prótese mioelética infantil por impressão 3d

Modelagem 3D, Manufatura aditiva e Análise Computacional de uma prótese mioelétrica infantil de membro superior

Instituto de Ciência e Tecnologia - Engenharia Biomédica

Aluna : Thabata Alcantara Ferreira GangaOrientadora: Profª Drª Maria Elizete Kunkel

Junho de 2016

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULOINSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIAENGENHARIA BIOMÉDICA

Introdução

2-42

(Science Museum, Londres) 31069 - 664 AC, Egito 1

Renascimento (1400 – 1800) 2 Ficção cientifica (1980-2016) 4,5Século 19, Alemanha 3

Introdução

Fig. 1 – 31 ossos. Fig. 2 – Articulações (17). Fig. 3 – Tendões (17) e musculatura (19).

Rádio

Ulna

Mão8 articulações

Membro superior: Anatomia

3-42

Membro superior: Fisiologia

Introdução

Fig. 4 – Sistema de controle muscular. Fig. 5 – Unidade motora.

Medula espinal

Músculo

4-42

Membro superior: Biomecânica

Introdução

Fig. 6 – 27 Graus de liberdade da mão (CUNHA, 2002). Fig. 7 – Principais funções da mão (LINSCHEID, 2002).

Garra

Pinça

5-42

Deficiência motora: Ausência, malformação congênita e amputação de membro superior

Introdução

Fig. 9 – Diferentes graus (CAPITAL HEALTH, 2016).

Fig. 8 – Malformação congênita (CHAVHAN et al, 2010).

6-42

Fig. 10 – Portadores de deficiência no Brasil (IBGE, 2010; 2011).


Introdução

Argentina

41,5 Mi

Uruguai

3,4 Mi

Portugal

10,4 Mi

(WORLD BANK, 2014)

45,6 Mi

24,6 Mi

54%

7-42

Fig. 11 – Tipos de deficiência no Brasil (IBGE, 2010; 2011).


Introdução

Fig. 12 – Amputação realizadas pelo SUS em 2011 (BRASIL, 2013).

8-42


Fig. 13 – Principais causas de amputação no SUS (BRASIL, 2013). Fig. 14 – Parte do corpo afetada por acidente de trabalho (SMOR, 2014).

Introdução

9-42

Protetização e reabilitação de membro superior

Fig. 15 – Próteses comerciais (CARVALHO, 2004) Fig. 16 – Orçamento de uma prótese mioelétrica.

Introdução

10-42

Protetização e reabilitação de membro superior

SUSPor rotina não

fornece prótese de membro superior

para crianças

Fig. 17 – Reabilitação de crianças no Brasil (ABOTEC, 2015).

Introdução

Deficientes físicos

Reabilitação

45,6 Mi

2,3 Mi

7,5%0 a 15 anos 5%

171 milCrianças fazendo

reabilitação

11-42

Prótese de membro superior feita por manufatura aditiva

Fig. 18 – Manufatura por fusão e deposição (FDM).

Introdução

FDM

ABS – R$ 100,00

acrilonitrila butadieno

estireno

PLA – R$ 130,00

poli acido lático

12-42


Fig. 19 – Evolução das próteses.

Até o séc. XIX

Séc. XX

Introdução

Séc. XXI

13-42


Fig. 20 – Tipos de prótese segundo nível de amputação (E-NABLE, 2015).

Introdução

14-42

Prótese mioelétrica de membro superior feita por manufatura aditiva

Fig. 21 – Modelos de próteses mioelétricas (E-NABLE, 2015).

Introdução

15-42

The Limbitiless Arm (TLA)

Fig. 22 – Crianças utilizando TLA (UCF Armory, 2015).

Motivação

16-42

Objetivo

Investigar a redução do custo de produção de uma prótese mioelétrica de membro superior por manufatura aditiva (MA) e

análise com o método de elementos finitos (FEM).

17-42

Metodologia

Fig. 23 – Fluxograma.

The Limbitiless Arm

Analise cinemática

Manufatura

Montagem

Simulação computacional

Mio3D

Manufatura

Montagem


Modelagem 3D

18-42

Analise cinemática

Fig. 24 – Cadeia cinemática.

• Thingiverse (web) – modelo em stl.• Software Meshmixer.• Estudo do mecanismo.

Metodologia

19-42

Manufatura aditiva

Fig. 25 – Impressora 3D nacional Sethi3D AiP.

• Software Repetier Host.• Modelo da prótese em stl.• Software Slic3r.• Material - ABS (35%) e Flex (35%).

Metodologia

20-42

Manufatura aditiva

Fig. 25 – Impressora 3D nacional Sethi3D AiP.

• Software Repetier Host.• Modelo da prótese em stl.• Software Slic3r.• Material - ABS (35%) e Flex (35%).

Metodologia

21-42

Montagem

Fig. 26 – Esquema de montagem da mão (UFC Armory, 2014). Fig. 27 – Fluxograma de acionamento.

Metodologia

22-42


Metodologia

Fig. 28 – Método dos elementos finitos.

A)

B)

C)

Deformação e Tensão

23-42

Geometria e propriedades materiais

Forças atuantes Deformação

A)

B)

C)

Deformação e Tensão

Geometria e propriedades materiais

Forças atuantes Deformação


Fig. 29 – Condição de contorno.

• Software Inventor – simulação.• Fator de segurança > 3.• NBR 6122/1996 (fundações de prédios).

• ABS e PLA (MATWEB, 2016).

Metodologia

25-42

Mio3D

Metodologia

26-42

Modelagem 3D com alteração estrutural

• Resultado FEM – Área de cisalhamentodo braço da prótese.

• Software FreeCAD – stl em step.• Inventor – modelagem paramétrica 3D.• MeshMixer – detalhes estéticos (stl).

Metodologia

27-42

Manufatura aditiva e montagem

Fig. 30 – Impressora 3D nacional Stella 3D

• Software Repetier Host.• Modelo da Mio3D em stl.• Software Slic3r.• Material - PLA (10%) e Flex (25%).

Metodologia

28-42

Resultados e Discussão

The Limbitiless Arm

Analise cinemática

Manufatura

Montagem


Mio3D

Manufatura

Montagem


Modelagem 3D

29-42

Analise cinemática

Fig. 31 – Modelo 3D do Thingiverse. Fig. 32 – Diagrama cinemático.

19 GDL


30-42


Fig. 33 – a) Estrutura e b) funcionamento. Fig. 34 – Sensor e eletrodo.

Produzido em

42 h


Estrutura Massa (kg)

Mão 0,240

Braço 0,245

Total 0,485

31-42



32-42


Fig. 35 – a) Malha; b) von Misses; c) FS e d) deformação.


ABS PLA

Fmax (N) 520 510

Deformação (mm) 2 10

• Deformação e tensão• Software Inventor – simulação• FS < 3

Deformação

33-42

Mio3D


34-42

Fig. 36 – Peças que compõe a prótese. Fig. 37 – Montagem da parte mecânica e eletrônica.


Modelagem 3D com alteração estrutural

35-42

Fig. 38 – Protótipo da Mio3D.



Produzido em

96 h

Estrutura Massa (kg)

Mão 0,142

Braço 0,150

Total 0,292

36-42

Fig. 39 – a) Malha; b) von Misses; c) FS e d) deformação.

• Deformação e tensão• Software Inventor – simulação• FS < 3


ABS PLA

Fmax (N) 600 695

Deformação (mm) 2 13


Deformação

37-42

Fig. 40 – a) TLA e b) novo modelo

ABS x PLA


ABSMio3d TLA

PLAMio3d TLA

Fmax (N) 600 520 695 510

Deformação (mm) 2 2 13 10

38-42

Fig. 40 – Custo


R$ 15.000,00 6

R$ 300,00Estrutura mecânica da Mio3D

39-42

Conclusão

• Modelagem 3D: parametrização e personalização (lúdico).

Prótese mioelétrica infantil de baixo custo

40-42

Conclusão


• Manufatura aditiva: reprodutibilidade, baixo custo e tempo.


41-42

Conclusão



• Método dos elementos finitos: custo-benefício na produção.


42-42



• Método dos elementos finitos: custo-benefício na produção.

• Material PLA: leve, baixo custo, biodegradável, biocompatível

e boa resistência estrutural.

Conclusão


43-42

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Referencias bibliográficas

44-42

Fim

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Agradecimentos:

prótese mioelética infantil por impressão 3d

Health & Medicine