Quanto visto prende ora forma nella protesi transfemorale dell‟associazione Time For Peace – Genova: questa si inserisce in un progetto sviluppato insieme alla comunità congolese per istituire centri di assistenza riabilitativa sul territorio e produrre localmente protesi permettendo così il più largo accesso possibile alle cure ai pazienti meno abbienti. È stata ricercata la facilità progettuale e costruttiva sia per ridurre i costi, sia per promuovere l‟uso di questa tecnologia da parte di comunità ed organizzazioni no-profit in modo da poter produrre in loco la protesi. Il progetto dimostra che, con una piccola officina e un po‟ di pratica, è possibile soddisfare le necessità più immediate di programmi di riabilitazione e aiuto agli amputati, specialmente in comunità rurali5.
La protesi di progetto comprende le seguenti parti:
1) Piede in poliuretano: la schiuma poliuretanica è stata studiata per permettere la realizzazione del piede attraverso colata manuale negli stampi di produzione
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Dal sito www.timeforpeacegenova.org, alla pagina Tecnology/arto inferiore; qui si trovano anche video che descrivono il progetto di protesi, l‟officina in cui viene prodotta e il contesto in cui opera
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dell‟associazione, senza la necessità di complicate attrezzature motorizzate. Inizialmente la chiglia era in legno, come si vede dall‟immagine 2.12.
Quindi è stata sostituita da una chiglia in resina acetalica flessibile, la cui conformazione mira ad ottenere un piede “a ritorno di energia” che permetta un migliore “rotolamento” sul terreno durante il passo, vicariando la funzione di caviglia: il tallone assorbe energia al momento del contatto con il suolo e la libera poi gradatamente, in modo da favorire il progredire della tibia fino alla posizione mediana. Il movimento in avanti generato da questa azione ha come risultato che la punta del piede è caricata di energia, così da ottenerne un rilascio ottimale al momento dello stacco.
Figura 2.12: le chiglie in legno e gli stampi dei piedi protesici
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2) Ginocchio in Delrin: nelle protesi finora realizzate dall‟officina è impiegata la prima versione del giunto, con molla di lancio e frizione inserite in un supporto aggiuntivo al ginocchio (figura 2.14).
L‟associazione è però in procinto di realizzare lo stampo di una seconda versione, con molla di lancio e frizione direttamente inserite nel ginocchio (figura 2.15).
Figura 2.14: prima versione del ginocchio protesico
Figura 2.15: seconda versione del ginocchio protesico, completamente esteso e flesso. Il dispositivo di blocco manuale, l’emidisco godronato in periferia, visibile a destra dell’asse di rotazione, è disattivato.
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Essendo lo stampo il costo più oneroso da sostenere, è necessario effettuare in fase preliminare la maggior quantità possibile di verifiche strutturali e funzionali. L‟associazione ne ha condotte alcune su un prototipo, ed è appunto sulla seconda versione che le analisi virtuali di questo lavoro si concentrano. D‟altronde già la prima fase di progettazione si è avvalsa di programmi di modellistica tridimensionale e di analisi agli elementi finiti.
Tra i suoi componenti il ginocchio presenta:
Una molla di lancio per facilitare l‟estensione del ginocchio durante la fase di oscillazione, regolabile agendo su una rotella zigrinata che aumenta o diminuisce il carico della molla stessa; necessita di un freno per controllare la velocità di lancio e quindi la frequenza del passo.
Una frizione, complementare alla molla, consistente in una sfera di gomma deformabile mediante una rotellina, per adattare l‟attrito con le pareti, che scorre all‟interno del supporto tubolare della “tibia”: serve per regolare la dinamica del ginocchio, in particolare durante l‟appoggio. Molla e frizione sono allineate su una barretta filettata sulla quale si avvitano e svitano i nottolini che agiscono su di esse.
Figura 2.16: molla e frizione allineate nello stinco artificiale
Molla di lancio con regolazione della
forza
Frizione ad attrito regolabile per controllare
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Il sistema di blocco di ginocchio realizzato con un mezzo disco di alluminio, godronato in periferia, che si incastra o si libera, ruotando, da un recesso fresato nella parte superiore del ginocchio, rendendo solidali le due parti e bloccando così la gamba in estensione. Non appare sui disegni di progetto perché pensato successivamente; su di esso non è stata eseguita nessuna verifica strutturale, ma ne è stata controllata solo la funzionalità (si veda la figura 2.22).
3) Invaso:
La sua costruzione richiede un procedimento personalizzato e deve quindi essere realizzato in loco per ogni singolo paziente. L‟utilizzo di materie prime alternative a quelle reperibili sul mercato specialistico permette un notevole contenimento dei costi. Sono in prova
Figura 2.17: sistema per formare l’invaso direttamente sul moncone
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metodi costruttivi alternativi per semplificare la tecnologia e ridurre i tempi di realizzazione: la figura 2.17 si riferisce ad uno studio per formare l‟invaso direttamente sul moncone con la stratificazione di resina, o meglio con bende impregnate di poliuretano ed attivabili in acqua. Il sistema dovrebbe “abbracciare” l‟invaso già fasciato con le bende impregnate e comprimerle, con pompetta pneumatica a mano, nel cono di plastica morbida che si vede all‟interno.
4) Supporto tubolare: in acciaio inox o alluminio, diametro 30 mm, tagliato su misura.
5) Attacchi:
Sono necessari per il collegamento tra piede, supporto tubolare, ginocchio ed invaso. Sono realizzati dall‟associazione per stampaggio in resina acetalica (Delrin) e progettati in modo da permettere i necessari allineamenti piede/tubo/invaso.
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La nuova versione della protesi è ben sintetizzata dalle immagini sottostanti:
Figura 2.20: connettori e elementi per l’allineamento
63 Protesi di progetto: i materiali
A questo punto è necessaria una descrizione dei materiali di realizzazione per avere i dati necessari alla costruzione del modello numerico della protesi e per ottenere una sua risposta attendibile alle sollecitazioni simulate.
Il poliuretano è un polimero in cui la catena è costituita da legami uretanici –NH-(CO)-O-. Nella reazione chimica per la sintesi dei poliuretani possono essere aggiunti, come additivi, agenti espandenti nel caso in cui si vogliano produrre delle schiume. La schiuma poliuretanica di cui è costituito il piede è rigida e compatta; il costo della materia prima è più alto rispetto ai comuni materiali termoplastici, ma le attrezzature necessarie alla produzione in serie sono più convenienti, soprattutto nel caso di pezzi di grandi dimensioni. Ne consegue che i poliuretani rigidi sono tipicamente utilizzati nel caso di piccole serie di componenti di elevate proporzioni (con peso da 0,5 Kg in su) 6, che è appunto la nostra situazione.
La resina acetalica della chiglia del piede è il nome comune del poliossimetilene, un polimero cristallino ottenuto dalla polimerizzazione della formaldeide; di scoperta relativamente recente (1960), ha avuto una veloce e larghissima diffusione per le ottime caratteristiche meccaniche, stabili all‟umidità, e la buona lavorabilità. Presenta alta resistenza a fatica, stabilità dimensionale, basso coefficiente d'attrito, resistenza a
6 Da http://it.wikipedia.org/wiki/Poliuretano
Figura 2.22: l’attivazione del sistema di blocco porta l’emidisco imperniato sulla parte inferiore del ginocchio ad inserirsi nella parte superiore, rendendole così solidali.
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compressione, resistenza all'urto anche a basse temperature, ottima lavorabilità alle macchine utensili.7
L‟acciaio inox, con cui sono costruiti i supporti tubolari mediante formatura e saldatura longitudinale, è una lega a base di ferro e carbonio che unisce alle proprietà meccaniche tipiche degli acciai caratteristiche peculiari di resistenza alla corrosione.
Tabella 2.5: proprietà fisiche dei metalli (valori mediati)
7 Da www.moviplast.it Modulo di elasticità alla trazione Carico di rottura alla traz. Peso specifico Temp. di fusione E Rm p.sp N/mm2 N/mm2 kg/dm3 °C
Acciaio INOX AISI 304
X5CrNi 18-10 196000 515 7,91 1398
Acciaio INOX AISI 316
X5CrNiMo 17-12-2 196000 515 8
Acciaio INOX AISI 410
X12 Cr 13 198000 730 7,9
Acciaio INOX AISI 420
X30 Cr 13 198000 800 7,9
Acciaio INOX AISI 430
X6 Cr 17 200000 500 7,9
Acciaio INOX AISI 630
X5CrNiCuNb 16-4 196000 1200 8
Acciaio INOX AISI 904
X1NiCrMoCu25-20-5 192000 540 8
INOX temprato X105 Cr Mo 17 196000 825 8
Alluminio
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L‟acciaio inox mostra un comportamento elastico lineare fino a circa lo 0.1% di deformazione, un modulo di Poisson di 0.3,1 ed è di gran lunga il materiale più rigido all‟interno della protesi.
L‟altro materiale metallico presente infatti, è l‟alluminio dell‟emidisco di blocco di ginocchio, che presenta un modulo di elasticità inferiore. Sue caratteristiche principali sono la leggerezza, la facilità di lavorazione, la resistenza, la bassa temperatura di fusione e l‟aspetto brillante dovuto anche allo strato d‟ossido che si forma facilmente all‟aria. Il suo modulo di Young, quando non sottoposto a lavorazioni particolari, è pari a 64 GPa, presenta un modulo di rigidità a torsione di 25 MPa e un modulo di Poisson di 0.34, una durezza Vickers di 17 (cresce fino a 40 se il metallo viene laminato a freddo). In lega migliorano fortemente le sue proprietà meccaniche: l‟alluminio 7075-T6 presenta carico di rottura pari a 572 MPa e carico di snervamento di 503 MPa8; ad esso ci si riferirà nelle analisi dell‟ultimo capitolo.
Dal momento che il ginocchio è l‟oggetto della modellazione agli Elementi Finiti, l‟alluminio e il Delrin sono i materiali di maggiore importanza ai fini dell‟analisi
8 Metals Handbook, 1990: Vol.2.
Figura 2.23: tipiche curve sforzo/deformazione per acciai inossidabili ed acciai al carbonio (trazione nella direzione di laminazione)
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strutturale numerica che si intende condurre, e nel capitolo a lei dedicato risulteranno fondamentali le curve che descrivono il loro comportamento a fatica.
Alla descrizione del Delrin, il materiale che costituisce il corpo del dispositivo di ginocchio, si dedica un paragrafo specifico: questo con la speranza di poter individuare i motivi principali che rendono adeguata la sua scelta in tale applicazione.