Studio di un processo produttivo per la realizzazione di invasature per amputati transtibiali mediante stampa 3D FDM

The study described in this thesis was performed in collaboration with the INAIL Prosthetic Centre in Vigorso, Budrio (Bologna). The principle aim of this project is the individuation of a new manufacturing process for the realization of transtibial sockets because of the current traditional method is complex. Using the 3D printing Fused Deposition Modelling (FDM) technique could simplify the manufacturing process for the production of transtibial sockets. In fact, after the elaboration with the CAD software, it is possible to obtain the definitive socket, overcoming the need of milling the positive with a robot and two laminations. Using this CAD process already present inside the Prosthetic Centre, it was possible to design a socket from a specific .stl file. The designed sockets were printed with two different techniques. Two sockets printed with FDM technique and characterized by a distal base with four holes threaded with Helicoils (metallic thread inserts) when the printing process was completed. Two sockets printed with MultiJet Printing technique. Using the current traditional method, another socket was manufactured. Testing the resistance of these five sockets and comparing the obtained data with those described into ISO 10328:2016 standard, it was possible to prove that the two models printed with FDM technique were not able to guarantee the correct mechanical resistance because of the Helicoils insertions after printing process. Before modifying the CAD process, fifty dog bone specimens were printed to allow performing characterization tests, which evaluate the mechanical behaviour of five different thermoplastics materials. Analysing the data obtained by mechanical test of the two FDM printed sockets and by the mechanical tests of the materials, it was possible to understand that the most critical part in a socket is the distal cup region. In fact, this part hosts a metallic connector with four threaded holes which allows obtaining a finished printed socket with threaded holes without other post-processing actions. To realize the new eight sockets, the used thermoplastics materials were: Carbonium Nylon, StructuraMA and Verum T. The results of the mechanical tests of the new sockets showed that also the new used CAD process was not efficient for these transtibial sockets realizations. The information obtained by the analysis of results of mechanical tests gave some useful advices for future developments of this study. In particular, it showed that the distal cup region is the most critical part of the socket and the distal base needs to be realized with total infill. Furthermore, the Verum T appeared not usable for the realization of transtibial sockets because of its dangerousness. In fact, after rupture, the Verum T sockets showed sharp breaking surfaces that could hurt the amputee.

Lo studio descritto in questo elaborato è stato svolto in collaborazione con il Centro Protesi INAIL di Vigorso di Budrio. Scopo principale del progetto è stato la definizione e test di un nuovo processo realizzativo per le invasature per amputati transtibiali poiché quello ad oggi utilizzato, metodo tradizionale, risulta complesso. L’introduzione della stampa 3D potrebbe introdurre una semplificazione della realizzazione delle invasature transtibiali poiché la si realizza tramite processo CAD eliminando la necessità di fresare il positivo ed eseguire le successive laminazioni. La tecnica di stampa 3D a Fabbricazione a Fusione di Filamento è stato il processo di stampa scelto per la realizzazione delle invasature. Sfruttando un processo CAD pre-esistente all’interno del Centro Protesi, è stato ottenuto un modello di invasature partendo dallo stesso file .stl fornito dall’azienda americana Willow Wood. Sono state realizzati due invasi con la tecnica FFF e la loro base distale era caratterizzata da quattro fori filettati con Helicoil(inserti filettati) inseriti a stampa ultimata e due stampate utilizzando la tecnica di stampa MultiJet Printing. È stata creata un’ulteriore invasatura sfruttando il metodo realizzativo tradizionale ad oggi presente all’interno del Centro Protesi. Testando la resistenza dei cinque campioni stampati e confrontando i dati con quelli riportati dalla norma ISO 10328:2016, ci si è accorti che gli unici due invasi che non hanno superato i test meccanici sono stati quelli realizzati con la tecnica FFF poiché la filettatura eseguita a stampa ultimata non ha garantito una buona resistenza. Prima di modificare il processo di realizzazione CAD, si sono eseguite prove di caratterizzazione meccanica su cinquanta provini ad osso di cane standardizzati e stampati con cinque materiali termoplastici differenti per valutare quelli più vantaggiosi da un punto di vista meccanico. Analizzati i dati ottenuti dalle prove statiche a trazione dei campioni ad osso di cane e i primi test sulle due invasature stampate con la tecnica FFF, si è andato a modificare il processo realizzativo della base distale della invasatura. In questa zona, si è deciso di inserire un connettore metallico con quattro fori già filettati poiché dai primi test di sicurezza ci si è accorti che la filettatura a stampa ultimata non è risultata resistente. Le nuove invasature sono state stampate con i materiali ritenuti più adatti dall’analisi dei dati ottenuti dalla caratterizzazione meccanica: Carbonium Nylon, StructuraMA e Verum T. I risultati dei test meccanici eseguiti sulle otto nuove invasature hanno mostrato che anche il nuovo processo produttivo non è efficace per la creazione delle invasature transtibiali poiché nessuno degli otto campioni testati ha superato le prove. Le informazioni ottenute dall’analisi dei dati, però, hanno fornito indicazioni per comprendere gli svolgimenti futuri del progetto. In particolare, si è compreso che la parte distale dell’invasatura è la parte più critica e deve essere rinforzata con un riempimento totale. Inoltre, si è appreso che il Verum T non è adatto alla realizzazione di invasi protesici poiché in caso di rottura crea superfici taglienti e dannose per l’amputato.