Desenvolvimento de um protocolo de impressão 3D para a prótese de membro superior Unlimbited Arm v2.2 com base em análises mecânicas
Data
2022-04-11
Autores
Bina, Tainara dos Santos 
Orientadores
Kunkel, Maria Elizete
Tipo
Dissertação de mestrado
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Resumo
Introdução: A manufatura aditiva ou impressão 3D tem sido cada vez mais utilizada na
produção de próteses acessíveis para pessoas com amputação de membro superior. Em São
José dos Campos, o Projeto de Extensão Mao3D produz próteses que são doadas a quem
precisa, feitas com o uso de impressoras 3D, que utilizam o processo de extrusão de material.
Um desafio encontrado no processo de reabilitação de amputados utilizando próteses
produzidas por manufatura aditiva em impressoras desktop é a baixa qualidade das peças
manufaturadas. O modelo de prótese open source mais utilizado no Projeto Mao3D e por
outras organizações é o Unlimbited arm v2.2. Até o momento da realização dessa pesquisa
não foi encontrado na literatura, um protocolo para ser utilizado no processo de produção
desse modelo de prótese. Objetivo: Definir os parâmetros de impressão 3D pelo processo de
extrusão de material para manufatura das peças da prótese Unlimbited Arm v2.2 e
desenvolver um protocolo de impressão 3D para auxiliar na produção deste dispositivo.
Metodologia: Na primeira fase foram realizados ensaios mecânicos de impacto e tração
uniaxial em corpos de prova manufaturados por impressão 3D, com filamento poli (ácido
lático), para correlacionar os parâmetros de impressão 3D de camada do topo, base,
perímetro e densidade de preenchimento interno e as propriedades mecânicas de peças
manufaturadas. Na segunda fase foi realizada uma análise estrutural pelo Método dos
Elementos Finitos (FEM) para definir quais configurações permitem que a prótese suporte
mais carga. A partir desses resultados, na terceira fase 3 da pesquisa foi desenvolvido um
protocolo com os parâmetros de impressão adequados para a produção das peças da prótese
Unlimbited Arm v2.2. Resultados e discussão: A análise estatística dos dados obtidos
mostrou que os parâmetros testados de camada tem mais influência nos resultados de
resistência ao impacto e tensão máxima do que o preenchimento. Além disso, foi possível
comparar quais configurações de camada e densidade de preenchimento interno fornecem
uma peça com melhor resistência mecânica. A análise FEM mostrou que uma prótese
manufaturada com número de camadas entre 4 e 5 e densidade de preenchimento interno de
35 a 45% pode segurar um objeto de até 1kg. Além disso, o protocolo apresentar informações
relevantes sobre a impressão das peças, em qualquer software de fatiamento. Conclusão:
Esta pesquisa auxiliou a definir os parâmetros de impressão 3D para a manufatura da prótese
Unlimbited Arm v2.2 e disponibiliza um protocolo em português e inglês para auxiliar na
produção dos voluntários que realizam a doação.
Introduction: Additive manufacturing or 3D printing has been increasingly used to produce accessible prosthetics for people with upper limb amputation. In São José dos Campos, the Mao3D Extension Project produces prostheses that are donated to those who need them, created with 3D printers that use the material extrusion process. One challenge encountered in the rehabilitation process of amputees using prosthetics made by additive manufacturing on desktop printers is the low quality of the manufactured parts. The open-source prosthesis model most used in the Mao3D Project and by other organizations is the Unlimbited arm v2.2. At the time of this research, it was not found in the literature a protocol to be used in the production process of this prosthesis model. Objective: Define the 3D printing parameters by the material extrusion process to manufacture the parts of the Unlimbited Arm v2.2 prosthesis and develop a 3D printing protocol to assist in the production of this device. Methodology: In the first phase, impact and uniaxial tensile mechanical tests were performed on specimens manufactured by 3D printing with poly (lactic acid) filament to correlate the 3D printing parameters of top, bottom, perimeter, and internal fill density layers and the mechanical properties of the manufactured parts. In the second phase, a Finite Element Method (FEM) structural analysis was performed to define which configurations allow the prosthesis to hold more load. From these results, in the third phase 3 of the research, a protocol was developed with the appropriate printing parameters for the production of the Unlimbited Arm v2.2 prosthesis parts. Results and discussion: Statistical analysis of the obtained results showed that the layer parameters tested have more influence on the results for impact strength and ultimate tensile strength than the infill. Furthermore, it was possible to compare which layer configurations and internal fill density provide a part with better mechanical strength. The FEM analysis showed that a prosthesis manufactured with a layer number between 4 and 5 and an internal fill of 35 to 45% could hold an object of up to 1kg. In addition, the protocol provides relevant information about the printing of the parts, in any slicing software. Conclusion: This research helped to define the 3D printing parameters for the manufacturing of the Unlimbited Arm v2.2 prosthesis and provides a protocol in Portuguese and English to assist the production of the volunteers that realize the donation.
Introduction: Additive manufacturing or 3D printing has been increasingly used to produce accessible prosthetics for people with upper limb amputation. In São José dos Campos, the Mao3D Extension Project produces prostheses that are donated to those who need them, created with 3D printers that use the material extrusion process. One challenge encountered in the rehabilitation process of amputees using prosthetics made by additive manufacturing on desktop printers is the low quality of the manufactured parts. The open-source prosthesis model most used in the Mao3D Project and by other organizations is the Unlimbited arm v2.2. At the time of this research, it was not found in the literature a protocol to be used in the production process of this prosthesis model. Objective: Define the 3D printing parameters by the material extrusion process to manufacture the parts of the Unlimbited Arm v2.2 prosthesis and develop a 3D printing protocol to assist in the production of this device. Methodology: In the first phase, impact and uniaxial tensile mechanical tests were performed on specimens manufactured by 3D printing with poly (lactic acid) filament to correlate the 3D printing parameters of top, bottom, perimeter, and internal fill density layers and the mechanical properties of the manufactured parts. In the second phase, a Finite Element Method (FEM) structural analysis was performed to define which configurations allow the prosthesis to hold more load. From these results, in the third phase 3 of the research, a protocol was developed with the appropriate printing parameters for the production of the Unlimbited Arm v2.2 prosthesis parts. Results and discussion: Statistical analysis of the obtained results showed that the layer parameters tested have more influence on the results for impact strength and ultimate tensile strength than the infill. Furthermore, it was possible to compare which layer configurations and internal fill density provide a part with better mechanical strength. The FEM analysis showed that a prosthesis manufactured with a layer number between 4 and 5 and an internal fill of 35 to 45% could hold an object of up to 1kg. In addition, the protocol provides relevant information about the printing of the parts, in any slicing software. Conclusion: This research helped to define the 3D printing parameters for the manufacturing of the Unlimbited Arm v2.2 prosthesis and provides a protocol in Portuguese and English to assist the production of the volunteers that realize the donation.
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Bina, T. (2022). Desenvolvimento de um protocolo de impressão 3D para a prótese de membro superior Unlimbited Arm v2.2 com base em análises mecânicas.