Preliminary design of a 3D printed composite inferior limb prosthesis

The use of Additive Manufacturing (AM) for rapid prototyping of different parts and components in mechanical, aeronautical and medical field has grown a lot in the last decades. Recently, a technology that produce fiber reinforced components has been introduced, widening the option available to designers. AM fiber reinforced composites represent the new frontier in the rapid prototyping field, ensuring a remarkable improvement in the mechanical properties of the 3D printed object. In this work, the possibility to employ this technology to design and create an inferior limb prosthesis has been investigated. The increasing number of amputees in the world required an increment in prosthesis production and customization. The related costs of a conventional prosthesis manufacturing and its production time pushed the engineers to design lightweight and cheaper prosthetic devices, and AM can help reaching this target. In this thesis, preliminary 3D printed inferior limb prosthesis design has been studied, in order to understand if 3D printing technology can be considered a good manufacturing process to create such kind of device. 3D printed prosthesis has been imagined as a sandwich structure, with two stiff glass fibres skins covering a corrugated chopped carbon fibers reinforced Nylon core characterized by different geometry. A preliminary evaluation of elastic modulus of 3D printed glass fibres reinforcement has been conducted using Classical Laminate Theory. Tensile tests of unidirectional 3D printed glass fibres have been conducted and the results has been compared with the previous elastic modulus obtained. The layer by layer 3D printing mechanism to create a final part allowed the possibility to study a 2D shape representative of the 3D final object. Taking advantage from this consideration, in order to simplify the 3D core model, an homogenization of the inner structure of the prosthesis has been performed. 3D and 2D homogenized models have been created and their stiffness compared. Hexagonal, rectangular and triangular engineering constants core geometries have been investigated with the homogenization process and compared to select the stiffer shape. The homogenization process has been then experimentally verified performing three point bending test on 3D printed sandwich structures with different core geometries. Stiffness coming from 3D printed sandwich and finite element simulations results have been compared. Elastic constants coming from tensile tests of glass fibres reinforcement and shear modulus of different core geometries have been employed in an optimization process to find the best combination of core-skin thickness to design the prosthesis, following the weight minimization approach. A simple prosthetic prototype has been created from the shape of an already existing device, and a compression simulation using finite element analysis has been developed. Stiffness obtained from the final simulation has been analyzed and compared with traditional manufactured prosthesis one.

L'utilizzo delle tecniche di Additive Manufacturing (AM) per prototipazione rapida di differenti parti o componenti in campo meccanico, aeronautico e medico ha subito una particolare crescita nell'ultima decade. Recentemente, sono state introdotte nuove tecnologie che consentono di produrre componenti rinforzati mediante aggiunta di fibre continue, allargando le opzioni di realizzazione disponibili per i designers. I compositi con fibre di rinforzo, creati via Additive manufacturing, rappresentano la nuova frontiera nel campo della prototipazione rapida, assicurando un notevole miglioramento delle proprietà meccaniche dell'oggetto stampato in 3D. In questo lavoro di tesi, è stata investigata la possibilità di sfruttare questa tecnologia per il design di un prototipo di protesi d'arto inferiore. Infatti, l'aumento del numero di amputati nel mondo ha richiesto un incremento nella produzione e personalizzazione di protesi. I costi e i tempi relativi alla produzione convenzionale di una protesi hanno spinto gli ingegneri a studiare nuovi metodi per create protesi più leggere ed economiche, e la tecnologia di Additive manufacturing può aiutare a raggiungere questo obiettivo. In questa tesi è stato studiato il design di un prototipo di protesi d'arto inferiore, per capire se la stampa 3D potesse essere considerata una valida tecnica di fabbricazione di questo dispositivo. La protesi stampata in 3D è stata immaginata come una struttura sandwich, con due pelli caratterizzate dalla presenza di fibre di vetro continue, che coprono una struttura interna dalla differente geometria, stampata utilizzando Nylon rinforzato, con fibre corte di carbonio al suo interno. Per raggiungere questo risultato è stata condotta una prima valutazione del modulo elastico delle fibre di vetro utilizzando la Teoria Classica dei Laminati. Per confermare il risultato ottenuto, alcuni provini con fibre depositate unidirezionalmente sono stati testati mediante prove di trazione e il relativo valore di modulo elastico è stato paragonato a quello precedentemente ottenuto. Il meccanismo di deposito di strati su strati attuato dalla stampante 3D per creare il prodotto finito, ha permesso di studiare modelli 2D che fossero rappresentativi dell'oggetto 3D finale in esame. E' stata quindi attuata una omogenizzazione del core della struttura sandwich precedentemente citata in modo da semplificare la complessa geometria 3D. Sono stati creati dei modelli 3D e 2D omogenizzati, e la loro rigidezza è stata poi comparata per saggiare la bontà del modello 2D. Le costanti ingegneristiche, relative al core dalla forma esagonale, rettangolare e triangolare, sono state studiate e comparate fra di loro per selezionare la geometria che assicurasse maggiore rigidezza. Il processo di omogenizzazione è stato successivamente verificato sperimentalmente utilizzando la prova di flessione a tre punti su provini sandwich 3D, stampati adottando un core dalla geometria precedentemente definita. Infine, i valori di rigidezza relativi ai provini fisici sono stati comparati ai rispettivi valori provenienti dalle simulazioni degli stessi provini replicati in ambiente CAD e successivamente simulati mediante analisi ad elementi finiti. Il modulo elastico proveniente dalle prove di trazione delle fibre di vetro e il modulo a taglio del core verificato sperimentalmente sono stati utilizzati in un processo di ottimizzazione in modo tale da trovare la migliore combinazione di spessore del core e delle pelli che restituisse un valore di rigidezza paragonabile a quello di una protesi creata convenzionalmente. Successivamente, è stato creato un semplice prototipo di protesi d'arto inferiore, ed è stata condotta una simulazione di compressione utilizzando l'analisi ad elementi finiti. Il valore di rigidezza ottenuta da questa simulazione è stata poi analizzata e comparata con quella proveniente da una protesi creata convenzionalmente.