Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 1 (1): 27-43 Julio-Septiembre 2018 https://doi.org/10.37636/recit.v112743
27
ISSN: 2594-1925
La manufactura aditiva y los materiales compuestos en el
diseño de prótesis transtibiales de uso deportivo
Additive manufacturing and materials compounds in the design of
transtibial prostheses for sports use
Rosel Solís Manuel Javier
1,2
, Molina Salazar Javier
1
, Paz González Juan Antonio
2
, Ruiz
Ochoa Juan Antonio
2
1
Univesidad Autónoma de Ciudad Juárez, Ciudad Juárez, Chihuahua, México.
2
Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Tecnología, Universidad Autónoma de Baja California, Tijuana,
Baja California, México.
Autor de correspondencia: Manuel Javier Rosel Solís, Facultad de Ciencias de la Ingeniería y
Tecnología, Universidad Autónoma de Baja California, Tijuana, Baja California, México. E-mail:
mrosel@uabc.edu.mx.. ORCID: 0000-0002-3800-7094.
Recibido: 1 de Julio del 2017 Aceptado: 3 de Febrero del 2018 Publicado: 26 de Septiembre del 2018
Resumen. - En el presente trabajo se revisa el estado del arte que guarda la manufactura aditiva en
cuanto a sus avances en la mejora de sus materiales, específicamente, a través de la incorporación de
materiales compuestos, como la fibra de carbono. Además, se hace una revisión de los procesos
convencionales de manufactura de materiales compuestos y se analiza el grado de aplicación de la
manufactura aditiva y los materiales compuestos en la manufactura de prótesis transtibiales prostéticas
y de uso deportivo, con el objetivo de identificar oportunidades de mejora.
Palabras clave: Modelado por deposición fundida; Materiales compuestos; Manufactura; Prótesis.
Abstract. - In the present work, the state of the art that preserves the additive manufacturing is reviewed
in terms of the advances in the improvement of its materials, specifically, through the incorporation of
composite materials, such as carbon fiber. In addition, a review of the conventional processes of the
manufacture of composites and analyzes the degree of the application of the manufacture and the
composite materials in the manufacture of the transtibial prosthesis for sport use, with the objective of
identifying improvement opportunities.
Keywords: Fused modeling deposition; Composite materials; Manufacturing; Prostheses.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 1 (1): 27-43.
28
ISSN: 2594-1925
1. Introducción
La manufactura aditiva es un proceso que
presenta grandes ventajas para la fabricación de
productos personalizados y producción a baja
escala [1], reduciendo los ciclos de diseño [2]. La
aplicación de este proceso está dirigida a diversas
áreas, teniéndose especial énfasis en el área
médica, por ejemplo, en la manufactura de
prótesis y órtesis humanas [3] que requieren de
un alto grado de personalización para la adecuada
adaptación al paciente por lo que la manufactura
aditiva representa una buena alternativa [4]. Sin
embargo, los materiales utilizados para la
impresión tridimensional presentan propiedades
mecánicas que limitan su uso [5] por lo cual es
necesario buscar la mejora de dichos materiales,
a través de la combinación con otros de mayor
resistencia.
Los materiales compuestos a base de fibra de
carbono presentan características de mayor
resistencia y menor peso, comparados con
materiales metálicos, que pueden ser aplicadas a
la manufactura de prótesis [6]. Para su
aplicación, estos materiales deben ser analizados
para conocer sus características y así poder
identificar las posibilidades de mejora, así como
la posibilidad de ser usados en los nuevos
procesos como la manufactura aditiva.
2. Metodología
Esta investigación se enfocó en la búsqueda de
información sobre tres principales tópicos: la
manufactura aditiva, los materiales compuestos y
la manufactura de prótesis, con el objetivo
principal de encontrar literatura que relacionara
estos tópicos con el fin de identificar
oportunidades de mejora en el proceso de
fabricación de una prótesis transtibial de uso
deportivo.
Para la búsqueda de información se consultaron
las bases de datos de Elsevier, Springer, Scopus
y Emerald y se utilizaron las siguientes palabras
clave: Manufactura aditiva, materiales
compuestos, prótesis, procesos, abs, y modelado
por deposición fundida.
3. Manufactura Aditiva
La manufactura aditiva es un proceso que utiliza
información de modelos tridimensionales para
construir objetos capa por capa a diferencia de los
procesos de maquinado convencional [7]. Con
base en el análisis del impacto social [8],
económico [9] y ambiental [10] que en los
últimos años se ha realizado, este proceso se
considera un desarrollo tecnológico trascendente
impulsado por la disminución de costos de los
equipos de impresión, que la hace accesible para
usos industriales y domésticos [11].
Son varias las técnicas de fabricación de
prototipos rápidos a base de polímeros y resinas
de las cuales se pueden obtener piezas
funcionales para su uso en la revisión y
verificación de diseños. En la Figura 1 se
muestran algunas que incluyen: la
estereolitografía o SLA, por sus siglas en inglés,
que utiliza un polímero fotosensible [12]; la
manufactura de objetos por laminado (LOM)
colocando y formando láminas de plástico [13];
la fusión en polvo sinterización selectiva por
láser (SLS) que usa en su proceso de polímeros
en polvo que son fundidos con láser [14]; la
deposición de aglutinante (BJ) en la cual se
inyecta a las capas de plástico en polvo un líquido
que lo endurece [15]. Otro proceso es por chorro
de material (MJ) en el que a través de una
boquilla extrusora se depositan partículas de
material líquido que se solidifican al tener
contacto con las capas antes depositadas [16]; la
deposición directa de energía (DED) es otro
proceso en el que se dirige una luz de láser
directamente a una pequeña región en un sustrato
de polvo metálico para fundirlo [17], y por último
el modelado por deposición de plástico fundido
(FDM) [18]. Este último método, mostrado en
Figura 2, es de los más utilizados ya que tiene
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 1 (1): 27-43.
29
ISSN: 2594-1925
como ventajas bajo costo, desperdicio y cambio
rápido de materiales y fácil manejo [19].
El modelado por deposición de plástico fundido
(FDM) requiere de un cabezal con una o dos
boquillas extrusoras que funden filamento
plástico y lo depositan sobre una base de plástico,
formando capas de material. Para asegurar la
adherencia y rápida solidificación de cada capa
de material con la capa anterior, la cabeza
extrusora calienta el material 0.5ᵒC por encima
de su punto de fusión. A esta temperatura, el
plástico se solidifica en solo 0.1 s y queda
adherido a la capa anterior. Los equipos más
recientes combinan dos tipos de materiales, uno
para la construcción del modelo y otro para el
soporte del modelo. Este material de soporte es
frágil y quebradizo, permitiendo que sea retirado
al terminar la fabricación [20].
Figura 1. Clasificación de procesos de manufactura aditiva según la norma ISO/ASTM 529000:2015 [8].
Figura 2. Modelado por deposición de plástico fundido (FDM) [20].
a) Ejemplos de aplicación
Procesos de
Manufactura
Aditiva
Deposición
de
aglutinante
(BJ)
Sinterizaci
ón
selectiva
por láser
(SLS)
Extrusión
de material
(FDM)
Por chorro
de material
(MJ)
Fusión en
polvo
(PBF)
Laminado
(LOM)
Foto
polimeri-
zación
(SLA)
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 1 (1): 27-43.
30
ISSN: 2594-1925
Se han estudiado oportunidades de aplicación en
diferentes áreas, por ejemplo, en el campo de la
industria de la construcción, se pretende su
utilización para la fabricación de componentes de
estructuras de gran escala [21]. Thompson (2016)
menciona aplicaciones de manufactura aditiva en
la fabricación de implantes médicos, órtesis,
prótesis humanas. Se ha repostado también su
uso potencial en el campo de la biotecnología y
ciencias químicas [22] para la construcción de
tejidos y huesos humanos utilizando materiales
biocompatibles [23]. En el diseño de moldes es
posible obtener en menor tiempo los modelos
utilizados para la fabricación de las cavidades de
los moldes para fundición [24]. En la industria
manufacturera se ha aplicado en la fabricación de
herramentales y producción de bajo volumen, en
menor tiempo y bajo costo [25]. En la industria
aeroespacial, ha ayudado al estudio de la
aerodinámica a través de la construcción
demodelos a escala para su análisis y mejora en
túnel de viento, acortado los ciclos de diseño de
nuevas aeronaves [26].
b) Ventajas
Una de las ventajas de la manufactura aditiva en
la de construir partes en diferentes colores y
grados de acabado superficial. Además, la
fabricación de prototipos rápidos no requiere
herramientas especiales y es flexible en la
construcción de partes con geometrías complejas
[24] aunque se necesita exactitud para obtener las
dimensiones de un objeto para digitalizarlo en un
programa de diseño asistido por computadora
[27].
c) Limitaciones
El potencial que posee la manufactura aditiva es
amplio, sin embargo, es necesario considerar sus
limitaciones, tales como las posibles
desviaciones que se pueden presentar al
discretizar un modelo tridimensional, para
seccionarlo en capas que posteriormente servirán
de base para la deposición del material. La
dirección de orientación del modelo también
puede afectar el resultado final [1]. Otra
limitación actual, es el costo de los materiales
que ofrecen los proveedores que fabrican los
equipos de manufactura aditiva, lo cual hace
menos atractivo el uso de este proceso; para ello
se han desarrollado formas para la obtención de
materias primas que sean más económicas, tal es
el caso de la obtención de filamento plástico a
base de acrilo nitrilo butadieno estireno (ABS)
[28] obtenido por extrusión para utilizarlo en el
proceso de modelado por deposición fundida
[29].
i. Exactitud
La exactitud de un modelo
tridimensionaldepende de la información digital
usada para construirlo; sin embargo, se han
estudiadootros factores que afectan su exactitud
dimensional y geométrica durante el proceso de
construcción [30]. De manera general, la
exactitud depende del principio de fabricación
utilizado en el equipo de impresión
tridimensional, materiales utilizados, parámetros
de trabajo, velocidades de operación y tamaño de
capas depositadas [19, 31].
Para mejorar los procesos de manufactura aditiva
se optimizó la generación de trayectorias de
trabajo mejorando la calidad y los tiempos de
fabricación [32] y se han establecido parámetros
de trabajo para mejorar la exactitud [33]. En otros
estudios también se logra mejorar la exactitud del
modelo, a través de analizar la orientación y
dirección de construcción que están relacionadas
al consumo de materiales [35]. La orientación y
dirección de construcción afectan también al
acabado superficial y a la textura, que pueden
verse reflejados en la rugosidad de un modelo y
su apariencia externa [36].
ii. Propiedades mecánicas de los materiales para
manufactura aditiva
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 1 (1): 27-43.
31
ISSN: 2594-1925
Para identificar otros usos de la manufactura
aditiva se han estudiado materiales comerciales,
clasificándolos según el principio
defuncionamiento de la impresora
tridimensional, para identificar sus limitaciones
mecánicas [37], lográndose determinar los
criterios para su utilización [38]. En pruebas de
tensión realizadas al material se encontró que la
dirección de construcción y el espacio entre
cordones afectan su resistencia demostrándose
que el material es anisotrópico [5, 39], y que la
resistencia a la tensión es proporcional a la masa
del modelo construido [40]. Esta condición
también se comprobó en pruebas de fatiga a
muestras de material construidas en nueve
direcciones y fueron probadas en un aparato de
ensayo de tracción [41]. Dado que en el proceso
de manufactura aditiva los materiales plásticos
son llevados a su punto de fusión, es importante
ajustar la escala del modelo ya que se contraen y
deforman al solidificarse. Este ajuste de escala se
puede realizar con la aplicación de un modelo
matemático que compensa el efecto del
encogimiento [42].
El conocimiento generado sobre los materiales en
la manufactura aditiva, ha servido para ampliar
su aplicación en nuevos usos [43]. En este
sentido, se ha trabajado en reforzar los materiales
en distintas maneras [44]. Por ejemplo, se han
probado mezclas de polímero con fibras de
carbono, para utilizarlas como materia prima en
el proceso de modelado por deposición de
material fundido [45]. También se ha tratado de
obtener un modelo reforzado a partir de la
coextrusión o impregnación de material plástico
y fibras continuas de carbono, obteniendo
materiales con propiedades mejoradas [46, 47].
Se encontró que la adición de fibras de carbono
al material para deposición además de afectar las
propiedades mecánicas, también tiene influencia
en otras características como sus propiedades
eléctricas y térmicas mejorando su conductividad
eléctrica y su capacidad aislante [48, 49]. Dado
lo anterior se han reportado investigaciones
enfocadas a lograr una mejora en las propiedades
de los materiales modificando las trayectorias de
trabajo de los equipos de impresión
tridimensional para minimizar su anisotropía [32,
34], además de expandir sus aplicaciones en el
campo de la biotecnología, buscando el
desarrollo de biomateriales que pudieran sustituir
partes internas del cuerpo humano [50–53] y la
biocompatibilidad de estos materiales con tejidos
orgánicos, dado que los materiales actuales
utilizados en Manufactura Aditiva, como los
plásticos, son porosos y absorben fluidos
internos, lo que provoca riesgo de infecciones.
Otras investigaciones se han dirigido a la
incorporación de materiales orgánicos, como las
células madre, para la impresión tridimensional
de huesos humanos [54]. Sin embargo, para
aplicaciones de alto impacto como en el caso de
las prótesis deportivas, se identifica como
principal alternativa a la combinación de los
plásticos usados en la manufactura aditiva con
los materiales compuestos.
4. Materiales Compuestos
Los materiales compuestos han cobrado gran
importancia en la industria aeronáutica,
aeroespacial, automotriz y en la fabricación de
generadores eólicos, en general, en la fabricación
de objetos que poseen muy bajo peso, con una
alta resistencia [55]. Esto se debe a que los
materiales compuestos, comparados con el acero
son cinco veces más fuertes, dos veces más
rígidos y pueden llegar a ser cuatro veces más
livianos [56].
Un material compuesto consiste de dos o más
materiales (proporciones razonables >5%) que
trabajan juntos y cada uno contribuye
estructuralmente a un nivel macroscópico con
sus propiedades. Esto resulta en una combinación
y el material resultante tiene propiedades
superiores a la de los constituyentes (Figura 3).
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 1 (1): 27-43.
32
ISSN: 2594-1925
Figura 3. Componentes de un material compuesto [6].
Existen diferentes métodos para trabajar con
materiales compuestos y pueden clasificarse en
dos grupos, métodos de molde cerrado y molde
abierto.
Tabla 1. Métodos de procesamiento de materiales
compuestos.
Entre los métodos de molde cerrado, se
encuentran el moldeo por laminado de
componentes, el moldeo por transferencia de
resina, moldeo centrífugo, moldeo por inyección,
moldeo por pultrusión, y moldeo por molde
perdido. Los métodos por molde abierto son el
moldeo a mano, devanado de filamentos, con
autoclave y por infusión de resina (Tabla 1).
4.1.. Procesos a molde cerrado
El proceso por laminado de componentes
consiste en la fabricación de láminas obtenidas
por la combinación de fibras de vidrio o carbono
y resinas y aditivos, que pasan por un sistema de
rodillos y de impregnación, que posteriormente
se trabaja por moldeo por compresión (Figura
4a). Uno de sus usos principales es la fabricación
de partes de carrocería de vehículos para la
industria automotriz [57–59]. En el moldeo por
transferencia de resina, se introduce al molde una
preforma hecha de fibras, al cerrarse el molde, la
resina y los aditivos son inyectados a presión al
interior del molde para iniciar su proceso de
curado (Figura 4b). Este proceso presenta la
ventaja del tener un direccionamiento controlado
de las fibras lo cual resulta en partes y
componentes de mayor resistencia para
aplicaciones automotrices, marcos de bicicletas,
cascos, entre otras [60, 61]. En el moldeo
centrifugo, un molde cilíndrico se mantiene en
constante rotación en posición horizontal. Se
introduce la mezcla de fibras, resinas y aditivos
los cuales se van distribuyendo de manera
homogénea sobre las paredes del molde con el
movimiento rotatorio, hasta que el material
termina su proceso de curado (Figura 4c). Los
usos de esta técnica de moldeo son la fabricación
de tuberías o ductos y de recipientes y
contenedores [62, 63]. En el proceso de moldeo
por inyección de materiales compuestos, se
utiliza la misma tecnología que en el moldeo de
polímeros, solo difiere en que además de
inyectarse el polímero termoplástico o
termoestable, se inyecta el polímero mezclado
con fibras de vidrio, de carbono o aramida, según
sea el caso (Figura 4d). A diferencia del moldeo
por transferencia de resina, no puede controlarse
el posicionamiento de las fibras además de que,
debido al movimiento del tornillo de la unidad
inyectora, la longitud de las fibras es muy
limitada [64, 65].
Molde Cerrado
Molde Abierto
Por laminado de
componentes
Por colocación manual
Por transferencia de resina
Devanado de filamentos
Moldeo centrifugo
A presión con autoclave
Moldeo por inyección
Por infusión de resina
Moldeo por pultrusión
Proceso por molde perdido
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 1 (1): 27-43.
33
ISSN: 2594-1925
Figura 4. Procesos a molde cerrado: a) Moldeo por laminado de componentes, b) Moldeo por transferencia de resina, c)
Moldeo centrífugo, d) Moldeo por Inyección, (Wacker.com, Nptel.ac.in, Owens Corning, com).
El proceso de pultrusión, es otro de los procesos
a molde cerrado y se diferencia de los cuatro ya
descritos por ser continuo [66]. Consiste en hacer
pasar fibras de vidrio, carbono u otros materiales,
preinpregnadas de resina (Figura 5), por un dado
de extrusión que les da forma y a través de la
aplicación de calor, se inicia el proceso de curado
de la resina, obteniéndose como producto
principal perfiles estructurales de longitudes
diversas [67, 68].
Figura 5. Proceso a molde cerrado: Moldeo por pultrusión (Tecnología de los plásticos.blogspot.mx).
En el proceso de fundición de acero con molde de
cera perdida, se hace una reproducción de una
pieza que se quiere fabricar utilizando cera, al
vaciar el metal fundido, la cera es desplazada por
el metal, ocupando la cavidad del molde, y al
enfriarse, se obtiene el producto final [69, 70].
Siguiendo este principio, la compañía Stratasys,
fabricante de equipos de impresión
tridimensional, ha desarrollado una aplicación
que ayuda a resolver las limitaciones de la
fabricación de ductos y tuberías con materiales
compuestos a través de materiales de impresión
tridimensional que son solubles y que sirven de
molde para la fabricación de partes de material
compuesto [71]. En la Figura 6 se muestra en
color blanco el núcleo soluble construido por
FDM y en color negro el producto (ducto para
aplicaciones automotrices) con material
compuesto.
4.2. Procesos a molde abierto
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 1 (1): 27-43.
34
ISSN: 2594-1925
Dentro de los procesos de molde abierto se
encuentra el moldeo por colocación manual
(Figura 7), que consiste en colocar las capas de
fibra sobre la cavidad de un molde de un solo
lado, aplicando la resina con rodillos o brocha
para impregnarla y lograr su adherencia [72]. Es
un método muy flexible que presenta como
principal ventaja que no necesita la aplicación de
alta presión para intercalar las capas de fibras y
resina; sin embargo, puede presentar problemas
de mala adherencia, fibras expuestas, arrugas y
burbujas de aire, cuarteaduras y grietas y mala
adherencia al molde [73, 74].
Figura 6. Proceso fabricación con materiales
compuestos y núcleos solubles [71].
Figura 7. Proceso a molde abierto: Moldeo por
colocación manual (coremt.com).
El moldeo por colocación manual es muy
utilizado en la fabricación de partes para la
industria aeroespacial y en la fabricación de
embarcaciones.
En el devanado de filamentos [75], a) se utiliza
un molde cilíndrico giratorio, conocido como
mandril [76], sobre el cual van enrollándose
fibras continuas a alta velocidad [77]; las fibras
pasan por un baño de resina antes de ser
enrolladas sobre el mandril y permitiendo
controlar la cantidad de resina que deberá
aplicarse. Las piezas que se desean obtener deben
ser cilíndricas, sin curvaturas entrantes, y debe ser
posible retirar el mandril al finalizar el proceso.
Una vez terminado el devanado de las fibras, las
piezas inician su proceso de curado en un horno.
Figura 8. Proceso a molde abierto: a) Devanado de filamentos, b) A presión por autoclave (voodoohotrods.com).
A diferencia del moldeo por colocación manual,
en el proceso por autoclave, b), la presión de
vacío y temperatura generadas aseguran el
contacto permanente de cada una de las capas de
fibra, lográndose la eliminación de defectos
como los mencionados en el proceso manual
[78]. Las fibras utilizadas en este proceso son
pre-impregnadas de resina, son colocadas en el
molde y recubiertas con una película plástica que
permite aislar las partes y aplicarles presión de