Diseño, manufactura aditiva y caracterización mecánica a la compresión de asientos experimentales para sillas de ruedas con estructuras de celosía basadas en filamentos flexibles.

Resumen

Introducción: La sedestación prolongada en usuarios de sillas de ruedas genera altas concentraciones de presión en las prominencias óseas (isquion y sacro), lo que restringe el flujo sanguíneo e induce la formación de úlceras por presión (UPP). Los asientos conformados tradicionales, fabricados mediante el desbaste sustractivo CNC de espumas de poliuretano, presentan limitaciones funcionales debido a su comportamiento de deformación lineal homogéneo y nula permeabilidad térmica. La manufactura aditiva (impresión 3D) con filamentos elásticos (TPU) permite el diseño de estructuras de celosía (lattices) con gradientes funcionales, ofreciendo la posibilidad de programar localmente la rigidez del cojín para optimizar la descarga mecánica. No obstante, se requiere caracterizar experimentalmente el comportamiento de estas geometrías internas bajo cargas estandarizadas antes de su validación clínica.

Objetivo: Diseñar, imprimir en 3D y caracterizar mecánicamente a la compresión probetas de asientos experimentales con tres geometrías de celosía distintas, evaluando cuantitativamente su desplazamiento vertical hacia abajo expresado como porcentaje de deformación ante una carga estática controlada de 40 kg.

Metodología: Se modelaron digitalmente tres tipologías de celdas unitarias tridimensionales (giroidal, panal de abeja y cúbica) manteniendo una densidad relativa de material (infill) constante. Las probetas experimentales ($10 \times 10 \times 10 \text{ cm}$) se fabricaron mediante impresión 3D por modelado por deposición fundida (FDM) utilizando un poliuretano termoplástico flexible (TPU, Shore 95A) con sistema de extrusión directa. Se manufacturaron tres réplicas por configuración. Para los ensayos mecánicos, se registró la altura inicial ($H_0$) en reposo. Posteriormente, se aplicó unaxialmente una masa patrón equivalente a 40 kg de peso ($392.4 \text{ N}$) distribuida uniformemente en la cara superior. Tras cinco minutos de estabilización viscoelástica, se midió la altura final bajo carga ($H_f$). El parámetro de análisis fue el desplazamiento vertical hacia abajo, calculado y expresado como porcentaje de deformación estructural: $\epsilon\% = [(H_0 - H_f)/H_0] \times 100$.

Resultados: Los ensayos mecánicos demostraron que la geometría del mallado influye significativamente en la deformación elástica. La celosía giroidal exhibió una deformación progresiva y una absorción homogénea del esfuerzo. El patrón en panal de abeja mostró un colapso abrupto de las celdas tras superar el umbral crítico de carga, mientras que la estructura cúbica presentó la mayor rigidez estructural, limitando el desplazamiento vertical. El análisis de varianza (ANOVA) confirmó diferencias estadísticas significativas ($p < 0.05$) entre los porcentajes de desplazamiento de las tres configuraciones.

Conclusiones: La caracterización experimental determinó que las estructuras de celosía impresas en TPU son mecánicamente viables para sustituir a las espumas convencionales. La geometría giroidal destaca como la configuración óptima para aplicaciones biomecánicas en ingeniería de rehabilitación, al ofrecer un desplazamiento porcentual controlado que favorece la inmersión del usuario y la distribución de cargas sin llegar al colapso del material.