Numerical-experimental characterisation of a hand prosthesis: pilot project built by additive manufacturing

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Pereira, Mariana Salgueiro
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/82243
Resumo: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (especialização em Biomateriais, Reabilitação e Biomecânica)
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spelling Numerical-experimental characterisation of a hand prosthesis: pilot project built by additive manufacturingFinite Element MethodFused filament fabricationHand prosthesisMechanical testsNumerical simulationMétodo dos Elementos FinitosFabrico de filamentos fundidosPrótese de mãoTestes mecânicosSimulação numéricaEngenharia e Tecnologia::Engenharia MecânicaDissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (especialização em Biomateriais, Reabilitação e Biomecânica)The loss of one hand affects significantly the level of autonomy and the ability to carry out activities of daily living, work and social activities. Since the dawn of humanity, the use of prostheses has been used to compensate for this loss. Despite technological advances in the manufacture of prostheses, hand prostheses currently marketed have a high cost, making access impossible for many users. One alternative to these prostheses is produce them by fused filament fabrication, allowing for the improvement of low-cost prosthetic hands. A powerful tool that allows making accurate predictions of the mechanical behaviour of discrete and continuous media is the finite element method. The simulation of grip movements of a hand prosthesis pro totype using this method was used in the present study, whose objective is the numerical and experimental characterisation of this prototype. In the context of this work, the numerical model that aims to obtain the deformed configuration of the prosthesis in the regions of contact with an object was successfully obtained. The displacement, strain and stress fields in critical regions of the prosthesis are relevant and were consistent with the mechanism kine matics. Moreover, the characterisation of the material constituting the prosthesis (polylactic acid) implies the 3D printing of specimens with different processing conditions, four filament orientations and two infill percentages. Mechanical tests were performed, namely three-point bending and uniaxial tensile tests, as well as the respective numerical simulations. The results obtained demonstrated high reproducibility for the different processing conditions with a clear differences between them. The modulus of elasticity and Pois son’s ratio determined were always higher for the specimens printed with a 100% infill than for those with 30%. Regarding the orientations, no significant trend was observed. The mechanical responses obtained through numerical simulations were very close to the ones obtained experimentally.A perda de uma das mãos afeta significativamente o nível de autonomia e a capacidade de realizar atividades diárias, de trabalho e sociais. Desde os primórdios da humanidade que se recorre à utilização de próteses para compensar essa perda. Apesar dos avanços tecnológicos no fabrico de próteses, as próteses de mão comercializadas atualmente têm um custo elevado, inviabilizando o acesso a vários utilizadores. Uma alternativa a estas próteses é a sua produção através do fabrico de filamentos fundidos, permitindo aprimorar mãos prostéticas de baixo custo. Uma ferramenta poderosa que permite realizar previsões precisas do comportamento mecânico de meios discretos e contínuos é o método dos elementos finitos. A simulação de um movimento de preensão de um protótipo de prótese da mão utilizando este método foi empregue no presente estudo, cujo objetivo é a caracterização numérica e experimental desse protótipo. No contexto deste trabalho, a modelação numérica que visa obter a configuração deformada da prótese nas regiões de contacto com um objeto, foi obtida com sucesso. Os campos de deslocamento, deformação e tensão em regiões críticas da prótese são relevantes e apresentaram-se coerentes com a cinemática do mecanismo. Além disso, a caracterização do material que constitui a prótese (poliácido lático) compreen deu a impressão 3D de provetes combinando diferentes condições de processamento, quatro orientações do filamento e duas taxas de enchimento. Foram realizados ensaios mecânicos, nomeadamente de flexão em três pontos e uniaxiais de tração, bem como as respetivas simulações numéricas. Os resultados obti dos demonstraram elevadas reprodutibilidade para as diferentes condições de processamento com uma clara diferença entre estas. O módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson determinados foram sempre superiores para os provetes impressos com uma taxa de enchimento de 100% face aos de 30%. Relativa mente às orientações, não foi verificada nenhuma tendência significativa. As respostas mecânicas obtidas através das simulações numéricas encontraram-se bastante próximas dos resultados experimentais.Dourado, N.Universidade do MinhoPereira, Mariana Salgueiro2022-07-282022-07-28T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/82243eng203096720info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:14:10Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/82243Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:06:24.942976Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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