Diseño paramétrico y fabricación empleando manufactura aditiva de una órtesis tobillo-pie articulada: evaluación estructural mediante análisis por elementos finitos

Abstract

Las Órtesis Tobillo-Pie (OTP) articuladas son dispositivos utilizados para corregir alteraciones de la marcha, como el pie caído, mejorando la movilidad y funcionalidad del usuario. Sin embargo, los métodos convencionales de fabricación presentan limitaciones. Ante esta situación, la integración de tecnologías digitales como el escaneo 3D, el diseño asistido por computadora (CAD) y el análisis por elementos finitos (FEM) permite optimizar el diseño de estos dispositivos. En este contexto, se propone el desarrollo de una OTP articulada fabricada mediante manufactura aditiva utilizando PLA reforzado con fibra de carbono (PLA-FC), evaluando su potencial como una alternativa funcional y viable para aplicaciones en el sector salud.

Objetivo. Diseñar y fabricar una OTP articulada mediante escaneo 3D y manufactura aditiva utilizando PLA-FC, y comparar su desempeño estructural con el de una OTP convencional de polipropileno mediante análisis FEM.
Metodología. Adquisición de la geometría anatómica mediante escaneo 3D, procesamiento y optimización de la malla. Posteriormente, se realizó el modelado CAD de una OTP convencional de polipropileno y de una OTP propuesta fabricada con PLA-FC, incluyendo el ensamblaje virtual de sus componentes. Ambos diseños fueron evaluados mediante análisis estático por FEM bajo condiciones de carga representativas de la marcha. Finalmente, se fabricó la OTP propuesta mediante manufactura aditiva. El análisis FEM consideró tres fases críticas del ciclo de la marcha: contacto inicial de talón, apoyo medio y despegue del antepié.

Resultados. El análisis de esfuerzos mostró diferencias en el comportamiento mecánico de ambos diseños. La OTP de polipropileno presentó una distribución más amplia de los esfuerzos a lo largo de la estructura, mientras que la OTP fabricada con PLA-FC concentró los esfuerzos en la región articular. Por su parte, los mapas de deformación revelaron que la OTP de polipropileno experimenta mayores deformaciones globales debido a su menor rigidez, mientras que la OTP de PLA-FC presentó menores niveles de deformación y una mayor capacidad para resistir las cargas aplicadas.

Conclusión. El análisis por elementos finitos realizado en tres fases críticas de la marcha demostró que la OTP fabricada con PLA-FC presenta factores de seguridad superiores a los obtenidos con polipropileno. Este comportamiento se atribuye a las mejores propiedades mecánicas del PLA-FC, cuyo límite de fluencia (80 MPa) supera aproximadamente 2.7 veces al del polipropileno (30 MPa), proporcionando una mayor resistencia a la deformación plástica. Asimismo, los resultados indican que la concentración de esfuerzos en la articulación Tamarack favorece una transferencia de carga más eficiente y un mejor aprovechamiento de la energía elástica durante la fase de propulsión. En contraste, la OTP de polipropileno exhibe deformaciones más distribuidas a lo largo de la estructura, lo que puede reducir la estabilidad mecánica y acelerar el deterioro del dispositivo bajo cargas repetitivas. Si bien la OTP fabricada con PLA-FC aporta mayor rigidez y resistencia mecánica, una OTP articulada podría mejorar su rendimiento con materiales con propiedades elásticas y proponer un diseño que permita mayor almacenamiento y retorno de energía, evitando que los esfuerzos se concentren en la articulación Tamarack.