Diz altı ampute erkek çocuklar için protez bacak tasarımı ve eklemeli imalat yöntemi ile üretimi
Prosthesis leg design and fabrication with additive manufacturing method for below-knee amputee boys
Yazar: ÖZBİL ÖZMEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN KEMAL SÜRMEN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde protezlere ihtiyaç duyan hastaların büyük bir bölümünün alt ampütasyona sahip bireylerden oluştuğu bilinmektedir. Ampute hastalarının; protezlerin yüksek maliyetli olması, üretim ve tedarik sürelerinin uzun olması, protezlere erişimin sınırlı olması gibi ortak şikâyetleri vardır. Bu çalışma, ampute hastalarının yaşam kalitelerini daha iyi bir seviyeye çıkarabilmek için topoloji optimizasyon yöntemi ile geliştirilmiş hafif, yüksek mukavemetli, düşük maliyetli, kolay erişilebilir bir diz altı protez bacak modelinin geliştirilmesini ve eklemeli imalat yöntemi ile üretilmesini amaçlamaktadır. Çalışmanın ilk aşamasında, proteze sık ihtiyacı olan çocukların antropometrik verilerine göre eklemsiz tek parça diz altı protez bacak modeli tasarlanmıştır. İkinci aşamada; ayakta durma, yürüme, merdiven çıkma ve inme gibi fiziksel aktivitelerdeki yüklenme ve sınır koşulları dikkate alınarak sonlu elemanlar metodu ile yapısal analizleri yapılmış ve bunun sonucunda topoloji optimizasyon yöntemi kullanılarak protez model geliştirilmiştir. Üçüncü aşamada ise, optimize edilmiş protez model desteksiz eklemeli imalat süreci için modifiye edilmiş, daha sonra soket ve topuk bölümleri tasarlanarak eklenmiştir. Dördüncü aşamada ise, nihai diz altı protez bacak modeli termoplastik poliüretan (TPU) filament ile bir FDM 3B yazıcıda üretilmiştir. Bu çalışmada geliştirilen diz altı protez bacak modeli, 8.67 güvenlik faktörüne sahip olup, ilk 3B protez modelinden %45.33 oranında daha hafiftir. Ayrıca optimizasyon çalışması ile geliştirilen model sayesinde üretim sırasında yaklaşık %45 daha az malzeme kullanımı sağlanmıştır.

Abstract:
It is known that most of the patients who need prostheses today are people with lower amputations. Amputee patients have common complaints such as the high cost of prostheses, long production and supply times and limited access to prostheses. This study aims to develop a lightweight, high-strength, low-cost, easily accessible below-the-knee prosthetic leg model improved with the topology optimization method and to produce it with the additive manufacturing method to improve amputee patients' quality of life. In the first stage of the study, a jointless one-piece below-knee prosthetic leg model was designed according to the anthropometric data of children who need frequent prostheses. In the second stage, structural analyzes were made with the finite element method, taking into account the loading and boundary conditions in physical activities such as standing, walking, ascending and descending stairs and as a result prosthetic model was improved using the topology optimization method. In the third stage, the optimized prosthetic model was modified for the support-free additive manufacturing process, and then the socket and heel sections were designed and added. In the fourth stage, the final below-knee prosthetic leg model was fabricated with a thermoplastic polyurethane (TPU) filament on an FDM 3D printer. The below-knee prosthetic leg model developed in this study has a safety factor of 8.67 and 45.33% lighter than the first 3D prosthesis model. In addition, thanks to the model improved with the optimization study, approximately 45% less material usage was achieved during production.