tal manera que este pueda retirarse,
74
dejando una cavidad de la forma requerida en arena. Para facilitar este
procedimiento, el molde de arena se divide en dos o más partes.
En vaciados de formas simples, puede usarse un molde de dos partes, en el
que cada mitad esta contenida en un marco en forma de caja.
La arena es el material básico que se emplea para confeccionar los moldes,
para los diversos tipos de metales y aleaciones que usualmente se producen
en los talleres y fabricas de producción. Algunos de los tipos de arena
empleados para el moldeo de fundición son:
•
Arena Verde: es una arena húmeda.
•
Arena seca: es aquella a la que se le ha eliminado toda la humedad
antes de efectuar la colada.
•
Arenas de revestimiento o de contacto: es la que se aprisiona contra la
cara del moldeo y una vez extraído este, formará la capa interna del
molde.
•
Arena de relleno: procede de los moldes ya colados y vuelve
nuevamente a utilizarse después de preparada para rellenar el molde
durante el moldeado.
Los defectos que se presentan en moldes de arena son debidas a fallas
técnicas como:
•
Mala práctica en la fusión.
•
Mala práctica en el vertido.
•
Moldeo pobre.
•
Diseño incorrecto del moldeo, composición incorrecta del metal.
Si un vaciado tiene soportes inadecuados los efectos de rechupe se pueden
manifestar como porosidad interna, cavidades, o bien, en la forma de
depresiones en la superficie del vaciado.
•
Burbujas
75
•
Inclusiones
•
Pliegues fríos
•
Roturas en caliente.
9.3.1.2.
Molde En Cera: Como se pudo ver anteriormente en el proceso de
fundición a la cera perdida se utiliza un molde de cera que es revestido por un
material cerámico y posteriormente se introduce en un horno. Allí se destruye
el molde de cera y endurece el revestimiento cerámico, el cual, después de
haber vaciado el material en el que se realiza el molde, es sometido a
vibraciones para romper esta carcasa y obtener la pieza deseada.
9.3.2. Molde Permanente37: En la fundición con molde permanente, el molde
se reutiliza muchas veces.
La fundición en molde permanente usualmente maneja un molde metálico
construido en dos secciones que están diseñadas para cerrar y abrir con
precisión y facilidad. La cavidad junto con el sistema de vaciado se forma por
maquinado en las dos mitades del molde a fin de lograr una alta precisión
dimensional y un buen acabado superficial. Los metales que se funden
comúnmente en molde permanente son: aluminio, magnesio, aleaciones de
cobre y hierro fundido, Sin embargo, el hierro fundido requiere una alta
temperatura de vaciado, 1250 ºC a 1500 ºC, lo cual acorta significativamente la
vida del molde. Las temperaturas más altas de vaciado para el acero, hacen
inapropiado el uso de moldes permanentes para este metal, a menos que se
hagan en moldes de material refractario.
En este proceso es posible usar corazones para formar las superficies
interiores del producto a realizar. Los corazones pueden ser metálicos, pero su
forma debe permitir la remoción de la fundición, o deben ser mecánicamente
37
http://materias.fcyt.umss.edu.bo/tecno-II/PDF/cap-226.pdf
76
desmontables para permitir esta operación. Si la remoción del corazón metálico
es difícil o imposible se pueden usar corazones de arena, en este caso el
proceso de fundición es frecuentemente llamado fundición en molde
semipermanente.
Figura. 31. Pasos en la fundición en molde permanente
(1) el molde se precalienta y se recubre; (2) se insertan los corazones (en su caso) y se cierra el molde; (3) el metal
38
fundido se vacía en el molde y (4) el molde se abre. La parte terminada (5) .
Los pasos del proceso de fundición con molde permanente se pueden ver en la
figura 31. Los moldes se precalientan primero para prepararlos, y se rocía la
cavidad con uno o más recubrimientos. El precalentamiento facilita el flujo del
metal a través del sistema de vaciado y de la cavidad. Los recubrimientos
ayudan a disipar el calor y a lubricar la superficie del molde para separar
fácilmente la fundición. Tan pronto como solidifica el metal, el molde se abre y
se remueve la fundición. A diferencia de los moldes desechables, los moldes
permanentes no se retraen, así que deben abrirse antes de que ocurra la
contracción por enfriamiento para prevenir el desarrollo de grietas en la
fundición.
De las ventajas de la fundición en molde permanente se destacan: buen
acabado de la superficie y control dimensional debido a la contracción nula del
38
Ibid., p. 82.
77
molde. Además, la solidificación más rápida causada por el molde metálico
genera una estructura de grano más fino, de esta forma pueden producirse
fundiciones más resistentes. El proceso está limitado generalmente a metales
de bajo punto de fusión. Debido al costo sustancial del molde, el proceso se
adapta mejor a producciones de alto volumen que pueden automatizarse. Las
partes típicas que se producen con proceso de molde permanente incluyen
pistones automotrices, cuerpos de bombas y ciertas fundiciones para aviones y
proyectiles.
El molde en la fundición de molde permanente también puede estar hecho de
otros materiales que no sea necesariamente aluminio, magnesio, aleaciones de
cobre y hierro fundido; también pueden estar hechos de yeso, látex, caucho
silicona. Algunos de estos moldes se explican a continuación.
9.3.2.1.
Molde Hueco
Figura 32. Modelo de la pieza39
La fundición hueca es un proceso de molde permanente el cual es empleado
en su mayoría en la elaboración de estatuas pequeñas las cuales se pueden
vaciar en bronce macizo, pero el enorme peso que tendría una estatua grande
de bronce junto con la cantidad de metal que se requeriría para su
manufactura, favoreció el desarrollo de sistemas para vaciar en hueco, de
modo que la estatua posea una fina capa de metal rodeando un núcleo macizo
de algún material incombustible. Esto se consigue vertiendo el metal fundido en
39
Tomado de http://www.alfaarte.com/cast/area_corpo.php
78
un estrecho espacio comprendido entre el núcleo y un molde sacado, directa o
indirectamente, de un modelo; una vez enfriado el metal y solidificado, se saca
el molde.
El primer método utilizado para el vaciado consistía en preparar un modelo en
arcilla de tamaño ligeramente menor al que se pretendía que tuviera la pieza
acabada. Después lo cubría con una capa continua de cera que modelaba con
todo el detalle que exigía el acabado en bronce. Esta capa quedaba cubierta a
su vez por otras de arcilla fina para formar un molde de una pieza. Una vez
calentado el conjunto, la cera se derretía entre el molde y el relleno y el espacio
que dejaba aquélla se llenaba de metal fundido. Este método tiene el
inconveniente de que si algo va mal durante la operación de vaciado, el modelo
original se pierde. Para evitar esto, se ideó un segundo método según el cual
se prepara un molde por piezas. Se construye un modelo de la pieza a realizar
al tamaño definitivo y se hacen moldes de secciones de la misma con escayola.
Se hacen piezas separadas cuando hay alguna zona socavada, para facilitar el
levantamiento del molde por piezas sin dañar el modelo. El molde por piezas se
forra de cera y se construye un relleno de algún material refractario como la
arcilla, que luego se refuerza con una armazón de hierro. Se saca el molde por
piezas y se elabora uno de una sola pieza en torno al relleno y la cera, como se
hacía en el método anterior. En ambos procedimientos es necesario sostener el
relleno en posición dentro del molde, de modo que la cera, cuando se funda, no
se desvíe. Esto se consigue haciendo el armazón de hierro más grande que la
pieza para que se extienda hasta dentro del molde, o también colocando unas
varillas de cobre que atraviesen el molde y la cera y lleguen al relleno. Éstas se
pueden recortar a ras de la superficie del metal una vez hecho el vaciado. Hay
que hacer orificios de ventilación en el molde para que los gases que se
producen delante del metal fundido, durante el vaciado, puedan salir.
En estas piezas realizadas por fundición hueca lo importante es la apariencia
exterior, pero la resistencia y la geometría interior de la fundición no son
relevantes.
79
9.3.2.2.
Molde De Yeso: La fundición con moldes de yeso es similar a la
fundición en arena, excepto que el molde está hecho de yeso en lugar de
arena. Se mezclan aditivos como el talco y la arena de sílice con el yeso para
controlar la contracción y el tiempo de fraguado, reducir los agrietamientos e
incrementar la resistencia. Para fabricar el molde, se hace una mezcla de yeso
y agua, se vacía en un modelo de plástico o metal en una caja de moldeo y se
deja fraguar. En este método, los modelos de madera son generalmente
insatisfactorios, debido al extenso contacto con el agua del yeso. La
consistencia permite a la mezcla de yeso fluir fácilmente alrededor del patrón,
capturando los detalles y el acabado de la superficie. Ésta es la causa de que
las fundiciones hechas en moldes de yeso sean notables por su fidelidad al
patrón.
El curado del molde de yeso es una de las desventajas de este proceso, al
menos para altos volúmenes de producción. El molde debe dejarse fraguar
cerca de 20 minutos antes de sacar el molde y, posteriormente, debe cocerse
por varias horas para remover la humedad. Aun cocido, el yeso no se
desprende de todo el contenido de humedad. El problema es debido a que la
resistencia del molde se pierde cuando el yeso se deshidrata y, en el caso
contrario, la humedad remanente puede causar defectos en el producto de
fundición, por tanto es necesario encontrar un equilibrio entre estas alternativas
indeseables. Otra desventaja del molde de yeso es que no es permeable
limitando el escape de los gases de la cavidad del molde. Este problema puede
resolverse de varias maneras:
•
Evacuar el aire de la cavidad del molde antes de vaciar.
•
Batir la pasta de yeso antes de hacer el molde, de manera que el yeso
fraguado contenga pequeños poros dispersados.
•
Usar composiciones especiales del molde y un tratamiento llamado
“proceso Antioch”. Este proceso consiste en utilizar cerca de un 50% de
arena mezclada con el yeso, calentar el molde en una estufa que usa
vapor sobrecalentado a presión, y después secar. El molde resultante
tiene una permeabilidad considerablemente más grande que el molde de
yeso convencional.
80
Los moldes de yeso no pueden soportar temperaturas tan elevadas como los
moldes de arena. Por tanto, están limitados a fundiciones de bajo punto de
fusión como aluminio, magnesio y algunas aleaciones de cobre. Su campo de
aplicación incluye moldes de metal para plásticos y hule, impulsores para
bombas y turbinas, y otras partes cuyas formas son relativamente complejas.
Las ventajas de los moldes de yeso para estas aplicaciones son su buen
acabado superficial, su precisión dimensional y su capacidad para hacer
fundiciones de sección transversal delgada40.
9.3.2.3.
Molde Flexible41: Los moldes flexibles evitan muchos de los
problemas de desmolde de los moldes rígidos, como los de yeso, por lo que
resultan ideales para los modelos complicados, que requieren de gran detalle.
Hay varios tipos de molde flexible, siendo los más comunes los de hule látex,
los de hule de silicón, poliuretano y polisulfito. Los hules de silicón, poliuretano
y polisulfito vulcanizan a la temperatura ambiente y secan relativamente aprisa
después de haber sido mezclados con un catalizador o agente endurecedor.
Los moldes flexibles tienen muchas ventajas sobre los moldes rígidos como es
el caso de los moldes de yeso:
•
Su forma externa puede ser irregular sin afectar las características del
modelo.
•
Reproducción perfecta de detalles.
•
Excelente acabado superficial.
•
Larga vida útil.
•
Gran flexibilidad a la hora del desmoldeo.
•
Antiadherencia.
40
http://www.emagister.com/procesos-fundicion-cursos-1027332.htm#formularioinf
LESUR, Luis. Una Guía Paso a Paso : Manual de Moldes y Vaciado. México : Trillas, 2003.
p. 30-49
41
81
•
Buena resistencia al desgarramiento.
9.3.2.3.1. Moldes De Látex: El látex es un material de manejo seguro, no
tóxico, preparado generalmente con una base de amoniaco para que su
evaporación sea más rápida. Se trata de un material muy elástico que produce
sobre el modelo una especie de guante de hule. El látex es muy versátil con el
que se pueden hacer hasta 50 copias antes de que comience a deteriorarse;
también es una de las sustancias para fabricar moldes flexibles menos costosa,
con la ventaja de que no requiere mezclarse con ningún catalizador.
Resulta ideal para la reproducción de modelos pequeños de cerámica, yeso o
poliéster, en vaciados de los mismos materiales.
Los moldes de látex tienen la desventaja de que se hacen aplicando de 4 a 13
capas delgadas una sobre la otra; una vez que han secado las anteriores, cosa
que ocurre después de 2 a 4 horas. Cuando el molde tenga una espesor de
3mm el modelo se saca como si fuera una guante, tomando el látex de la parte
inferior, para voltearlo al revés, conforme se retira del modelo de abajo hacia
arriba. Después de tener el molde éste se llena con el material con el que se va
a hacer el vaciado. Una vez que éste ha secado, se retira el contramolde y el
molde de látex se quita como si fuera un guante.
9.3.2.3.2. Moldes De Hule De Silicón: La manera de trabajar los hules de
silicón, poliuretano y polisulfito es muy semejante. Todos se mezclan con el
catalizador y se aplica al molde de igual manera. Las proporciones de
catalizador varían respecto del hule, el tiempo de curado, la vida del hule ya
preparado antes de que endurezca, así como los materiales apropiados de los
modelos y los vaciados.
Estos materiales tienen la ventaja de que reproducen detalles muy finos y
resisten mejor el desgarre que los látex. Se desmoldan fácilmente, pues son
muy flexibles, por lo que los ángulos de desmolde no son tan críticos como los
82
moldes rígidos, además las muescas no impiden el desmolde, por lo que se
requieren menos piezas para hacer un molde complejo.
La duración de estos moldes, es por lo menos, el doble que la del látex, ya que
con ellos se pueden hacer hasta 100 copias, sin que se deterioren y no hay que
esperar tanto tiempo para que se sequen. Se puede aplicar en capas, igual que
el látex, o vaciar de golpe, en una caja de moldeo. Después de haber vaciado
el material en la caja de moldeo se deja secar alrededor de 24 horas y a
continuación se puede retirar el molde del modelo con precaución de no
romperlo.
9.3.3. Fabricación De Los Moldes42
9.3.3.1.
Arranque De Viruta: Los moldes hechos mediante el proceso de
mecanizado se fabrican generalmente en aceros mejorados por arranque de
viruta. Su fabricación exige más tecnología y mano de obra calificada lo que
aumenta los costos de producción en comparación con los moldes colados.
Aproximadamente el 90% de los moldes pueden fabricarse por este proceso en
el que interviene principalmente trabajos con torno, fresa, rectificado y pulido
posterior.
Normalmente se maquina en estado recocido y luego se someten a un alivio de
tensiones de mecanizado y finalmente, un tratamiento térmico de temple y
revenido. Su mayor empleo esta en la inyección de materiales fusibles como
ceras, plásticos con gran precisión dimensional. En algunos casos se hacen
con sistemas de refrigeración por agua o aire a alta velocidad.
42
MARTIN, Pedro Fernando y MARTINEZ, Solid. Optimización de moldes y ceras para
fundición de precisión. Bogotá, 1993, 80-120 p. Trabajo de grado (Ingeniero Mecánico).
Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería Mecánica.
83
9.3.3.2.
Troquelado o Estampado: Este es un proceso de arranque de
viruta que permite mediante un macho y una hembra obtener un contorno del
perfil deseado.
Se emplea principalmente cuando hay que obtener cavidades del molde con
una superficie de difícil geometría mediante el maquinado.
Su principal ventaja radica en que un contorno puede elaborarse mucho más
rápido, exacto y económico que con el proceso de arranque de viruta. El macho
templado que posee el contorno de la pieza a fabricar, se sumerge con presión
ascendente y a poca velocidad en la hembra o matriz recocida.
9.3.3.3. Electroerosionado: Es un proceso en el cual se aprovecha el efecto
de desgaste producido por descargas eléctricas breves y consecutivas con
tensiones alternas entre electrodo y molde sumergido en un líquido dieléctrico.
Mediante breves descargas sucesivas se calienta hasta la temperatura de
fusión y evaporación, un volumen limitado de la pieza y en menor proporción
del electrodo que se elimina explosivamente de la zona de trabajo mediante
fuerzas mecánicas y eléctricas, originando así cráteres en ambos electrodos
cuyas dimensiones dependen de si se realiza un desbaste o acabado.
El costo de fabricación de los moldes es muy elevado, pero su rendimiento es
el número de piezas que se pueden producir. Estos moldes tienen pocas
posibilidades de modificación, requieren de poco mantenimiento y no son muy
versátiles.
9.3.3.4.
Vaciado o Colada: Para la fabricación de un molde colado se parte
del modelo patrón el cual es medido y escalado a las contracciones y
dilataciones que intervengan en el proceso, seguidamente se aplica una
película de material desmoldante y se seleccionan los planos de partición.
Una vez preparado el modelo, es cubierto por yeso hasta el plano de partición.
Después de haber dejado secar el yeso se procede a girar el molde para
84
realizar la otra parte de éste, con el mismo procedimiento explicado
anteriormente. Cuando el molde completo haya secado se puede retirar el
modelo que esta incrustado en el molde, dejando libre la cavidad que ocupara
el material en el que se fabricarán las piezas.
9.4.
RENTABILIDAD DEL PROCESO43
En el proceso de fundición a la cera perdida o fundición con moldes flexibles, o
rígidos se presenta una gran exactitud en la obtención de las piezas que
también lleva consigo una disminución de costos debida a la reducción o
eliminación del mecanizado especialmente cuando las piezas tiene contornos
difíciles.
La rentabilidad depende en gran parte del tipo de pieza a fabricar ya que si
ésta, requiere mucho tiempo de maquinado, podría ser una solución
económica, pero si se trata de una pieza que requiere de solo un pequeño
maquinado no tiene sentido utilizar éste proceso.
Los factores que determinan la rentabilidad en el proceso son:
•
Formas de la pieza
•
Precisión dimensional
•
Cantidad de producción
•
Material a fundir
•
Mecanizado necesario comparado con otros procesos de fabricación.
Para implantar un proceso de fabricación sustituto de los convencionales, se
busca obtener ventajas técnicas y económicas considerando también que la
funcionalidad, la efectividad, la calidad y las tendencias de las piezas pueden
ser mejoradas aún cuando su costo sea un poco mayor. Es importante tener en
43
Ibid., p. 6-12.
85
cuenta que aún cuando se bajen los costos de producción, la calidad no lo
debe hacer. Los factores que influyen en la calidad de fundición de la pieza
son:
•
Exactitud del modelo
•
Exactitud de reproducción del modelo por parte del molde
•
Exactitud con la cual la fundición copia de forma original del molde
dependiendo del llenado y de la estabilidad dimensional del molde en el
vaciado.
•
El factor contracción que determina los cambios dimensionales durante
el enfriamiento.
•
Operaciones de acabado
Los factores que influyen en los costos de fabricación están determinados
principalmente por: el proceso de fabricación del molde ya sea que se realice
por electroerosionado, mecanizado o por colada; el número de piezas a fundir
ya que a mayor número de piezas se reduce los costos de producción y por lo
tanto el valor unitario de cada pieza, en el caso de fabricación de piezas en
racimos los bebederos y canales de alimentación deben tener un buen diseño
para obtener un mayor número de piezas y por lo tanto menores costos de
producción.
9.5.
MOLDEABILIDAD44
Desde luego, la pieza moldeada debe salir del molde una vez que ha curado.
Para una producción económica, es conveniente diseñar la pieza sin
contrasalidas o salientes que impidan su salida del molde. Es posible proyectar
moldes para la fabricación de piezas que ha de llevar contrasalidas pero esta
fabricación no es económica en muchos tipos de trabajo y por lo tanto, es mejor
44
DUBOIS, Op. cit., p. 43-105
86
evitarlos si es posible. Debe comprobarse todas las partes del proyecto para
estar seguros de que la pieza se podrá extraer del molde. Cuando no hay más
remedio que introducir contrasalidas o secciones con huecos laterales, se
construyen unas coquillas móviles que forman parte del molde. Estas coquillas
se sacan del molde con la pieza de la cual se separan después. Estas piezas
metálicas postizas aumentan considerablemente los costos del molde y del
moldeo. Las rebabas de éstas piezas se eliminan con dificultad, dando lugar en
mucha piezas a una fea apariencia. Siempre que sea posible deben evitarse
las coquillas desmontables en un molde, aun a costa de tener que volver a
tener que introducir cambios importantes en la pieza.
Muchas contrasalidas pueden eliminarse prolongando los resaltes internos o
salientes hasta el fondo y hasta la línea de partición. Las piezas que exigen
contrasalida en su interior se deben proyectar de nuevo como conjunto de dos
piezas moldeadas, añadiéndole simplemente una pieza metálica o, finalmente,
se puede lograr también mediante una operación de mecanizado. Un taladro
lateral prolongado hasta la pared interna puede servir para eliminar una
contrasalida en el interior. Algunas piezas sin salida pueden moldearse
haciendo deslizar o girar la pieza cuando se la separa del núcleo o macho del
molde.
A continuación se mencionan algunos aspectos a tener en cuenta en el diseño
del modelo y molde para su respectiva fabricación.
9.5.1. Líneas De Partición: Las líneas de partición constituyen un mal
necesario en todo moldeo. En éstas líneas de separación es donde hay que
separar las rebabas y en muchas piezas habrá que pulir. Los gastos de
limpieza se reducen empleando líneas de partición rectas que se limpian y
pulen fácilmente. Cuando las líneas de partición no siguen las aristas de la
pieza, deben situarse por encima de las superficies adyacentes, de modo que
éstas no se dañen o corten con las herramientas de limpieza. Estas líneas de
partición se llaman de reborde.
87
Las líneas de partición de la mayor parte de las piezas se sitúan en las aristas
o ángulos, fáciles de pulir en tambor giratorio, a lima o en torno. Cuando se
quita la rebaba se redondean los bordes o esquinas; por tanto, los diseños que
presentan un ángulo extremadamente vivo en la línea de partición no debe
adoptarse sin comprobar antes que el pequeño radio que se va a añadir
durante la operación de pulido no es perjudicial.
Las coquillas móviles y núcleos laterales producen líneas de rebaba que deben
tratarse como si se tratara de líneas de partición. Las áreas de la coquillas
móviles deben situarse detrás del plano de las superficies circundantes para
disminuir así el costo de pulido.
Si el diseño de la pieza exige una línea de partición irregular o compleja, será
mucho mejor tomar en consideración el empleo de un proceso de moldeo por
inyección o por transferencia que disminuye las líneas de rebaba.
9.5.2.
Contracción: Las dimensiones de una pieza moldeada se ven
afectadas por muchas variables tanto del método de moldeo como de los
materiales a moldear. Las variables de contracción introducen ciertos cambios
dimensionales
conocidos;
por
lo
tanto
es
conveniente
comprobar
inmediatamente todas las dimensiones y rechazar aquellos diseños que exijan
unas dimensiones que no puedan lograrse con los métodos convencionales.
Los materiales de moldeo se contraen después de que se extraen del molde.
La contracción depende de las características del material y de la temperatura
final de moldeo. Cuando no se controla bien la temperatura y la presión,
aparecen otras variables de contracción. La contracción mínima se logra
cuando se enfría el molde antes de expulsar la pieza. Con los materiales que
se moldean en frío, tiene lugar unas grandes variaciones dimensionales
después del moldeo, ya que el curado o endurecimiento tiene lugar fuera del
molde. Muchos de los materiales termoestables y termoplásticos corrientes
continúan su contracción varios meses después. Si se utiliza inserciones
largas, éstas pueden entorpecer la contracción normal y reducir la contracción
posteriormente al tratamiento térmico.
88
9.5.3.
Simplificación Del Modelo: El modelo debe ser lo más simple
posible evitando al máximo cavidades o entrantes que implique la fabricación
de un molde desarmable, debe tener la menor cantidad de machos y las
modificaciones correspondientes para aligerar su peso y facilitar su extracción
del molde.
9.5.4. Tolerancias En Artículos Moldeados: Las tolerancias en las
dimensiones de un artículo moldeado son las variaciones permitidas, en más o
menos, en una dimensión nominal o media. Las tolerancias precisas
representan una variación dentro de límites lo más estrecho posibles y se
obtiene solo mediante una perfecta supervisión y control de la producción.
Tolerancia normal es la que puede mantenerse en las condiciones medias de
fabricación y una tolerancia aproximada es sólo aceptable cuando las
dimensiones exactas no son importantes.
La fundición tiene sus tolerancias y limitaciones a la hora de realizar ciertas
operaciones. En el diseño de los modelos que se utilizan para construir un
molde es necesario considerar varias tolerancias.
•
Tolerancia para la contracción. Se debe tener en cuenta que un material
al enfriarse se contrae dependiendo del tipo de material que se esté
utilizando, por lo que los modelos deberán ser más grandes que las
medidas finales que se esperan obtener.
•
Tolerancia para la extracción. Cuando se tiene un modelo que se va a
remover es necesario agrandar las superficies por las que se deslizará,
al fabricar estas superficies se deben considerar en sus dimensiones la
holgura por extracción.
•
Tolerancia por acabado. Cuando una pieza es fabricada se hace
necesario realizar algún trabajo de acabado en las superficies
generadas, esto se logra puliendo o quitando algún material de las
piezas producidas por lo que se debe considerar en el modelo esta
rebaja de material.
89
•
Tolerancia de distorsión. Cuando una pieza es de superficie irregular su
enfriamiento también es irregular y por ello su contracción es irregular
generando la distorsión de la pieza, estos efectos deberán ser tomados
en consideración en el diseño de los modelos.
•
Golpeteo. En algunas ocasiones se golpean los modelos para ser
extraídos de los moldes, acción que genera la modificación de las
dimensiones
finales
de
las
piezas
obtenidas,
estas
pequeñas
modificaciones deben ser tomadas en consideración en la fabricación de
los modelos.
A continuación se muestran algunas de las tolerancias que se deben tener en
cuenta en el proceso de fundición.
9.5.4.1.
Rectitud45: Si se requiere una gran rectitud, será necesario efectuar
alguna operación mecánica posterior, el grado de precisión dependerá de la
razón longitud-espesor. Estas tolerancias son máximas, por lo que en la
mayoría de los casos pueden mejorarse. Los valores promedios según la
medida se muestran en la tabla 5.
Tabla 5. Tolerancias de rectitud
Longitud mm.
En fundición
Funcional mm.
mm.
25
0.25
0.25
50
0.38
0.25
100
0.50
0.38
150
0.75
0.50
Más de 150
0.25 x 25
0.13 x 25
9.5.4.2.
Planitud46: Debido a las contracciones en el enfriamiento, las
deformaciones se presentan cuando hay grandes superficies planas de
45
46
INDUMIL COLOMBIA. Catálogo de Microfundición. Bogotá, 1991. p. 14
Ibid., p. 15
90
espesor constantes. Se pueden enderezar por medios mecánicos. Estos
valores de acuerdo con el tamaño, se muestran en la tabla 6.
Tabla 6. Tolerancias de planitud
Longitud mm.
En fundición
Funcional
mm.
25.00
0.25
0.25
50.00
0.50
0.25
100.00
1.00
0.50
150.00
1.50
0.75
Más de 150.00
0.25 x 25
0.13 x 25
9.5.4.3.
Radios47: Las tolerancias máximas que se pueden obtener en
radios es de ±0.40 mm, por cada 25 mm, tanto para radios interiores como
exteriores.
A medida que el ángulo se cierra se debe aumentar el radio.
Figura 33. Tolerancias de radios
9.5.4.4. Concentricidad48: La concentricidad depende más de la conseguida
en el modelo y el molde, que en la propia operación de fundición, aunque
influye, el espesor de las paredes; en consecuencia se pueden conseguir
buenas tolerancias, tanto en diámetros exteriores como interiores.
47
48
Ibid.
Ibid., p.17
91
9.5.4.5. Secciones Paralelas49: Los elementos que disponen de secciones
paralelas
sujetas
solamente
por
una
extremidad,
pueden
obtenerse
normalmente dentro de las tolerancias generales, si bien se ha de tener en
cuenta que en las aleaciones frágiles o flexibles, difíciles de enderezar por
medios mecánicos, las tolerancias serán obtenidas en bruto de colada. Los
valores se muestran en la tabla 7.
Tabla 7. Tolerancia para secciones paralelas
Distancia entre secciones
En fundición Funcional mm.
mm.
mm.
13
±0.13
±0.08
13
±0.13
±0.13
25
±0.20
±0.13
38
±0.25
±0.20
50
±0.38
±0.25
9.5.4.6. Grosores: En la tabla 8 se muestran los valores de tolerancia
promedio.
Tabla 8. Tolerancias para el grosor de las paredes
Distancia En fundición
Corregida
6.25
± 0.075 mm
± 0.075 mm
12.50
± 0.125 mm
± 0.100 mm
18.50
± 0.175 mm
± 0.125 mm
25.00
± 0.175 mm
± 0.150 mm
9.5.5. Alabeado: Es conveniente evitar las grandes superficies ya que son
difíciles de mantener y tenderán, por lo tanto, a alabearse. Tales superficies
deben ser ligeramente convexas o abombadas. Una superficie abombada
constituye por si misma un efecto estructural que reduce el alabeamiento y, al
permitir un mejor flujo de material, se mejora el aspecto. Las grandes
49
Ibid.
92
superficies planas y siempre que sea posible, deben reforzarse en los bordes, y
si se colocan nervios en la parte inferior se reducirá el alabeamiento.
9.5.6. Conicidad De Desmoldeo: Para desmoldar las piezas, se da a las
paredes verticales del molde una cierta conicidad. En caso absolutamente
necesario, es posible obtener algunas superficies sin esta conicidad. Sin
embargo en la mayor parte de los trabajos, el no dar una conicidad adecuada,
es causa de muchos problemas de moldeo.
9.5.7. Espesor De Pared: Las secciones muy delgadas pueden exigir el
empleo de papel o tejido impregnado de resina. Un buen método de moldeo
exige una sección uniforme y espesor de pared mínimo si se quiere un curado
rápido y completo. Secciones gruesas junto a otras delgadas dan lugar a
ciertos trastornos tales como alabeamientos y a partes, unas que están poco
curadas y otras curadas en exceso. Los materiales termoplásticos presentan a
veces unas depresiones cóncavas en las partes gruesas, esto es debido a la
contracción interna que tiene lugar cuando solidifique el material del centro; de
éste modo tiran hacia dentro de la superficie externa.
9.5.8.
Tensiones Internas: Las piezas deben ser diseñadas teniendo en
cuenta la necesidad de reducir al mínimo, las tensiones internas generadas por
las diferentes contracciones en diversos puntos de la pieza y debe realizarse
tratamientos térmicos si es necesario para lograr las propiedades mecánicas
requeridas por la pieza.
9.5.9.
Rebordes Redondeados: Todas las aristas interiores deben
redondearse para facilitar el flujo del material y reforzar la pieza ya que cuando
los ángulos son vivos se rompen con más facilidad. Los moldes que han de
llevar ángulos vivos son con frecuencia más caros y frágiles que los que están
construidos con ángulos redondos.
93
9.5.10. Cantos Vivos Externos: En las líneas de partición se requieren cantos
vivos; pero en general son indeseables en cualquier otro punto. Todos los
cantos exteriores deben redondearse tanto como sea posible para ayudar el
flujo de material, reducir el costo del molde y evitar los cantos vivos en la pieza
moldeada que se astillan y rompen fácilmente durante las operaciones de
acabado.
9.5.11. Mecanización De Las Piezas: Debe considerarse la posibilidad de
colocar los aditamentos o resaltos necesarios para la fijación de la pieza en las
máquinas herramientas como el torno, la fresadora entre otros.
9.5.12. Filetes Y Roscas: No se recomienda hacer roscas directamente por
procesos de fundición ya que pueden presentarse alabeos, ovalamientos,
rugosidades y puede no dar las dimensiones necesarias.
9.5.13. Inserciones Y Piezas De Unión: En piezas de plástico se usan
inserciones en gran cantidad para obtener anclajes, rodamientos, y ejes,
secciones roscadas interior o exteriormente, articulaciones y para otros fines
funcionales o decorativos.
Las tolerancias deben ser precisas para que el compuesto de moldeo no
penetre en las roscas pero rodeándolas debe haber una cantidad suficiente de
material plástico para evitar que se rompa ya que la carga de la inserción va
sostenido por el compuesto adyacente. Las inserciones deben quedar
perfectamente ancladas en la pieza de plástico, sin que puedan arrancarse de
un tirón o puedan girar alrededor de sí mismas cuando estén sometidas a
esfuerzos.
La inserción de piezas no debe concebirse para reforzar mecánicamente a la
propia pieza moldeada, pues ésta, debe estar convenientemente diseñada para
soportar los esfuerzos necesarios.
Las inserciones deben colocarse en la parte hembra del molde y
perpendiculares a la línea de partición del molde.
94
9.5.14. Acabado Superficial: El mejor acabado para cualquier molde es una
superficie muy pulida. Con una superficie del molde muy pulida se disminuye la
adhesión de la pieza al molde, se mejoran las condiciones del flujo dentro del
molde y se obtienen piezas de buen aspecto.
95
10.
FABRICACIÓN DEL PROTOTIPO FINAL DE LA PROTESIS DE PIE
POR MEDIO DE VACIADO
La fabricación de las piezas finales de la prótesis de pie se realizó por medio de
moldeado y vaciado a partir de las piezas de yeso construidas por prototipado
rápido (figura 34).
Figura 34. Piezas en yeso
En primer lugar, se realizaron los moldes de cada una de las piezas. Estos
moldes se caracterizan por ser moldes flexibles de poliuretano con una dureza
de 55 Shore A, ya que permiten el fácil desmoldeo de las piezas y además
disminuye el riesgo de desgarre de la pieza y del molde cuando se esta
desmoldando.
Para la planta se realizó el montaje que se muestra en la figura 35 en el cual se
posiciona el bebedero y el canal de alimentación, por el bebedero se vacía el
material en estado líquido y a partir de este se distribuye hacia el canal de
alimentación que permite llenar la pieza. Los apoyos que tiene la pieza en la
parte inferior son canales que permite corroborar que la pieza esta totalmente
llena y además permitir que salga el aire contenido en el molde a medida que
se va llenando en el momento de vaciarlo.
96
Se debe tener en cuenta que la pieza debe estar perfectamente limpia y libre
de cualquier rebaba o grieta no cubierta ya que esto puede reproducirse en el
molde.
Figura 35. Montaje del modelo de la planta
Debido a que las piezas de yeso son porosas se debe evitar que el material del
molde se adhiera a la pieza y ocasione dificultades de desmoldeo y destrucción
parcial del molde. Es por esta razón que el siguiente paso es aplicar una capa
de desmoldeante para no permitir que el material del molde se adhiera a la
pieza original y facilitar la extracción de esta pieza del molde.
97
Figura 36. Desmoldante
Después se acondiciona una caja de moldeo la cual permite contener el
material del molde como puede verse en las figuras 37 y 38. Se debe tener en
cuenta que los bordes de la caja no tengan ningún orificio por el que se pueda
salir el material en el momento del vaciado.
Figura 37. Caja de moldeo
98
Figura 38. Caja de moldeo y recubrimiento de bordes
En este momento ya se ha preparado el material del molde el cual lleva un
tratamiento especial y unos componentes específicos dentro de los cuales se
tiene un poliol y un isocianato que son los elementos característicos del
poliuretano. La mezcla tiene como característica que no posee ningún tipo de
burbujas ya que ha sido sometida a una campana de vacío.
Figura 39. Vaciado del poliuretano
99
En la figura 40 se puede ver que el molde esta totalmente lleno y que al final
del vaciado el material ya se esta secando, razón por la cual, se forma un hilo
con las últimas gotas del material vaciado. El tiempo de secado de la mezcla se
encuentra en un rango de 1 a 2 minutos, y es por esta razón que hay que ser
ágil en el vaciado del material para que exista una buena fluidez de éste a la
hora de llenar la caja de moldeo, así, se asegura que la pieza es totalmente
cubierta y no quedaran espacios sin llenar.
Figura 40. Culminación del vaciado
Después de haber vaciado el molde se debe esperar aproximadamente 1 hora
para desmoldar el modelo. Este tiempo se distribuye así:
•
Tiempo de gel: 5 a 10 minutos
•
Resistencia de manejo de desmoldeo: 15 minutos
Cuando ya se ha cumplido el tiempo se realizan los planos de partición como
en el caso de la planta que se puede ver en la figura 41, y se retira la pieza
original. Para terminar el curado del molde y permitir que adquiera todas las
propiedades se lleva al horno por 8 horas a 100ºC.
100
Figura 41. Molde de la planta
El molde del tobillo, como puede verse en la figura 42, consta de dos partes
debido a que de esta manera permite un fácil vaciado y no existe contrasalidas
que impidan el desmoldeo de la pieza.
Figura 42. Molde y pieza final del tobillo
El molde del acople es de una sola pieza ya que a pesar de tener contrasalidas
el molde flexible elimina los inconvenientes a la hora del desmoldeo. Esto
puede verse en la figura 43.
101
Figura 43. Molde y piezas finales del acople
Cuando ha pasado el tiempo de curado y el molde esta listo se procede a
realizar el vaciado de la pieza final, para lo cual se debe aplicar desmoldante
para que no se adhiera la pieza al molde. Como se muestra en la figura 44.
Figura 44. Desmoldante en los moldes de la planta
Después de esto se cierra el molde para poder vaciar el material de la pieza
final, esto se hace a través de unas bandas elásticas para que no se salga el
fluido por el plano de partición. En la figura 45 puede verse que al llenar el
molde se pueden ver el bebedero y dos agujeros los cuales permiten
corroborar que la pieza se ha llenado totalmente.
102
Figura 45. Vaciado de la pieza final de la planta
Culminado el tiempo de gel que es alrededor de 5 a 10 minutos se puede abrir
el molde y como se muestra en la figura 46 se tiene la pieza final en donde se
puede observar con mayor claridad el bebedero, los indicadores de nivel y
escape de gases y por último, el canal de alimentación de la pieza.
103
Figura 46. Desmoldeo de la pieza final de la planta
Al sacar la pieza del molde se puede ver que quedan rebabas las cuales se
retiran con una cuchilla con precaución al igual que los canales de alimentación
y los indicadores de nivel del material que se observa en la figura 47. Las
piezas finales tienen una dureza de 70 Shore D.
Figura 47. Pieza final de la planta sin acabados
104
Realizado los acabados pertinentes se obtiene la pieza final que se puede ver
en la figura 48.
Figura 48. Pieza final de la planta
Los moldes obtenidos de cada una de las piezas se pueden observar en la
figura 49.
Figura 49. Moldes de las partes de la prótesis de pie
Las piezas finales obtenidas a través de los moldes se puede observar
ensambladas en la figura 50.
105
Figura 50. Piezas finales de la prótesis de pie
Después de obtener las piezas finales se realizaron los acabados necesarios.
En este caso se requirió de un fresado en la parte superior del talón como lo
muestra la figura 51.
Figura 51. Acabados de las piezas finales
En seguida de realizar el fresado se realizaron los agujeros y roscados
establecidos en el diseño para su posterior ensamble. Los agujeros realizados
son de 3/16 de pulgada para el acople, y el agujero para la sujeción de la
planta y el talón es de ¼ de pulgada con una tuerca de seguridad.
Figura 52. Ensamble del conjunto de la prótesis de pie
106
La prótesis de pie fabricada tiene como una de sus principales características
que es modular lo cual indica que se puede adaptar a otras prótesis, es por
esta razón que el acople diseñado es universal.
El acople va unido a una extensión, que representa en este caso la tibia, por
medio de un buje el cual actúa como una rótula para obtener la alineación
deseada.
Figura 53. Acople, buje y extensión
El buje fue fabricado en nylon y tiene cuatro agujeros de sujeción por medio de
unos tornillos prisioneros que aseguran tanto la extensión como el acople, esto
puede verse con mayor claridad en las figuras 53 y 54.
Figura 54. Prótesis de pie con extensión
107
El sistema de sujeción descrito anteriormente también aplica para la sujeción
de la extensión con el socket. El socket fue construido en la tesis titulada
“CONSTRUCCIÓN DE UN ENCAJE O SOCKET PARA PRÓTESIS DE
MIEMBRO INFERIOR CON AMPUTACIÓN TRANSFEMORAL” realizada por la
estudiante KATHERINE JOHANNA CAMELO ULLOA. En la figura 55 se
muestran los acoples entre las partes de prótesis por medio de los bujes.
Figura 55. Conjunto final de prótesis socket y pie
10.1. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS DE LA PRÓTESIS DE PIE
CONSTRUIDA EN POLIURETANO COMPACTO
Los análisis por elementos finitos permiten predecir con gran precisión y
simplicidad los esfuerzos y deformaciones que va a soportar una estructura o
pieza al ser sometida a un conjunto de cargas.
108
A continuación, se presentan los resultados obtenidos al realizar el análisis de
elementos finitos, de cada una de las partes componentes de la prótesis de pie
en el software Visual Nastran 2002.
Para llegar a analizar cada una de las piezas de la prótesis de pie se tuvo que
realizar un ajuste a cada una de ellas en sus dimensiones. Esto se debe a que
como las piezas fueron fabricadas por vaciado, y el material en el que se
realizaron (poliuretano compacto) tiene un porcentaje de contracción durante
su secado, afecta las dimensiones de las piezas finales. El porcentaje de
contracción del poliuretano compacto es de 0.6 lo cual indica que el ajuste
realizado a las piezas debe ser de 1.2% ya que se presenta contracción del
material en el vaciado del molde y en el vaciado de la pieza final.
La mayor concentración de esfuerzo se presenta en el cuello del acople como
puede ver se en la figura 56. Este esfuerzo es de compresión en la parte
superior del acople, la fuerza aplicada esta distribuida en toda el área superior
y la parte inferior de la pieza esta haciendo contacto con el talón de la prótesis.
El esfuerzo de Von Mises máximo que presenta es de 2.16*106Pa que no
supera el esfuerzo máximo del material, en éste caso poliuretano, que es de
53.08MPa.
Figura 56. Esfuerzos del acople en poliuretano
109
Los esfuerzos en el talón se distribuyen por la parte inferior cuando hace
contacto con el suelo y en la pestaña en donde se posiciona el resorte el cual
amortigua el paso se presenta un esfuerzo cortante máximo de 4.02*106Pa.
El esfuerzo máximo de Von Mises es de 7.36*106Pa que no supera los
53.08MPa de esfuerzo máximo del poliuretano.
Figura 57. Esfuerzos en el tobillo en poliuretano
La mayor concentración de esfuerzos en la planta se presenta en el agujero
por donde se transmite la fuerza a través del pasador; en la planta actúan tres
cargas una es la que ejerce el suelo, la otra es la fuerza que ejerce el resorte y
por último la que es trasmitida por el pasador. En el orificio del pasador se
presenta un esfuerzo de aplastamiento con un valor de 10.43*106Pa.
La planta tiene un esfuerzo de flexión en la punta del pie cuando se esta en
fase de despegue plantar, con un valor de esfuerzo máximo de Von Mises de
18.75*106Pa. Este caso es el más crítico ya que se debe presentar una buena
flexión y resistencia en la punta del pie pero aun así los esfuerzos más altos se
110
presentan en el agujero del tornillo de sujeción de la planta y el tobillo como
puede verse en la figura 58.
Figura 58. Esfuerzos en la planta en poliuretano
De acuerdo a los resultados obtenidos por el análisis de elementos finitos se
pudo ver que los esfuerzos presentados en cada una de las partes de la
prótesis no superan el esfuerzo último del material, por lo tanto la estructura en
poliuretano compacto de la prótesis de pie soporta la carga para la que fue
diseñada.
10.2. PROBETAS PARA PRUEBAS DE TENSIÓN
Las probetas mecanizadas cumplen con las siguientes características:
Figura 59. Probetas para pruebas de tensión
111
Tabla 9. Dimensiones de las probetas de tracción corrientemente utilizadas50
Proporcionalidad
Proporcionalidad
de Lo=5do(5 So )
de Lo=10do(5 So )
Longitud do d1
a
Lo
Le
Lt
Lo
Le
Lt
20 24 60 100
120
250
200
220
350
Normal
50
60
140
100
110
190
Reducida 10 12 35
De a cuerdo con las medidas de las probetas que se presentan en la tabla 9 se
tuvo que realizar un ajuste debido a que el material con el que se contaba para
realizar dichas probetas no era suficiente. El material con el cual se realizaron
las probetas fue el bebedero del molde de la planta que se presentó en la figura
47. Por lo tanto se redujeron las medidas proporcionalmente arrojando los
datos que se encuentran en la tabla 10, para sí obtener tres probetas y mayor
confiabilidad al realizar las pruebas de tensión.
Longitud
Reducida
Tabla 10. Medidas de las probetas utilizadas
Proporcionalidad de Lo=5do(5 So )
do
d1
a
Lo
Le
Lt
5.71 6.86 20
28.57
34.78
80
Figura 60. Probetas realizadas
50
Tomada de www.cadersa.es/Pag106.htm
112
10.2.1. Pruebas De Tensión: La máquina utilizada para realizar la prueba es
una universal y su operación consiste en someter a una probeta a una carga
monoaxial gradualmente creciente, es decir estática, hasta que ocurra la falla.
Ésta máquina tiene un funcionamiento parecido al de una prensa hidráulica ya
que sensa presión y la multiplica por el área para obtener la carga que se esta
aplicando.
Figura 61. Máquina para pruebas de tensión
Se montaron cada una de las probetas realizadas en la máquina de pruebas
como se muestra en la figura 61, y se tomaron los datos mostrados en la
tabla11.
Figura 62. Montaje de probeta e indicador de carga
113
Tabla 11. Resultados de carga
PROBETA
CARGA
1
60Kgr
2
65Kgr
3
55Kgr
Los datos obtenidos de fluencia fueron muy aproximados ya que el medidor no
era muy preciso y además en la última probeta no se obtuvo resultado.
Tabla 12. Resultados de fluencia
PROBETA
FLUENCIA
1
50Kgr
2
45Kgr
Con los datos mostrados en las tablas 11 y 12 se pueden calcular a partir de
las fórmulas51 el esfuerzo último y esfuerzo de fluencia que se muestran a
continuación:
σu =
σu =
P
A
σf =
588.6 N
σf =
π * 0.0057m
4
σ u = 23.06MPa
F
A
465.975 N
π * 0.0057m
4
σ f = 18.260MPa
Obtenidos estos datos se pueden comparar con los resultados arrojados por el
análisis de elementos finitos mostrado anteriormente en donde se encuentran
que el esfuerzo máximo de Von Mises esta alrededor de 2.16MPa, 7.36MPa, y
10.43MPa los cuales no exceden el esfuerzo último obtenido de las pruebas
realizadas ya que es de 23.06MPa.
Con estas pruebas se puede tener mayor certeza de los datos obtenidos y el
análisis realizado, ya que se parte de muestras de material en el que se
realizaron las piezas y no de datos teóricos o aproximados de las
características del material.
51
HIBBELER Russell, Mecánica de materiales. Ed CESCA. México D.F. 1994.
114
Después de realizadas las probetas se comprobó que tuvieron una elongación
la cual se muestra en la tabla 13. La longitud inicial de las probetas fue de
80mm y las elongaciones finales son tomando la longitud total de la probeta.
Tabla 13. Elongación de las probetas
PROBETA
LONGITUD
1
83mm
2
84.1mm
3
84.2mm
Realizando un promedio entre las elongaciones presentadas en las probetas se
obtiene que aproximadamente la elongación es de 4.7083%.
elongación =
L f − Lo
Lo
*100
83.7667 − 80
*100
80
elongación = 4.7083%
elongación =
Figura 63. Longitud final de las probetas
Las fracturas que se presentan en una probeta se pueden definir como la
separación en dos o más partes como consecuencia de los efectos de una
tensión. Existen dos tipos de fracturas:
115
•
Fractura dúctil, en la que se produce una importante deformación
plástica en la zona de ruptura. Debido a la irregularidad de esta
deformación plástica, se originan superficies de fractura mates.
•
Fractura frágil, en la que el material se separa según un plano y sin que
apenas se produzca deformación plástica. Este tipo de fractura origina
superficies brillantes.
Como se puede ver en la figura 64 el tipo de fracturas presente en las probetas
sometidas a prueba de tensión son de tipo frágil ya que no presentan una
deformación plástica y la superficie es brillante.
Figura 64. Tipo de fractura
116
11. METODOLOGÍA PARA EL ENSAYO Y COMPROBACIÓN DEL
FUNCIONAMIENTO DE LA PROTESIS DE PIE
Las pruebas estructurales de las prótesis de las extremidades inferiores están
regidas por la norma técnica colombiana NTC 4424-1 hasta la NTC 4424-8.
Estas normas especifican los procedimientos para las pruebas de fuerza cíclica
y estática de las prótesis de las extremidades inferiores en donde con una
excepción las cargas compuestas se producen por la aplicación de una sola
fuerza de prueba. Las cargas compuestas en la muestra de prueba se
relacionan con los valores picos de los componentes de carga que
normalmente ocurren en diferentes momentos durante la fase de apoyo de la
marcha.
Para llevar a cabo las pruebas de la prótesis de pie se tiene la siguiente
metodología. De acuerdo a la figura 65.
1.
Determinar sistema de coordenadas rectangulares de 3 dimensiones que
contenga un sistema geométrico de planos, líneas y puntos52.
•
Plano inferior distal
•
Plano de referencia del tobillo
•
Plano de referencia de la rodilla
•
Plano de referencia de la superficie superior
52
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Prótesis pruebas
estructurales de las prótesis de las extremidades inferiores: NTC 4424-1 Configuración de las
pruebas. Bogotá : ICONTEC, 1998. p 2-4.
117
Figura 65. Sistema de coordenas con planos de referencia53
Los puntos de referencia serán los puntos de intersección de la línea de
carga con los planos de referencia. Según la figura 66.
•
Punto de aplicación de la carga distal
•
Punto de referencia de la carga del tobillo
•
Punto de referencia de la carga de la rodilla
•
Punto de aplicación de la carga proximal
Figura 66. Puntos de aplicación y referencia de la carga54
53
54
Ibid., p. 4
Ibid., p. 5
118
2.
Definir el tipo de estructura55
•
Estructura completa: Para las prótesis con amputación por encima de
la rodilla una estructura completa consiste en una rodilla, un tobillo y
un pie con todas las partes en medio de ellas.
•
Estructura parcial: una estructura parcial es menos que una completa
y puede ser un componente único tal como un pie o las partes
estructurales de un pie. Cuando se prueba una estructura parcial las
uniones de los extremos deben tener características mecánicas
similares a aquellas que vayan a ser los componentes adyacentes.
3.
Seleccionar la muestra de prueba56
Las estructuras de prótesis seleccionadas para propósitos de prueba se
deben sacar de la producción estándar.
4.
Selección del tamaño del pie57
El tamaño del pie seleccionado (figura 67) debe permitir la aplicación de
carga de acuerdo con el desplazamiento combinado del conteo del eje y
aplicación de la fuerza especificada para la prueba.
Cuando se prueba una unidad de pie, se selecciona el tamaño del pie en la
siguiente forma:
•
Se selecciona un tamaño que proporcione el desplazamiento distal
correcto combinado del LB.
•
Si no hay disponible el tamaño correcto de pie, se debe utilizar la
siguiente talla más grande.
55
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Prótesis pruebas
estructurales de las prótesis de las extremidades inferiores: NTC 4424-2: Muestras de prueba.
Bogotá : ICONTEC, 1998. p 2-3.
56
Ibid., p. 3
57
Ibid.
119
•
Si el pie que esta disponible es mas corto que la longitud correcta,
entonces aumente la fuerza aplicada.
Figura 67. Tamaño del pie58
5.
Preparación de las muestras de prueba59
•
Las muestras no llevan ningún componente cosmético a excepción
que ésta contribuya a dar resistencia estructural.
•
Para la prueba estática las muestras debe incluir todas las partes que
normalmente se le ponen.
•
Para las pruebas de falla estática las partes de extensión pueden ser
remplazadas por partes rígidas para evitar excesiva desviación
durante la prueba.
•
Paras las pruebas cíclicas que se realizan por encima de 1 Hz, las
partes dúctiles, pueden ser remplazadas por partes rígidas si el
deterioro de las partes dúctiles afecta adversamente la prueba.
6.
Alineación de las muestras de prueba60
La muestra de prueba debe alinearse a un sistema apropiado de
coordenadas para la cual es necesario identificar los siguientes puntos
como se observa en la figura 68.
58
Ibid., p. 8
Ibid., p. 4
60
Ibid.
59
120
•
La línea efectiva de la articulación del tobillo.
•
El centro efectivo de la articulación del tobillo.
•
La línea de centro efectivo de la rodilla-articulación.
•
El centro efectivo de la rodilla-articulación.
Figura 68. Línea central efectiva del tobillo61
7.
Posición de alineación del peor de los casos62
Todas las pruebas se deben realizar en la posición de alineación del peor
de los casos como se indica a continuación:
•
La posición estructural de peor alineación si es posible la debe
determinar el fabricante.
•
Cuando la peor posición estructural no se puede definir como en el
anterior punto entonces la muestra se debe ajustar para que se mueva
90% de la distancia de alineación neutra a la alineación extrema. El
ajuste debe ser dirigido hacia afuera de la línea de carga para
aumentar el brazo efectivo de palanca.
8.
61
62
Tipos de procedimientos de prueba63
Ibid., p. 8
Ibid., p. 6
121
•
Prueba estática: consiste en un examen de prueba y un examen de
falla. Este procedimiento de prueba se realiza para determinar el
desempeño de las estructuras que soportan la carga bajo condiciones
típicas de carga severa que pueden ocurrir durante el uso como
eventos aislados ocasionalmente. Este procedimiento de prueba
estático se completa cuando la muestra de prueba satisface los
requerimientos de la prueba y cumple con los requerimientos de la
prueba de falla.
•
Prueba
cíclica:
consiste
en
aplicaciones
repetidas
de
carga
determinada a una muestra de prueba, con condiciones de carga
típicas de la marcha normal. Seguido de una prueba estática final para
la
cual
se
aplican
tanto
el
procedimiento
como
todos
los
requerimientos del examen de prueba estática.
El procedimiento de prueba cíclica se completa cuando la muestra de
prueba ha fallado o cuando la muestra de prueba ha resistido el
número de ciclos determinados de carga sin falla y ha cumplido con
los requerimientos finales de prueba estática.
9.
Requerimiento de carga de prueba64
La carga que se aplica a la muestra de prueba se debe aplicar en dos
condiciones diferentes que se relacionan con la máxima carga que ocurre
en diferentes instantes durante la fase de apoyo de la marcha normal.
•
Carga I: esta relacionado con el momento de máxima carga que
ocurre al inicio de la fase de apoyo de la marcha.
•
Carga II: esta relacionada con el instante de máxima carga que ocurre
al finalizar la fase de apoyo de la marcha.
63
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Prótesis pruebas
estructurales de las prótesis de las extremidades inferiores: NTC 4424-3 Principales pruebas
estructurales. Bogotá : ICONTEC, 1998. p. 3.
64
Ibid., p. 4.
122
10. Pruebas en torsión65
Los usuarios pueden aplicar cargas torsionales a las prótesis las cuales
excedan los niveles de los momentos de torsión generados por
condiciones de carga de prueba. Para asegurar la resistencia torsional de
la estructura de la prótesis y la seguridad de las fijaciones contra el
deslizamiento, se aplica únicamente una carga estática en torsión.
11. Documento de presentación de la prueba
El fabricante debe preparar el documento de presentación de prueba con
cualquier información asociada.
El documento debe presentarse según la norma 4424-7 y 4424-8
suministrando toda la información que allí indican.
65
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Prótesis pruebas
estructurales de las prótesis de las extremidades inferiores: NTC 4424-5 Pruebas estructurales
suplementarias. Bogotá : ICONTEC, 1998. p. 2.
123
12. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se determinó el material en el cual se construirían las partes de la prótesis de
acuerdo con los requerimientos de diseño, basados fundamentalmente en
aluminio, nylon y poliuretano.
El proceso de fabricación seleccionado permitió obtener una gran precisión en
las piezas fabricadas. Se construyó cada una de las partes componentes de la
prótesis de pie, teniendo en cuenta el proceso de moldeo por la irregularidad de
sus formas.
Se realizaron las probetas para pruebas de tensión con las cuales se determinó
el esfuerzo último y el esfuerzo de fluencia del poliuretano utilizado, los cuales
fueron puntos de comparación en el análisis de elementos finitos realizado.
Al realizar cada uno de los ajustes que se requerían se pudo comprobar que la
prótesis cumple con el funcionamiento mecánico ya que brinda unos ángulos
de flexión plantar y dorsiflexión que permiten un mejor desempeño en la
marcha y unas buenas propiedades del material en el que se realizó la
construcción.
Se construyó el acople entre el pie y la extensión que permite comunicarse con
la rodilla o el socket según el tipo de prótesis en la que se este trabajando. Éste
acople consta de un buje que permite dar la alineación entre las partes que se
están ensamblando, punto importante a la hora de realizar las pruebas
estructurales.
Se debe tener en cuenta que al realizar las piezas se presentaron
inconvenientes debido a la porosidad de las piezas modelo ya que eran de
yeso y al realizar los moldes se obtuvieron reacciones lo cual proporciona
124
poros y un mal acabado de las piezas finales, pero esto no es un inconveniente
en el producto final.
Se realizaron los ajustes necesarios a cada una de las piezas para la puesta a
punto del sistema.
Para llegar a tener una precisión dimensional más exacta se requiere que las
contracciones de los materiales en el proceso de fabricación se tengan en
cuenta en el momento de elaborar los modelos de los cuales van a salir las
piezas finales.
Si al realizar las pruebas en la prótesis de pie se llegan a presentar fallas se
pueden cambiar las propiedades además las propiedades del poliuretano
según las necesidades que se tengan ya sea mayor flexibilidad o mayor
dureza.
Se recomienda realizar las pruebas funcionales del pie construido para
determinar el desempeño de la estructura cuando es sometida a condiciones
típicas de carga severa, que pueden ocurrir durante el uso, como eventos
aislados ocasionalmente.
Se recomienda montar el sistema de control electrónico desarrollado para el
pie, una vez aprobadas las pruebas funcionales, para su prueba, puesta a
punto y optimización funcional del conjunto integrado.
125
ANEXO 1
126
ANEXO 2
127
128
129
130
ANEXO 3
CARTAS TECNOLÓGICAS DE FABRICACIÓN
131
CARTA TECNOLÓGICA DE FABRICACIÓN
DESCRIPCIÓN
El acople es de tipo piramidal y se fabrica a partir del prototipo realizado en yeso, por medio de prototipado rápido, que sirve para la fabricación
del molde en poliuretano compacto, el cual debe ser previamente mezclado y luego por medio vaciado se obtiene la pieza final. La reproducción
de esta pieza por medio de vaciado permite una fiel copia de los detalles del modelo.
Medidas en mm
OPERACIÓN
VERIFICACIÓN DEL MODELO
EQUIPO
Modelo de la pieza.
Calibrador,
micrómetro,
elementos de medida, en la
primera etapa se busca
comprobar las dimensiones
del modelo, midiéndolo con
los
equipos
correspondientes.
DISPOSITIVOS
ADICIONALES
Elementos
para
llevar
registro de las medidas.
Plastilina para cubrir los
agujeros.
RECOMENDACIONES
Tener en cuenta que el
material es frágil (yeso).
Considerar que la pieza de
yeso es porosa reproduciendo
la porosidad en el molde y por
lo tanto en la pieza final.
PIEZA FINAL
Es necesario el molde
realizado en el paso anterior
ya que por medio de vaciado
del poliuretano se obtiene la
pieza final.
El material (poliuretano en
estado líquido).
Máquina de vacío.
Horno, Taladro.
Recipientes para la mezcla
del material.
Agitadores
para
logara
homogeneidad de la mezcla.
Desmoldante,
pincel,
madera, plastilina.
Recipientes para la mezcla
del material.
Agitadores
para
lograr
homogeneidad de la mezcla.
Desmoldante
Broca de 1/16”
132
Realizar una segunda medida de las
dimensiones y contrastarlas contra
las cotas del plano.
Se recomienda tener lista la
mezcla del material antes del
vaciado del molde.
Antes de realizar el vaciado
del material se debe aplicar
desmoldante para evitar la
adherencia del modelo al
molde.
Al realizar la caja de moldeo
se debe asegurar los bordes
con plastilina para evitar fugas
del material del molde.
Se debe verificar que la mezcla del
material no tenga burbujas para
evitar porosidades en el molde de la
pieza.
Tener en cuenta los tiempos de
secado del material como los son el
tiempo de gel, manejo de
desmoldeo y curado final.
Posteriormente se lleva al horno por
8 horas para que el material termine
de adquirir las propiedades.
Verificar la contracción del
material.
Tener en cuenta que se debe
lograr un buen acabado y
reproducción exácta de los
detalle de la pieza.
Se debe verificar que coincidan los
agujeros del acople con los agujeros
del talón para obtener un buen
ajuste.
MOLDE
Se requiere del modelo en
yeso verificado en el paso
anterior. Para realizar el
molde es necesario una caja
de moldeo para contener el
material en el que se realiza
el acople.
El material (poliuretano en
estado líquido)
Máquina de vacío.
Horno.
VERIFICACION
CARTA TECNOLÓGICA DE FABRICACIÓN
DESCRIPCIÓN
El talón presenta una geometría bastante compleja por lo cual se fabrica por medio de moldeado y vaciado permitiendo la reproducción exacta
de los detalles. La pieza se obtiene a partir del modelo realizado en yeso por medio de prototipado rápido.
Medidas en mm
OPERACIÓN
VERIFICACIÓN DEL MODELO
EQUIPO
Modelo de la pieza.
Calibrador,
micrómetro,
elementos de medida, en la
primera etapa se busca
comprobar las dimensiones
del modelo, midiéndolo con
los
equipos
correspondientes.
DISPOSITIVOS
ADICIONALES
Elementos
para
llevar
registro de las medidas.
Plastilina para cubrir los
agujeros.
RECOMENDACIONES
Tener en cuenta que el
material es frágil (yeso).
Considerar que la pieza de
yeso es porosa reproduciendo
la porosidad en el molde y por
lo tanto en la pieza final.
PIEZA FINAL
Es necesario el molde
realizado en el paso anterior
ya que por medio de vaciado
del poliuretano se obtiene la
pieza final.
El material (poliuretano en
estado líquido).
Máquina de vacío.
Horno, Taladro, fresadora.
Recipientes para la mezcla
del material.
Agitadores
para
logara
homogeneidad de la mezcla.
Desmoldante,
pincel,
madera, plastilina.
Recipientes para la mezcla
del material.
Agitadores
para
lograr
homogeneidad de la mezcla.
Desmoldante
Broca de 1/16” y 1/4”
Macho de roscar
133
Realizar una segunda medida de las
dimensiones y contrastarlas contra
las cotas del plano con tolerancias.
Se recomienda tener lista la
mezcla del material antes del
vaciado del molde.
Antes de realizar el vaciado
del material se debe aplicar
desmoldante para evitar la
adherencia del modelo al
molde.
Al realizar la caja de moldeo
se debe asegurar los bordes
con plastilina para evitar fugas
del material del molde.
Se debe verificar que la mezcla del
material no tenga burbujas para
evitar porosidades en el molde de la
pieza.
Tener en cuenta los tiempos de
secado del material como los son el
tiempo de gel, manejo de
desmoldeo
y
curado
final.
Posteriormente se lleva al horno por
8 horas para que el material termine
de adquirir las propiedades.
Verificar la contracción del
material.
Tener en cuenta que se debe
lograr un buen acabado y
reproducción exácta de los
detalle de la pieza.
Se debe rectificar la superficie
de la pieza la cual tiene un
exceso de 3 mm.
Se debe verificar que coincidan los
agujeros del acople con los agujeros
del talón para obtener un buen
ajuste.
Verificar que la rectificación
permita un buen aciento entre el
acople y el talón.
MOLDE
Se requiere del modelo en
yeso verificado en el paso
anterior. Para realizar el
molde es necesario una caja
de moldeo para contener el
material en el que se realiza
el acople.
El material (poliuretano en
estado líquido)
Máquina de vacío.
Horno.
VERIFICACION
CARTA TECNOLÓGICA DE FABRICACIÓN
DESCRIPCIÓN
La planta presenta una geometría compleja por lo cual se fabrica por medio de moldeado y vaciado permitiendo la reproducción
exacta de los detalles. La pieza se obtiene a partir del modelo realizado en yeso por medio de prototipado rápido.
Medidas en mm
OPERACIÓN
VERIFICACIÓN DEL MODELO
EQUIPO
Modelo de la pieza.
Calibrador,
micrómetro,
elementos de medida, en la
primera etapa se busca
comprobar las dimensiones
del modelo, midiéndolo con
los
equipos
correspondientes.
DISPOSITIVOS
ADICIONALES
Elementos
para
llevar
registro de las medidas.
Plastilina para cubrir los
agujeros.
MOLDE
PIEZA FINAL
Se requiere del modelo en
yeso verificado en el paso
anterior. Para realizar el
molde es necesario una caja
de moldeo para contener el
material en el que se realiza
el acople.
El material (poliuretano en
estado líquido)
Máquina de vacío.
Horno.
Es necesario el molde
realizado en el paso anterior
ya que por medio de vaciado
del poliuretano se obtiene la
pieza final.
El material (poliuretano en
estado líquido).
Máquina de vacío.
Horno, Taladro.
Recipientes para la mezcla
del material.
Montaje de la planta para
realizar el vaciado de la
pieza.
Agitadores
para
logara
homogeneidad de la mezcla.
Desmoldante,
pincel,
madera, plastilina.
Recipientes para la mezcla
del material.
Agitadores
para
lograr
homogeneidad de la mezcla.
Desmoldante
Broca de 1/4”
134
RECOMENDACIONES
Tener en cuenta que el
material es frágil (yeso).
Considerar que la pieza de
yeso es porosa reproduciendo
la porosidad en el molde y por
lo tanto en la pieza final.
VERIFICACION
Realizar una segunda medida de las
dimensiones y contrastarlas contra
las cotas del plano con tolerancias.
Se recomienda tener lista la
mezcla del material antes del
vaciado del molde.
Antes de realizar el vaciado
del material se debe aplicar
desmoldante para evitar la
adherencia del modelo al
molde.
Al realizar la caja de moldeo
se debe asegurar los bordes
con plastilina para evitar fugas
del material del molde.
Se debe verificar que la mezcla del
material no tenga burbujas para
evitar porosidades en el molde de la
pieza.
Tener en cuenta los tiempos de
secado del material como los son el
tiempo de gel, manejo de
desmoldeo
y
curado
final.
Posteriormente se lleva al horno por
8 horas para que el material termine
de adquirir las propiedades.
Verificar la contracción.
Tener en cuenta que se debe
lograr un buen acabado y
reproducción exácta de los
detalle de la pieza.
Se deben retirar los excesos de
material y los canales de
alimentación.
Verificar un buen ajuste entre la
planta y el talón.
Tener en cuenta el agujero realizado
y que éste coincida con el agujero
del talón.
CARTA TECNOLÓGICA DE FABRICACIÓN
DESCRIPCIÓN
La pieza se mecanizará en torno la cual tiene como característica un chaflan interno a 45º en ambos extremos y tiene 8 agujeros roscados de 1/16”
los cuales se mecanizarán por medio de fresadora. El material en el cual se realizará la pieza es nylon. La longitud del buje es de 40 con un
diámetro externo de 33 y un diámetro interno de 24.
Medidas en mm
OPERACIÓN
MATERIAL EN BRUTO
EQUIPO
Calibrador,
micrómetro,
elemento de medida, en la
primera etapa se busca
comprobar la longitud del
material, midiéndolo con los
equipos correspondientes.
DISPOSITIVOS
ADICIONALES
Prensa,
elementos
para
asegurarlo, elementos para
llevar registro de las
medidas.
RECOMENDACIONES
VERIFICACION
Tener en cuenta el tipo de
material (nylon). Considerar
que el material debe ser de
mayor longitud que la nominal
para evitar problemas a la hora
de maquinarlo.
Realizar una segunda medida
de las dimensiones y
contrastarlas contra las cotas
del plano con tolerancias.
TORNEADO
Torno, buril, broca
Micrómetro, calibrador, sirve
para
corroborar
las
longitudes que debe tener la
pieza a esta etapa del
proceso.
Si no existe la broca para
realizar el agüero central se
sugiere realizar un mandrilado
para conseguir la medida
deseada y obtener un acabado
fino.
Se
debe verificar
las
dimensiones de la pieza para
que se lleve un desarrollo
exacto del proceso de
mecanizado.
FRESADO
Fresadora de 3 ejes para
realizar los agujeros.
Prensa.
Llave.
Micrómetro, calibrador, para
corroborar las longitudes que
debe tener la pieza.
Macho de roscar.
Broca para los agujeros
135
Ajustar la pieza a la prensa
correctamente.
Verificar la orientación de
los agujeros .
Verificar el ensamble entre el
buje y el acople de la
prótesis.
ANEXO 4
COSTOS DE FABRICACIÓN
CONCEPTO
Torno
Fresa
Taladro
Fabricación de molde pie
Fabricación de molde talón
Fabricación de molde acople
Fabricación de piezas pie
Fabricación de piezas talón
Fabricación de piezas acople
Fabricación del buje
IVA
CANTIDAD
1 hora
2 horas
2 horas
1unidad
1unidad
1unidad
1unidad
1unidad
1unidad
4 unidades
SUBTOTAL PROCESO DE
FABRICACIÓN
VALOR
UNITARIO
20.000
15.000
10.000
320.000
300.000
70.000
90.000
100.000
25.000
10.000
VALOR
TOTAL
20.000
30.000
20.000
320.000
300.000
70.000
90.000
100.000
25.000
40.000
162400
1.177.400
136
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Bogotá
•
: ICONTEC, 1998.
________ Prótesis pruebas estructurales de las prótesis de las
extremidades inferiores: NTC 4424-2: Muestras de prueba. Bogotá
:
ICONTEC, 1998.
•
________ Prótesis pruebas estructurales de las prótesis de las
extremidades inferiores: NTC 4424-3 Principales pruebas estructurales.
Bogotá
: ICONTEC, 1998.
137
•
________ Prótesis pruebas estructurales de las prótesis de las
extremidades inferiores: NTC 4424-4 Parámetros de carga de las
principales pruebas estructurales. Bogotá
•
________ Prótesis pruebas estructurales de las prótesis de las
extremidades
inferiores:
suplementarias. Bogotá
•
: ICONTEC, 1998.
NTC
4424-5
Pruebas
estructurales
: ICONTEC, 1998.
________ Prótesis pruebas estructurales de las prótesis de las
extremidades inferiores: NTC 4424-6 Parámetros de carga de pruebas
estructurales complementarias. Bogotá
•
: ICONTEC, 1998.
________ Prótesis pruebas estructurales de las prótesis de las
extremidades inferiores: NTC 4424-7 Documento de presentación de
prueba. Bogotá
•
: ICONTEC, 1998.
________ Prótesis pruebas estructurales de las prótesis de las
extremidades inferiores: NTC 4424-8 Informe de la prueba. Bogotá
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