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
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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.
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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
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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)
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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
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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).
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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
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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
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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
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vacío y temperatura para que la resina empiece a
curarse [79]. Este proceso puede aplicarse en una
gran familia de materiales poliméricos para la
fabricación de partes en la industria automotriz y
aeroespacial [80].
En el moldeo de compuestos, la infusión deresina
representa otra alternativa muy similar al moldeo
por autoclave. Estos dos métodos coinciden en
que se utiliza un molde abierto para dar la forma
al producto a fabricar y mediante la aplicación de
vacío, se logra compactar las fibras [81]. Una vez
aplicado el vacío (Figura 9), la resina se
introduce al molde desde un contenedor por un
conducto de entrada, y va impregnando las capas
de fibra hasta que sale por otro conducto de
salida, conectado a una trampa para evitar que la
resina llegue a la bomba de vacío [66, 82].
Figura 9. Proceso de infusión de resina [66].
5. Manufactura de prótesis
Una prótesis es un dispositivo que reemplaza o
provee una parte del cuerpo que falta por diversas
razones, tales como accidentes, malformaciones
congénitas y enfermedades [4]. El Comité
Internacional de la Cruz Roja (CIRC), con sede
en Geneva Suiza, a raíz de las afectaciones
provocadas por las guerras en Europa y los bajos
ingresos de los países afectados, creó en 1979 el
Programa de Rehabilitación Física del CICR, el
cual promueve el uso de tecnología apropiada
para adaptarse a las necesidades de los
discapacitados.
El CICR plantea en sus directrices que esta
tecnología debe ser duradera, cómoda, fácil de
usar y de mantener. Además, que debe ser fácil de
aprender, utilizar y reparar, que sea estándar,
pero a la vez compatible con el clima de las
diferentes regiones del mundo. Propone en el
proceso de manufactura desarrollado, la
incorporación de materiales ligeros y duraderos
como el polipropileno (PP) y el
EthylVinylAcetate (EVA), además del
polieuretano, en reemplazo de materiales
tradicionales como la madera y el caucho [83,
84]. Harish Mysore, menciona el caso de las
prótesis para pie, desarrolladas en la India, las
cuales representan una alternativa de muy bajo
costo para personas amputadas en ese país y que
representa una oportunidad de mejorar su calidad
de vida, brindándoles una mejor movilidad. Las
tecnologías utilizadas en el desarrollo de estas
prótesis datan del año 1968 y aunque no
incorporan tecnologías de actualidad, utilizan
materiales simples como el caucho micro celular,
madera de sauce, cuerdas de nylon y caucho
adicional para recubrir la prótesis para añadir
flexibilidad y absorción de los impactos, textura
y color que la hacen ver de una manera natural
(Figura 10) [85].
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Figura 10: “The Jaipur Foot” Fuente: “The Jaipur Foot”, IEEE pulse 2016.
En el estudio realizado por Rihs y Polizzi en 2001
en pacientes amputados, encontraron que las
características más importantes en el diseño de
prótesis, para ofrecer un uso confortable y lograr
un movimiento de caminado natural, son las
siguientes [86]:
Dorsiflexión: Flexión dorsal es el movimiento
que reduce el ángulo entre el pie y la pierna en el
cual los dedos del pie se acercan a la espinilla. El
movimiento opuesto se llama flexión plantar
(Figura 11).
Figura 11. Dorsiflexión del pie (northcoastfootcare.com) (izquierda). Eversión del pie (northcoastfootcare.com) (derecha).
Eversión: La eversión es un movimiento
producido en la articulación subastragalina. Se
ocasiona cuando el calcáneo se aleja de la línea
que pasa por el centro del cuerpo (parte externa
del pie). La eversión máxima es
aproximadamente de 10° (Figura 12).
Absorción de impactos: Se refiere a la capacidad
de absorber golpes y energía sin romperse.
Retorno de energía: Capacidad de la
prótesis de almacenar energía.
Torsión del tobillo: Movimiento circular
respecto al plano de la articulación del
tobillo.
Se han desarrollado prótesis inteligentes, que
incluyen sensores y dispositivos electrónicos que
se conectan a las terminales nerviosas del
paciente amputado, para de esta manera dar
movimiento al miembro artificial [87–89]. Para
aplicaciones deportivas, las opciones son menos
sofisticadas, sin embargo, las prótesis
transtibiales de fibra de carbono mejoran
considerablemente el rendimiento del atleta, y se
han estudiado las geometrías y ángulos de
contacto con el suelo [90] y la biomecánica del
cuerpo humano al caminar [91] y correr [92, 93],
para lograr el máximo retorno de energía [94,
95], que es fundamental para el buen
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funcionamiento de la prótesis. El avance en el
desarrollo de este tipo de prótesis ha sido
considerable pudiendo mencionar el caso del
corredor olímpico sudafricano Oscar Pistorius
[96], quien utilizó en sus participaciones en
Juegos Olímpicos prótesis de pie, en ambas
extremidades inferiores (Figura 13). pasa por el
centro del cuerpo (parte externa del pie).
La eversión máxima es aproximadamente de 10°
(Figura 12).
Figura 12. Oscar Pistorius, Atleta Olímpico que utiliza
prótesis de materiales compuestos. (Popular Science,
popsci.com).
El caso de este atleta ha llevado a la discusión
sobre si la utilización de estas prótesis puede
igualar o incluso dar ventaja a un atleta
paralímpico contra los atletas que poseen sus
piernas normales, hace evidente que, con el uso
de estos elementos, una persona amputada puede
mejorar considerablemente su calidad de vida, ya
que podría realizar de manera normal sus
actividades deportivas o de recreación. No se
reporta algún impacto negativo o algún peligro a
la integridad física de los usuarios de éstas
prótesis, causadas por el uso de la fibra de
carbono y de las resinas utilizadas en su proceso
de fabricación [97].
Existen patentes sobre el desarrollo de prótesis
para pies, en los que se establecen diferentes
métodos de fabricación, incorporando materiales
metálicos y recubrimientos que mejoren la
estética del pie [98– 101]. Se utilizan diferentes
mecanismos para el accionamiento de la
articulación del tobillo, así como formas de
elementos que dan soporte al cuerpo. Se
mencionan dispositivos para la sujeción del pie al
resto del cuerpo [102], y hacen referencia a
prótesis cosméticas para uso cotidiano.
En el mercado ya se comercializan diseños de
prótesis para extremidades inferiores para uso
deportivo, la empresa Óssur®, ofrece algunos de
los siguientes productos Óssur® Flex-Run ™,
Óssur® Flex-Sprint ™, y Óssur® Cheetah®,
mismos que se muestran en la Figura 13.
Figura 13. Prótesis Óssur® Flex Run, Flex Sprint y Cheetah. Fuente: Óssur®.
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Óssur®, actualmente aparece como cesionaria de
la patente US 20150209160 A1, Prosthetic sport
feet (Prótesis de pies deportiva), en la cual
establecen como declaraciones que las prótesis
tienen una forma aerodinámica en forma de ala,
y “que se extiende entre una porción proximal y
una porción distal generalmente horizontal y se
curva de forma cóncava entre la parte proximal y
la parte distal” [103]. En otra de las declaraciones
se contempla el uso de espumas en su superficie,
yque puede ser construida con fibras de carbono
y hace referencia también a que podría ser hueca
en su interior. Se contempla un sistema para el
desalojo del aire del interior hueco de la prótesis
y que su sección transversal pudiera tener una
forma elíptica [97].
El acoplamiento o “socket”, es la parte de la
prótesis que permite al usuario su correcta
sujeción a su extremidad amputada (muñón).
Además, el “socket” debe ser lo más cómodo
posible para su uso; esto se logra obteniendo un
modelo del muñón, usando materiales comunes
como yeso [85] o a través de programas
computacionales [104] y obtener un modelo
digital del muñón, y con base en esa información,
construir el “socket” con materiales compuestos
o manufactura aditiva [105].
6. Conclusiones
La manufactura aditiva ofrece grandes ventajas
en el desarrollo de nuevos productos, sin
embargo, presenta características que limitan su
uso en aplicaciones que exigen el cumplimiento
de requerimientos de esfuerzos y otras
propiedades mecánicas importantes. Por otro
lado, los materiales compuestos exceden las
propiedades mecánicas de los materiales
metálicos como el acero. La tendencia observada
en el presente trabajo es la combinación de ambas
tecnologías, para aprovechar sus ventajas
individuales en aplicaciones específicas,
teniendo como resultado un proceso aún más
eficiente.
Se considera importante realizar investigaciones
que aporten nuevos y mejores métodos de trabajo
para combinar la flexibilidad y rapidez que
ofrece la manufactura aditiva, con la resistencia
al esfuerzo, rigidez y ligereza de los materiales
compuestos para la optimización de los procesos
de manufactura de prótesis, contribuyendo así, a
la mejora de la calidad de vida de los pacientes
amputados.
Al utilizar partes de plástico fabricadas por
impresión tridimensional, para combinarlas con
materiales compuestos, es necesario resolver
problemas de delaminación y para obtener
prótesis transtibiales que cumplan con los
requerimientos para este tipo de dispositivos
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