Interfaces for transtibial and transfemoral prosthesis with properties adapted to the mobility of amputees

Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica na Especialidade de Produção e Projeto, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.Uma prótese tem uma grande importância na vida de qualquer amputado, nomeadamente as transfemurais e transtibiais que permitem que o indivíduo se desloque. Os componentes destes sistemas são produzidos adaptando-os ao nível de mobilidade dos amputados. Esta dissertação estuda um dos componentes: a interface, fundamental para o conforto do amputado por assegurar o contacto entre o membro residual e a prótese. O objetivo desta dissertação é verificar se é possível, num compósito com base em silicone e reforço em cortiça, variar as propriedades mecânicas do material da interface, alterando a concentração e a granulometria das partículas do reforço, de modo a que o material se adapte ao nível de mobilidade dos amputados. Adicionalmente foi realizado um estudo da variação das propriedades mecânicas do material com a fração mássica do agente de cura da matriz de silicone. Foi necessário conceber um novo método de produção para obter o compósito com as partículas de cortiça uniformemente distribuídas no volume das amostras. Para determinar os parâmetros que caraterizam mecanicamente este material procedeu-se à realização de diversos ensaios quer em regime estático (compressão estática e relaxação) quer em regime dinâmico (compressão cíclica e vibração livre). Foi ainda necessário recorrer a uma análise granulométrica para calcular a fração volúmica do reforço, assim como a distribuição dos diâmetros equivalentes das duas granulometrias de cortiça utilizadas. No ensaio de vibração livre recorreu-se a um oscilógrafo que nunca tinha sido utilizado para obter as propriedades mecânicas de um material. A verificação da adequação deste equipamento para este fim foi outro objetivo desta dissertação. O processo experimental concebido para produzir o compósito e a técnica de análise da granulometria foram bem sucedidos. Foi possível concluir que a granulometria das partículas de cortiça, dentro da gama testada, não tem influência nas propriedades mecânicas do compósito. Nos ensaios de compressão estática e de relaxação observou-se uma diminuição da rigidez com o aumento da fração volúmica de cortiça. Os ensaios dinâmicos nada permitiram concluir sobre o efeito da variação da cortiça nas propriedades viscoelásticas do material. Adicionalmente observou-se uma tendência semelhante em todos os ensaios na variação da rigidez com a fração mássica do agente de cura da matriz.A prosthesis has a big importance in the day-to-day life of any amputee, especially the transfemural and the transtibial which make the individual able to move. The components of these systems are produced in order to adapt to the mobility level of the amputee. In this work one of these components is studied: the interface, most important to the comfort of the amputee, because it provides the contact between the residual limb and the prosthesis. The objective of this study is to verify if it is possible, using a composite with a matrice in silicone and the reinforcement in cork, to adjust the interface material mechanical properties, by changing the fraction and the granulometry of the reinforcements particles, in a way that allows the material to be adapted to the amputee mobility level. Furthermore, a study of the variation of the mechanical properties with the mass fraction of the matrice curing agent was performed. A new method to produce the composite with the cork particles dispersed uniformly in the samples volume was designed. Several tests were carried out in order to obtain the parameters that define this material mechanically: static (static compression and relaxation) and dynamic (cyclic compression and free vibration). A granulometric analysis was needed to determine the reinforcement volume fraction, as well as the equivalent diameters distribution of the two cork granulometries. In the free vibration test the oscillograph was used for the first time to obtain the mechanical properties of a material. Another objective of this work was to assess the suitability of this equipment for this purpose. The experimental procedure designed to produce the composite and the granulometry analysis technique were successful. One conclusion was that the particle size of the cork particles, within the tested range, has no influence in the composite mechanical properties. Another, in the static compression and relaxation tests, was the decrease of the rigidity with the increasing cork volume fraction. The dynamic tests did not allow to reach any conclusion regarding the effect of different cork fractions on the material viscoelasticity properties. In addition, a similar trend in all studies of the stiffness variation with the mass fraction of the matrice curing agent was detected