[en] ABSTRACT: The idea for this work arises from the state of the art of orthopaedic technology. Traditionally, orthopaedic manufacturing methods are still largely based on manual and practical experience. Orthopaedic technicians carry out an iterative process of trial and error until the correct design is obtained for each patient. This means longer waiting times for effective treatment and increased material consumption. In contrast, the aim of this work is to make lightweight engineering concepts available to orthopaedics and, together with computer-aided design, to develop a more automated anklefoot lifting orthosis adapted to the load. This design is based on the use of an infinitely long fibre composite, consisting of infinitely long fibres and a thermoplastic matrix. In order to meet this objective, this work is structured in seven chapters. After the introduction to the topic, second and third chapters form the theoretical framework for understanding what exactly an ankle-foot lifting orthosis is and how it is to fulfil its supporting function during walking. The purpose of this orthosis is to treat the drop foot. Here are included anatomical and biomechanical concepts necessary for determining the boundary conditions which characterize the phase of walking where the orthosis is most in demand. It is under these conditions that the performance of the orthosis should be evaluated. After this approach, the patient's measurements would be taken by means of a scanner. For this work, however, a 3D scanner of the lower leg was provided by the Institute for Light Construction at the Technical University of Dresden (ILK). Working on the scanner, the model of the orthosis is then constructed using CAD modelling tools. The fourth chapter presents three models made with the Solidworks 2019 programme and after an evaluation of these, the most appropriate one is chosen. In fifth chapter, after studying possible combinations of thermoplastic matrix composites with reinforcement fibres, three materials are defined, and their elastic properties calculated. Finally, an evaluation matrix is used to compare the different options, resulting in the choice of the material that forms the structure of the orthosis: a combination of 60% polypropylene and 40% glass fibres. Finally, through the use of finite element analysis, the behaviour of the orthosis is simulated to add the necessary corrections until an optimal design is achieved virtually. The mechanical and processing properties of this type of orthosis are essentially influenced by the structure of the fibre reinforcement. Given the versatility in the design of these composite materials, a parametric study is proposed based on the combination of the material chosen. The aim is to define the composite material that best suits the load of the designed orthosis. Working with Abaqus/CAE, three different composite materials are configured. The first two serve to compare the effect of different fibre directions. While between the second and third material only the thickness of the unidirectional layers that make up the composite in the form of a laminate varies. After the preparation and execution of the FEA for each of the three designs, the two comparisons are carried out. In both, two simulation results are evaluated: On the one hand, the displacements produced in the orthosis structure and on the other, the stresses generated in the different layers of the composites. From the first comparison shows that, compared to a composite with all the fibres oriented in the direction of the greatest stress, a distribution of the fibres oriented in more than one direction is preferable. This results in a slightly more flexible material with a better stress distribution and lower values. From the thickness comparison, it can be concluded that the greater the thickness, the more rigid the material and therefore the greater the stresses generated. Bringing the orthosis into the same state of deformation requires a higher load in the case of the thicker orthosis and this also leads to a higher total displacement of its structure. However, this is not desirable. This work shows that it is possible to design a composite material for an orthosis that is better suited to its loads. Only after obtaining this virtual adapted design will the manufacturing process be carried out. One option considered is the manufacture of a semi-finished product, such as the composite material in the form of a laminate, which is then subjected to the necessary moulding process until the shape of the orthosis is obtained, the performance of which is more guaranteed tan that of those produced by hand in orthopaedics. However, before the proposed design can be manufactured in practice, several aspects must be considered that are not contemplated for this work, as well as possible corrections. Some of these are discussed in Chapter Seven.

[es] RESUMEN: La idea de este trabajo surge del estado de la técnica de la tecnología ortopédica. De forma tradicional los métodos de fabricación de la ortopedia siguen basándose en gran medida en la experiencia manual y práctica. Los técnicos ortopédicos llevan a cabo un proceso iterativo de prueba y error hasta obtener el diseño correcto para cada paciente. Esto implica tiempos más largos de espera para un tratamiento eficaz y un mayor consumo de material. En contraposición, el objetivo de este trabajo consiste en poner a disposición de la ortopedia conceptos de la ingeniería de construcción ligera y, junto con el diseño asistido por ordenador, desarrollar de una forma más automatizada una órtesis para levantar el pie adaptada a la carga. Este diseño se basa en el uso de un material compuesto de fibras infinitamente largas y matriz termoplástica. Para cumplir con este objetivo el presente trabajo se compone de siete capítulos. Tras la introducción al tema, los capítulos Segundo y Tercero conforman el marco teórico para entender qué es exactamente una órtesis de levantamiento de pie y cómo ha de cumplir su función de apoyo durante la marcha. La finalidad de esta órtesis es el tratamiento del pie caído. Aquí se incluyen conceptos de anatomía y biomecánica necesarios para la determinación de las condiciones de contorno que caracterizan la fase de la marcha donde la órtesis se encuentra más solicitada. Es bajo dichas condiciones donde interesa evaluar el comportamiento de la órtesis. Tras esta aproximación, se tomarían las medidas del paciente mediante un escáner. Para este trabajo, sin embargo, un escáner 3D de la parte inferior de una pierna ha sido facilitado por el Instituto de Construcción ligera de la Universidad Técnica de Dresden (ILK). Después, trabajando sobre dicho escáner se construye el modelo de la órtesis utilizando herramientas de modelado CAD. En el Cuarto capítulo se presentan tres modelos realizados con el programa Solidworks 2019 y tras una evaluación de éstos se elige el más adecuado. En el Quinto capítulo, tras el estudio de posibles combinaciones de materiales compuestos de matriz termoplástica con fibras de refuerzo se definen tres materiales y se calculan sus propiedades elásticas. Finalmente, mediante una matriz de evaluación se comparan las distintas opciones, obteniendo como resultado la elección del material que compone la estructura de la órtesis: Una combinación de un 60 % de Polipropileno y un 40 % de fibras de vidrio. Por último, mediante el uso del análisis de elementos finitos, se simula el comportamiento de la órtesis para añadir las correcciones necesarias hasta lograr un diseño óptimo de forma virtual. Las propiedades mecánicas y de procesamiento de este tipo de órtesis están muy influenciadas por la estructura del refuerzo de las fibras. Dada la versatilidad en el diseño de estos materiales compuestos, se plantea un estudio paramétrico sobre la base de la combinación del material escogida. Todo ello con el fin de definir el material compuesto que mejor se adapte a la carga de la órtesis diseñada. Trabajando con Abaqus/CAE se configuran tres materiales compuestos diferentes. Los dos primeros sirven para comparar el efecto de diferentes direcciones de fibras. Mientras que entre el segundo y el tercer material sólo varía el espesor de las capas unidireccionales que componen el compuesto en forma de laminado. Tras la preparación y ejecución del análisis de elementos finitos para cada uno de los tres diseños se llevan a cabo las dos comparaciones. En ambas se evalúan dos resultados de la simulación: Por un lado, los desplazamientos producidos en la estructura de la órtesis y por otro, las tensiones generadas en las diferentes capas de los compuestos. De la primera comparación se deduce que frente a un compuesto con todas las fibras orientadas en la dirección de los mayores esfuerzos es preferible un reparto de las fibras orientadas en más de una sola dirección. Así se obtiene un material ligeramente más flexible con una mejor distribución de tensiones y valores más bajos. De la comparación de espesores, se puede concluir que cuanto mayor es el espesor, más rígido es el material y por lo tanto mayores son las tensiones generadas. Llevar a la órtesis al mismo estado de deformación requiere una mayor carga en el caso de la órtesis más gruesa y esto conduce también a un mayor desplazamiento total de su estructura. No obstante, esto no es deseable. Con la realización de este trabajo queda demostrado que es posible diseñar un material compuesto para una órtesis que se adapte mejor a sus cargas. Sólo después de haber obtenido este diseño virtual adaptado se llevará a cabo el proceso de fabricación. Una opción contemplada es la fabricación de un producto semielaborado, como el material compuesto en forma de laminado, que seguidamente será sometido al proceso de moldeo necesario hasta obtener la forma de la órtesis para levantar el pie cuyo rendimiento está más garantizado que el de aquellas producidas de forma artesanal en la ortopedia. Sin embargo, antes de que el diseño propuesto pueda ser fabricado en la práctica han de considerarse varios aspectos que no se contemplan en este trabajo, así como posibles correcciones. Algunos de estos se comentan en el Séptimo capítulo.