Análisis de sensibilidad de parámetros tribológicos en el sistema muñón-socket en la distribución de esfuerzos en amputados transfemorales.

El confort en pacientes con amputación de miembro inferior y especialmente con amputación transfemoral es un tema con poco desarrollo y que involucra un gran impacto social, son muchos los factores que afectan la percepción de bienestar de los usuarios de este tipo de prótesis. Desde el punto de vista ingenieril se trabaja en la interacción del muñón con el socket, para tratar de mejorar la adaptación del paciente y para disminuir la posibilidad de crear lesiones en los tejidos blandos que en el peor de los casos conllevan a una nueva amputación. En esta investigación se realizó el análisis de sensibilidad de los parámetros tribológicos Ra y HSC sobre la magnitud de los esfuerzos en la piel del muñón de amputados Transfemorales. Se verificó mediante un diseño experimental y mediciones en un esclerómetro, que la textura superficial influencia la medición del coeficiente de fricción entre la piel y el polipropileno. Posteriormente empleando el método de los elementos finitos y modelos multicapa se determinó como la variación del coeficiente de fricción influencia la distribución y la magnitud de los esfuerzos sobre el muñón, se encontraron variaciones en los esfuerzos cortantes entre el 5 y el 35 % y para la presión entre el 10 y el 16 %, se estableció que el emplear materiales hiperelásticos y modelos multicapa para modelar los tejidos blandos es un procedimiento válido que se acerca al comportamiento real. Con el fin de seleccionar los parámetros tribológicos más adecuados, se realizó un análisis estadístico entre los valores de Ra, Rq, Rv, Rt y HSC, medidos en sockets fabricados en seis diferentes empresas nacionales. Se propuso una metodología empleando la ley de Amontons y nuevamente el método de los elementos finitos para calcular de forma inversa el coeficiente de fricción entre la piel y el polipropileno, teniendo en cuenta las cargas generadas durante el proceso de postura del socket, las cargas generadas durante la fase de apoyo de la marcha humana, las variables tribológicas y cuatro geometrías de la superficie del polipropileno.Doctorad

Determining the most representative topographic variables in locally manufactured sockets for patients with transfemoral amputation

Resumen: El nivel de confort de un paciente amputado transfemoral está ligado al coeficiente de fricción (CF) en la interfaz Socket-Muñón, se ha demostrado experimentalmente que las características superficiales del elemento que entra en contacto con la piel influyen en el CF. Partiendo del modelo en yeso del muñón de un paciente amputado transfemoral se fabrican seis sockets en empresas de diferentes ciudades a nivel nacional (Bogotá, Medellín y Cali), con el fin de determinar los cambios a nivel topográfico dependiendo del proceso y fabricación, se establece el procedimiento general para la fabricación de un socket se identifican las zonas con mayores esfuerzos en el muñón partiendo de modelos por elementos finitos y se extraen probetas de los sockets. Con un rugosimetro, se caracteriza la superficie de las muestras teniendo como criterios los parámetros tribológicos Ra, Rq y Rpc. Se concluye que debido a lo altamente artesanal del proceso de fabricación, las características tribológicas varían enormemente de un socket a otro, lo cual plantea la posibilidad de realizar en el futuro protocolos de fabricación que incluyan el texturizado superficial en determinadas zonas de los sockets y de esta forma variar los coeficientes de fricción y mejorar la precepción de confort de los pacientes. Abstract. The degree of comfort of a patient with transfemoral amputation is directly related to the Coefficient of Friction (COF) at the Socket- Stump interface. It has been experimentally proven that surface characteristics of the element contacting the skin have an impact on the COF. Based on the gypsum model of a patient with transfemoral amputation, six sockets are manufactured in companies from several cities of the country (Bogotá, Medellín, and Cali) with the purpose of determining the topographic changes based on the manufacture process. General procedure to manufacture the socket is established, the areas exercising the biggest stress on the stump are identified based on finite-element models, and samples are taken from sockets. Through a roughness tester, surface of samples is characterized having Ra, Rq, and Rpc as tribological parameters. It is concluded that due to the highly artisanal degree of the manufacture process tribological characteristics significantly vary from one socket to another, which allows having a possibility to perform, in the future, manufacture protocols to include surface texture on specific areas of sockets in order to modify coefficients of friction and increase patients’ comfort

Stress reduction in the residual limb of a transfemoral amputee varying the coefficient of friction

ABSTRACT: A finite element computer model was used to validate the relationship between coefficient of friction (COF) and the shear stresses and pressures obtained at the socket/residual limb interface for four individuals with transfemoral amputation. This model simulated the process of donning the socket and application of loads during the stance phase of gait cycle. The residual limb was modeled as a solid multilayer (skin, fat and muscle) with hyperelastic properties. An experimental design was made to calculate the significance of hairiness, sweating, and texture factors in measuring the COF between polypropylene and skin with the help of a sclerometer; values were obtained from 0.188 to 0.545. It was demonstrated that the surface texture is significant when measuring the COF. On the results of the simulation, a horizontal strip where the greatest stresses and pressures occurred was identified; in this strip, the COF was varied from 0.2 to 0.6 to observe its effect on the distribution of stresses. The average shear decreased up to 25%, whereas the pressures did not vary significantly and the results do not exceed the value of 70 kPa, from which values are potentially harmful to the skin. Key indexing terms: socket-limb residual interface, finite element analysis, dynamic simulation, stress distribution

Nonlinear evaluation of two different posts

ABSTRACT: Endodontically treated teeth that will be restored with crowns and which have lost part of their dental structure need a cast post or a prefabricated post to improve final restoration retention and therefore to be able to regain their functionality and aesthetics. The literature suggests when to use a cast or prefabricated post, but it is not conclusive in terms of which one has a better stress distribution, which post material or shape is better, or whether their modulus of elasticity is related to load distribution along the tooth’s axis. Methods: by using Solid Works, two models of a maxillary central incisor with all its supporting structures were made, one with a cast post and another one with a prefabricated post plus an all-ceramic crown. By means of finite element analysis both teeth were subjected to loads of 200, 400, 600 and 800 N up to reaching their plasticity. Results: at 200 and 400 N, both posts showed different stress distribution patterns without altering the restoration or the tooth’s root. Conclusions: at normal masticatory loads, both posts are likely to restore a tooth that needs addition of a post.RESUMEN: Los dientes tratados endodóncicamente que van a ser rehabilitados con coronas y que han perdido parte de su estructura dental, necesitan de un poste prefabricado o colado para que ayude a la retención de la restauración final y así el diente pueda recuperar la funcionalidad y la estética. La literatura reporta cuándo utilizar un poste colado o prefabricado, pero no es contundente cuál distribuye mejor los esfuerzos, cuál material o forma de poste es mejor y si el módulo de elasticidad tiene o no relación con la distribución de las cargas a lo largo del eje axial del diente. Métodos: se hicieron dos modelos en SolidWorks de un incisivo central superior con todas sus estructuras de soporte, uno con un poste colado y otro con un poste prefabricado, además de una corona completamente cerámica. Mediante un análisis de elementos finitos se cargaron dichos dientes a 200, 400, 600 y 800 N para llevarlos hasta la plasticidad. Resultados: a 200 y 400 N ambos postes mostraron diferente distribución de esfuerzos sin afectar la restauración o la raíz dental. Conclusiones: a cargas masticatorias normales, ambos postes son predecibles para rehabilitar un diente que necesita de la incorporación de un poste.Grupo de investigación Biomateriales en Odontología, Facultad de Odontología y el Grupo de Diseño Mecánico, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad de Antioquia

Assessment of cohesive traction-separation relationship according stiffness variation

The definition of a traction-separation relationship is a fundamental issue in cohesive zone models because it describes the nonlinear fracture process. Cohesive interactions are generally a function of displacement jump (or separation). If the displacement jump is greater than a characteristic length (dn), complete failure occurs. In this study, the softening condition behavior of a cohesive interface between two identical materials was assessed for different stiffness values of solid and cohesive. The cohesive interface was modeled with a traction-separation linear relationship and for the solids continuum elastic constitutive models were used. The softening condition was obtained by analytical and finite element method. The whole system behavior was modeled using ABAQUS 6.14 to obtain stress-displacement relationship. The analytical solution and computational results were compared. The computational results matched the analytical solutions and the simulations allowed to obtain a response in the cases where the analytical solution has singularities “backslash effect”. La definición de la relación tracción-separación es una cuestión fundamental en los modelos de zona cohesiva porque describe procesos de fractura no lineal. Las interacciones cohesivas son generalmente una función del desplazamiento (o separación). Si el cambio en el desplazamiento es mayor que una longitud característica (dn), ocurre una falla completa. En este estudio la condición de ablandamiento de la interfaz cohesiva entre dos materiales idénticos fue evaluada para diferentes valores de rigidez del sólido y del cohesivo. La interfaz cohesiva fue modelada con la relación lineal de tracción-separación y para los sólidos se utilizaron modelos constitutivos continuos elásticos. El comportamiento de todo el sistema fue modelado usando ABAQUS 6.14 para obtener la relación esfuerzo-deformación. La solución analítica y los resultados computacionales fueron comparados. Los resultados computacionales concordaron con la solución analítica y las simulaciones permitieron obtener una respuesta en los casos donde la solución analítica tiene singularidades "backslash effect"

Influencia de la densidad y de los parámetros de relleno en las propiedades mecánicas compresivas de probetas fabricadas en manufactura aditiva de PLA

La impresión por hilo fundido (FDM, por sus siglas en inglés) tiene una gran cantidad de parámetros que influyen directamente sobre la calidad y las propiedades mecánicas de la pieza final. Actualmente, la manufactura aditiva por FDM ha presentado un gran auge para desarrollos de prótesis por su bajo costo respecto a otros procesos de manufactura; además, esta tecnología es de gran interés para el área de la medicina, dada su capacidad de crear soluciones personalizadas para cada paciente, debido a la variedad de materiales que se pueden emplear, ya que hay una amplia oferta de empresas que fabrican y suministran impresoras y materiales para la impresión. En este trabajo se investigó la influencia de la densidad y de la geometría de los patrones de relleno sobre el esfuerzo máximo, el esfuerzo de fluencia y el módulo de elasticidad a la compresión, en probetas de PLA elaboradas mediante manufactura aditiva con la técnica modelado por FDM. Se emplearon densidades de 10 %, 25 %, 50 %, 75 % y 100 %, y los parámetros de relleno utilizados fueron trihexagonal, subdivisión cúbica y giroide. Todas las probetas se sometieron a ensayos de compresión para calcular sus propiedades mecánicas, y en términos generales se observó que, al aumentar la densidad de relleno, se presenta un aumento en las propiedades a la compresión del material, y la geometría del patrón de relleno puede alterar estas propiedades.Fused deposition modeling (FDM) has a large number of parameters that directly influence the quality and mechanical properties of the final par. Currently, FDM additive manufacturing has shown a rise for prosthesis developments due to its low cost for their development with respect to other manufacturing processes. Additionally, this technology presents great interest to the area of medicine due to its ability to create customized solutions for each patient, the variety of materials that can be used, and the wide range of manufacturing and supply printers brands and materials for printing. This work investigated the influence of infill density and infill patterns on the compression values for maximum stress, yield stress and elastic modulus, in PLA specimens made by additive manufacturing by FDM technique. Densities of 10%, 25%, 50%, 75% and 100% and infill parameters Trihexagonal, Cubic Subdivision and Gyroid were used. All specimens were subjected to compression tests to calculate their mechanical properties and in general terms it was observed that increasing the infill density presents an increase in the compression properties of the material and that the geometry of the filling pattern can alter these properties

Diagnosis of early failures of bearing within mechanisms susceptible to unbalance and misalignment

In this paper, we study the unbalance and misalignment effect on the acceleration vibration parameters commonly used in the diagnosis of early bearing failures. This research provides a diagnostic parameter called AFC.  Measurements of the AFC parameter are sensitive to the existence of the defect; however, misalignment, unbalance and their interactions do not cause a statistically significant effect in their values. The purpose of finding this parameter is to avoid false alarms or cover up faults in bearings within mechanisms susceptible to unbalance and misalignment. Among the methods studied, there are the spectral analysis, the study of global values ​​of the acceleration measurement with different processing like the high-frequency detection HFD, the acceleration envelope ENV, the kurtosis K, the crest factor FC and the asymmetry of the signal Ske, among other parameters proposed by the authors. In this regard, an experimental device was built, and a multilevel factorial experiment (23) was designed where the factors were bearing damage, unbalance and misalignment. Three replicates were performed (24 experimental units).En este trabajo se estudian los efectos que el desbalanceo y la desalineación causan en los parámetros de vibración de aceleración, comúnmente utilizados en el diagnóstico de fallas tempranas de rodamientos. Esta investigación proporciona un parámetro de diagnóstico que se llamó AFC. Las medidas del parámetro AFC son sensibles a la existencia del defecto, pero la desalineación, el desequilibrio y sus interacciones no causan un efecto estadísticamente significativo en sus valores. El propósito de encontrar este parámetro es evitar falsas alarmas o el encubrimiento de fallas en rodamientos en mecanismos susceptibles al desbalanceo y a la desalineación. Entre los métodos estudiados se encuentran el análisis espectral; el estudio de valores globales de la medición de la aceleración con diferentes procesamientos, como la detección de alta frecuencia HFD; la envolvente de aceleración ENV; la curtosis K; el factor de cresta FC; la asimetría de la señal Ske, entre otros parámetros propuestos por los autores. Para realizar la evaluación de los parámetros se construyó un banco experimental y se diseñó un experimento factorial multinivel (23), en el que los factores fueron daño del rodamiento, desequilibrio y desalineación. Se realizaron 3 réplicas (24 unidades experimentales). &nbsp

Influence of load conditions for deep tissue injury development in transfemoral amputees

RESUMEN: En esta investigación se realiza la modelación tridimensional del miembro residual de un amputado transfemoral que incluye la piel, el tejido graso, el músculo y el fémur residual. Se establecen las condiciones de carga para la fase de apoyo durante el ciclo de la marcha normal, la bipedestación y la marcha por escaleras de un amputado transfemoral de 88 kg y una estatura de 1.7 m. Se realizó un análisis de la incidencia de las condiciones de carga sobre los esfuerzos y deformaciones en el tejido muscular, para establecer su influencia sobre la generación de úlceras por presión internas en el miembro residual del amputado. Del análisis se obtuvo que el esfuerzo a compresión promedio más alto es cercano a 18.6 kPa y la deformación promedio más alta a compresión es de 56.8 %, esto sucede cuando se realiza marcha por escaleras o superficies inclinadas. La mayor concentración de esfuerzo y deformación se presenta en la zona distal del fémur residual en el tejido muscular.ABSTRACT: In this research, three-dimensional modeling of the residual limb of a transfemoral amputee is performed, which includes skin, fat tissue, muscle and residual femur. The loading conditions are established for the support phase during the normal gait cycle, the standing and walking through stairs of a transfemoral amputee of 88 kg and a height of 1.7 m. An analysis of the incidence of load conditions on the stresses and deformations in muscle tissue was made to establish its influence on the development of deep tissue injuries (DTI) in the residual limb of the amputee. From the analysis it was obtained that the average compressive stress is close to 18.6 kPa and the highest average strain at compression is 56.8%, it happens when the individual is walking through stairs or slope. The maximum concentration of stress and strain occurs in the distal area of the residual femur in muscle tissue

Evaluación de la micro-deformación de la zona maxilar anterior con regeneración. Análisis de elementos finitos

Objetive. The purpose of this study was to know and determine the microstrain and stress distribution in bucal bone, regenerated and rehabilitated with an implant using the finite element analysis (FEA). Methods. The thickness of maxillar bone modeling with bucal bone regeneration was 1.5 mm with a dental implant in position of the central incisor (Cancellous, cortical and regenerated bone, implant and prosthetic components). The variables were the modulus of elasticity and Poisson`s ratio for all the components in the model. A load of 200 N was applied to the palatal surface of the crown in order to calculate the microstrain stress distribution of the bone. Results. The maximum equivalent stress values of von Mises were found in the cortical bone (44.89 MPa) surrounding the neck of the implant and concentrated on the first four implant threads adjacent to the native bone in the palatal area, with cortical bone, while in the regenerated bone, in the vestibular area, it was concentrated until thread six, decreasing stress (2.5 MPa), and bone microdeformation was greater in cortical bone (943 με) compared to native bone (214 με). Conclusions. The distribution of stresses and microstrain generated on the model, had different behavior depending on the type of bone (Cortical, cancellous, regenerated bone), the rigid cortical bone with bigger modulus of elasticity resisted more efforts and microstrain just like the implant that had a higher modulus of elasticiy and distributed less effort over the regenerated bone.Objetivo. El objetivo de este estudio fue conocer y determinar la micro-deformación y distribución de los esfuerzos en el espesor de hueso maxilar anterior regenerado y rehabilitado con un implante usando el análisis de elementos finitos (MEF). Métodos. Se modeló un espesor del hueso maxilar con regeneración ósea de 1,5 mm por vestibular con un implante dental en posición de un incisivo central superior (hueso esponjoso, cortical, hueso regenerado, implante y componentes protésicos). Las variables incluidas en el modelado fueron el módulo de elasticidad, la razón de Poisson para todos los componentes. Se aplicó una carga de 200 N en dirección oblicua en la superficie palatina de la corona para calcular la distribución de los esfuerzos y la micro-deformación sobre el componente implante-hueso. Resultados. Los valores de máximo esfuerzo equivalente von Mises se encontraron en el hueso cortical (44,89 MPa) que rodea el cuello del implante y se concentraron hasta las primeras cuatro roscas del implante adyacentes al hueso nativo en la zona palatina con hueso cortical mientras en el hueso regenerado en la zona vestibular se concentró hasta la rosca seis, disminuyendo los esfuerzos (2,5 MPa), y la microdeformación ósea fue mayor en el hueso cortical (943 με) comparado con el hueso nativo (214 με). Conclusiones. La distribución de los esfuerzos y micro-deformación generados en el modelo se comportaron de manera diferente según el tipo de hueso (cortical, esponjoso, regenerado), donde el hueso cortical resiste los mayores esfuerzos y micro-deformaciones, distribuyendo menos carga al hueso regenerado

Análisis estático para optimizar un chasís de patín de carreras sobre ruedas

La forma de patinar de los deportistas ha ido evolucionando a través del tiempo debido a diversos factores tales como: el cambio de patines convencionales a patines en línea, el tamaño de las ruedas y la intención de reducir el esfuerzo físico del patinador para realizar la misma distancia con menos energía. En el patinaje de velocidad se desarrolló la técnica de doble empuje para mejorar el rendimiento, esta técnica ha provocado fallas en el chasís del patín debido a los esfuerzos a los que es sometido. A partir de una caracterización del material, de un análisis de la cinemática del movimiento y el cálculo de las cargas estáticas generadas en el punto más crítico del ciclo de la técnica, se elaboran modelos computacionales para dos tipos de chasís y mediante simulación numérica se obtienen los esfuerzos y se realiza un análisis de falla, para posteriormente elaborar una optimización geométrica AbstractStatic analysis to optimize a skates’ frame of inline speed skatingThe way how skate has evolved over time due to various factors such as the change of conventional skates to inline skates, the size of the wheels and the intention to reduce the physical effort of the skater to perform the same distance with less energy. In speed skating double push technique was developed to improve the performance, this technique has led to failures in the skate chassis due to the stresses to which it is subjected. Computational models for two types of chassis were made through a characterization of the material, the analysis of the kinematics of motion and the calculation of static forces generated at the most critical point in the cycle and the failure analysis was obtained by numerical simulation with the aim of developing a geometrical optimization that guarantees a durable and reliable product, giving to athletes a better device for this sport.Keywords: Speed skating; double push technique; finite elements; geometrical optimization; stresses analysi