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 Ganga
Orientadora: Profª Drª Maria Elizete Kunkel
Junho de 2016
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO
INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
ENGENHARIA BIOMÉDICA

Introdução
2-42
(Science Museum, Londres) 31069 - 664 AC, Egito 1
Renascimento (1400 – 1800) 2 Ficção cientifica (1980-2016) 4,5
Século 19, Alemanha 3

Introdução
Fig. 1 – 31 ossos. Fig. 2 – Articulações (17). Fig. 3 – Tendões (17) e musculatura (19).
Rádio
Ulna
Mão
8 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
SUS
Por 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 mil
Crianças 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
Simulação
computacional
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.
• Modelo da prótese em stl.
• 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

Simulação computacional
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

Modelagem 3D com alteração estrutural
• Resultado FEM – Área de cisalhamento
do 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
• Modelo da Mio3D em stl.
• Material - PLA (10%) e Flex (25%).
Metodologia
28-42

Resultados e Discussão
The Limbitiless Arm
Analise cinemática
Manufatura
Montagem
Simulação
computacional
Mio3D
Manufatura
Montagem
Simulação
computacional
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
ABS
Mio3d TLA
PLA
Mio3d TLA
Fmax (N) 600 520 695 510
Deformação (mm) 2 2 13 10
38-42

Fig. 40 – Custo
R$ 15.000,00 6
R$ 300,00
Estrutura 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

Fotos
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http://data.worldbank.org/indicator/SP.POP.TO
TL
Referencias bibliográficas
44-42

Fim
ganga.thabata@gmail.com
Agradecimentos:

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