ANÁLISIS ESTRUCTURAL MEDIANTE EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS DE UNA PRÓTESIS DE PIE ARTICULADO FABRICADA POR MANUFACTURA ADITIVA

En el presente trabajo de título se estudia el comportamiento estructural de la prótesis transtibial BIOstep, desarrollada por la empresa TakeaHand. La cual es elaborada mediante la técnica de modelado por deposición fundida (FDM), específicamente a través de tecnologías de impresión 3D, lo que otorga características ortotrópicas al material de impresión Z-ABS. En relación a sus características principales, sus desarrolladores destacan su capacidad de carga de 120 kgf y su ventaja económica frente a prótesis convencionales.El análisis del comportamiento de la prótesis se lleva a cabo mediante una simulación de su respuesta frente a una carga estática (FRS), a través del método de elementos finitos (MEF) y con la asistencia del software comercial Ansys Workbench. Para ello, se establecen niveles de carga sobre el conjunto desde los 80 hasta los 120 kgf, con incrementos de 20 kgf para cada etapa de la marcha. Adicionalmente, se caracteriza cada componente según sus propiedades mecánicas, y se establecen las relaciones de contacto pertinentes entre elementos del conjunto, con el fin de elaborar una aproximación numérica fiel del fenómeno físico.Para llevar a cabo este estudio, es necesario analizar en profundidad las etapas de la marcha humana con el fin de determinar las fuerzas de reacción del suelo (FRS) y las orientaciones de los miembros inferiores en cada plano anatómico. También se requieren las propiedades mecánicas de las piezas fabricadas de Z-ABS del conjunto, las cuales se obtienen por medio de un estudio previo mediante MEF.El análisis de los resultados del trabajo permite identificar los puntos críticos de la estructura externa e interna de la prótesis, fabricada de Z-ABS y aluminio respectivamente. Posteriormente, se proponen recomendaciones para mejorar el rendimiento mecánico de la prótesis.
 The present thesis studies the structural behavior of the transtibial prosthesis BIOstep, developed by the company TakeaHand. Which is fabricated through fused deposition modeling (FDM), specifically 3D printing technologies, what it grants orthotropic characteristics to the Z-ABS printing material. About its main characteristics, its developers highlight its capacity of 120 kgf and the economic advantage over conventional prostheses.The analysis of the behavior of the prosthesis is carried out by means of a simulation of its response to a static load (GRF), through the finite element method (FEM), with the assistance of the commercial software Ansys Workbench. For this, load levels are established over the ensemble from 80 to 120 kgf, with increments of 20 kgf for each stage of the gait. In addition, each component is characterized according to its mechanical properties, and the relevant contact relations between elements of the set are established, in order to elaborate a faithful numerical approximation of the physical phenomenon.To realize this study, it is necessary to analyze in depth the stages of human gait in order to determine the ground reaction forces (GRF) and the orientations of the lower limbs in each anatomical plane. Besides, the mechanical properties of the pieces elaborated of Z-ABS of the set are required, which are obtained by means of a previous study by FEM.The analysis of the results of the work allows to identify the critical points of the external and internal structure of the prosthesis, made of Z-ABS and aluminum respectively. Subsequently, recommendations are proposed to improve the mechanical performance of the prosthesis.