Premessa

Tutto il progetto è stato sviluppato ai fini di ottenere una protesi che prima di tutto fosse conforme alla normativa ISO 10328.
Ci siamo quindi focalizzati sulla resistenza della protesi alla prima prova statica con 2240 N.
Come suggerito da Roadrunnerfoot abbiamo cercato di mantenere un coefficiente di sicurezza circa pari a 2 in modo da cautelarci sia nei confronti della prova a fatica, sia nei confronti della prova statica ultima con forza di 4480 N.
Per soddisfare il requisito di riduzione di peso e al contempo rispettare i vincoli di resistenza esposti sopra abbiamo deciso di impiegare la lega di magnesio EA55RS, di cui segue una descrizione.

La lega EA55RS T4

La lega EA55RS è una lega di magnesio alluminio neodimio e zinco. È stata selezionata in base alle nostre necessità di resistenza meccanica, costo e densità. Avevamo infatti bisogno di una lega che avesse caratteristiche meccaniche comparabili con quelle dell'Ergal e al contempo avesse un costo ridotto e una densità inferiore. Il risparmio di peso a parità di volume ottenuto impiegando questa lega è di circa il 30%.

La nostra proposta: sviluppo e soluzione finale

La fase di progettazione comincia con lo svolgimento di un'analisi topologica, volta a minimizzare la massa e al contempo massimizzare la rigidezza degli attacchi. Come è visibile nella figura di sinistra siamo partiti da un blocco "grezzo" di materiale, da cui l'ottimizzatore ha ricavato la geometria visibile nella figura di destra.
Per ottenere un risultato il più accurato possibile, nel processo di ottimizzazione si sono mantenuti tutti i contatti presenti nella realtà tra le parti strutturalmente più importanti della protesi. Ovviamente i componenti sono stati debitamente modificati per renderli compatibili con l'ottimizzazione desiderata.
Al fine di ridurre le rigidezze delle molle e migliorare la distribuzione degli sforzi rispetto al modello iniziale abbiamo deciso di aumentare la distanza tra la molla anteriore e il perno, portata ora a 40 mm (+20 mm). Tutte le altre dimensioni rimangono fedeli all'originale.
Per poter impostare correttamente l'analisi topologica abbiamo svolto una nuova analisi dinamica volta alla determinazione delle nuove rigidezze equivalenti necessarie al moto desiderato. I risultati ottenuti sono i seguenti:
-anteriore:300 Nmm.
-posteriore:450 Nmm.

Dopo la fase di ottimizzazione topologica abbiamo sviluppato un design dell'attacco inferiore, che ricalcasse il più possibile ciò che è stato ottenuto dall'ottimizzazione. Il design dell'attacco superiore è stato adattato al risultato ottenuto sull'inferiore.
Nell'immagine sottostante sono riportati i due nuovi pezzi, con annessa simulazione FEM.
Come è evidente la nuova forma dell'attacco inferiore, che prevede due scavi laterali e una nervatura centrale, presenta ampie zone con sforzi troppo elevati, il che è imputabile allo spessore troppo ridotto delle "lamine di collegamento" fra le due sedi delle molle.
L'attacco superiore rispetta invece i vincoli di resistenza.

Lo spessore è stato quindi progressivamente aumentato ripetendo di volta in volta le simulazioni FEM.
L'aumento di materiale ci ha spinti fino a riempire nuovamente le cavità scavate sui lati dell'attacco inferiore e ad aggiungere delle nervature. Solo in questa maniera le analisi FEM hanno dato un risultato confortante, a meno di punti spuri.

Dopo questa ulteriore variazione si è constatato però che l'aumento delle dimensioni e le aggiunte di materiale volte ad aumentare la resistenza dell' attacco inferiore peggiorano significativamente il peso, che torna ad attestersi sui 480 grammi del modello attuale nel caso in cui venga solo cambiato il materiale, lasciando invariata la geometria. Abbiamo quindi deciso di ripristinare le dimensioni originali dell'attacco inferiore, arretrando la molla anteriore, la cui distanza dal perno torna ad essere di 20.4 mm.
Per quanto concerne invece l'attacco superiore si sono aggiunte due nervature nella zona della piramide per aumentare la rigidezza.

soluzione definitiva

Alla luce dei risultati ottenuti e di tutto ciò che è stato spiegato in precedenza abbiamo deciso di proporre come soluzione definitiva l'ultima illustrata.
Il layout con molla anteriore arretrata permette infatti di ottenere una riduzione di peso di 159 grammi, coadiuvando buona resistenza meccanica, costi ridotti ed elevata rigidità, le deformazioni sono infatti molto simili a quelle del modello originale.
Di seguito è riportato un assieme esploso del modello finale.

Come già detto per la soluzione definitiva è stata adottata la lega di magnesio EA55RS per gli attacchi superiore ed inferiore. Per il perno abbiamo invece scelto l'Ergal, che, unito al foro centrale ora realizzato, ci ha assicurato un'ulteriore riduzione di peso.
Per quanto riguarda le molle abbiamo deciso di mantenere la configurazione originaria che prevede l'utilizzo di molle elicoidali e bumper in poliuretano.Tale soluzione risulta infatti la meno compromettente ai fini del peso complessivo della protesi.
Avendo variato la geometria dell'attacco inferiore si è resa necessaria anche la sostituzione della vite di ancoraggio, che è ora una M12x16.
Al fine di prevenire l'usura il perno si impegna nell'attacco inferiore tramite due boccole in nylon Iglidur© ZSM-1012-05. Il perno è tenuto nella sua sede dall'anello di sicurezza DIN 472 IN 10.
Con le soluzioni adottate i pesi delle parti modificate sono i seguenti:
-attacco inferiore: 42 g (-79 g)
-attacco superiore: 54 g (-56 g)
-perno centrale: 6 g (-24 g)
Il risparmio complessivo di peso è quidni di 159 grammi!

fabbricabilità

Una particolare attenzione è stata posta alla fabbricabilità della soluzione adottata, ci siamo infatti assicurati che il nostro modello finale fosse a tutti gli effetti realizzabile. La fabbricazione avverrà a partire dal pieno con lavorazioni di meccanica tradizionale su centro di lavoro a 5 assi.
Di seguito sono illustrate le simulazioni delle lavorazioni degli attacchi e del perno.

analisi dei costi

Per completezza si riporta di seguito una tabella riassuntiva dei costi di produzione dei due attacchi. Ricordando che il requisito sul costo massimo di produzione di questi ultimi poneva un tetto di 50 €, il requisito è da ritenersi soddisfatto.