Ingénieure en Ergonomie, Innovation et Design
spécialisée dans la conception produit centrée utilisateur
DIMENSI NNEMENT
Prothèse de doigt
Simulation numérique par la méthode des Eléments Finis
(logiciels ABAQUS & SolidWorks)
Equipe de 4 étudiants
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CONTEXTE
L'étude porte sur une prothèse de doigt pour doigt amputé à la phalange médiane telle que la « PIPDriver » de chez Naked Prosthetics qui, contrairement à la plupart des prothèses de doigts qui sont purement esthétiques, est fonctionnelle, et dans ce cas précis biomécanique.
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Sachant qu’il y a environ 41000 amputations de doigts par an aux Etats-Unis, ce type de produit est particulièrement pertinent chez les personnes concernées afin de retrouver une certaine autonomie, mobilité et dextérité : dans le domaine du travail (préhension de stylo ou d'outils tels que des tournevis ou marteaux...) ou encore effectuer des actions du quotidien (prise de couverts pour manger, jouer d'un instrument, freiner en vélo...)
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ÉNONCÉ DU BESOIN
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Le domaine paramédical doit s’assurer de la fonctionnalité, de la résistance et du confort des prothèses afin qu’elles ne viennent pas, en se tordant ou se cassant, gêner le patient dans ses mouvements ou rentrer en contact avec les résidus de doigts qui peuvent être sensibles suivant les types d’amputation.
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Nous avons alors étudié les déformations de la prothèse dans les cas d’utilisations dites « extrêmes » pour une personne lambda, à savoir la pratique d’activité sportive. Après des recherches poussées sur l'anatomie et le fonctionnement d'un doigt, nous avons choisi de délimiter notre étude au cas d’un freinage sur vélo avec guidon droit en mode bi-doigts (index et majeur), la prothèse étant placée sur l’index amputé en situation de flexion tendue.
CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES
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La prothèse Naked Prosthetics est réalisée en impression 3D SLS et fonctionne grâce un système de bielles : elle est composée de 4 corps principaux (en nylon 12 medical grade et silicone) qui représentent les différentes phalanges, mis en mouvement par 4 attaches (en titane) qui représentent les articulations du doigt. Le tout est schématisé ci-contre.
MODELISATION & PROTOTYPAGE
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Nous avons modélisé et prototypé à échelle réelle en impression 3D PLA notre prothèse afin de nous rendre compte de notre dimensionnement et de tester notre prothèse en conditions réelles. Nous avons donc confirmé que notre prothèse est fonctionnelle et adaptée à un doigt d'un diamètre de 18,5 mm.
SIMULATION NUMÉRIQUE
La simulation numérique consiste en plusieurs étapes :
1. MAILLAGE Etape cruciale afin de réduire le plus possible les temps de calcul, d'être efficace et le plus réaliste possible.​
2. MATÉRIAUX Le choix des matériaux doit être réalisé en fonction des performances du produit définies dans le cahier des charges. Nous avons ici retenu 2 matériaux différents pour les corps principaux pour 2 simulations différentes à des fins de comparaison des propriétés, et faire le choix le plus judicieux.
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Simulation 1 : Polyamide (Nylon) de type 12 (PA12) :
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Simulation 2 : ABS :
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Attaches : Titane biocompatible Ti-12Mo-6Zr-2Fe :
3. CHARGEMENT Nous nous sommes intéressés à la force nécessaire pour appuyer sur le frein de vélo. Nous avons pour cela réalisé une série d’essais de traction sur les freins de différents vélos (et donc réglés de différentes façons) à l’aide d’un dynamomètre afin d’obtenir un résultat le plus juste possible, pour enfin en retenir la valeur la plus élevée (cas "extrême").
4. CONDITIONS AUX LIMITES Nous avons simulé un doigt en flexion tendue en bloquant les degrés de liberté nécessaires.
5. ZONES DE CONTACT Notre étude se portant sur un assemblage, il a fallu définir les contacts entre chaque pièce et les propriétés de ces interactions.
6. RÉSULTATS Nous avons récolté les données concertant les déplacements et les déformations de notre modèle afin d'améliorer ou valider ce dernier.
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PA12 ABS
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CONCLUSIONS & DISCUSSION
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PA12 & ABS imprimables en 3D : PA12 en frittage de poudre et ABS en dépôt de fil. Nous avons choisi pour ces études d’utiliser les propriétés mécaniques des matériaux standards, et non celles dédiées à l’impression 3D afin de simplifier les modèles de simulation. En ayant choisi cet axe de travail, nous avons pu observer des résultats assez similaires, bien que l’ABS offre de meilleures propriétés mécaniques.
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L’ABS pourrait alors être une meilleure alternative au PA12 actuellement utilisé par Naked Prosthetic. Il ne faut cependant pas oublier que le procédé de mise en forme de ces deux matériaux est différent. L’ABS s’injecte dans des moules en aluminium, de manière générale, mais s’imprime en 3D par dépôt de fil, alors que le PA12 s’imprime en frittage de poudre.
NakedProsthetic créé ses prothèses sur-mesure pour l'utilisateur afin d’adapter la prothèse au mieux à la morphologie de ce dernier, et le procédé d’impression 3D par frittage de poudre offre un produit fini et par conséquence une meilleure capacité de production, contrairement à l’ABS en dépôt de fil qui nécessite du traitement post-impression.
Il était donc pertinent d’opter pour du PA12 en frittage de poudre pour réaliser nos prothèses.
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Pour aller plus loin dans cette étude, il serait possible d’optimiser la topologie de la prothèse que nous avons dessiné afin d’avoir de meilleures performances que celles que nous avons pu observer dans ce projet.
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Motorisation d'un télescope
Conception et dimensionnement de structures complexes
(logiciels CATIA V5 & ABAQUS)
Equipe de 4 étudiants
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