Desarrollo de férulas para impresión 3D: Fase de digitalización y diseño CAD

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Mecánica Desarrollo de férulas para impresión 3D: Fase de digitalización y diseño CAD Autor: Ortega Lázaro, Adrián Tutor: Mansilla Gallo, Alberto Dpto. Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica, Expresión Gráfica en la Ingeniería, Ingeniería Cartográfica, Geodesia y Fotogrametría, Ingeniería Mecánica e Ingeniería de los Procesos de Fabricación Cotutor: Manso Burgos, José Gabriel Valladolid, junio 2019. EII – Escuela de Ingenierías Industriales RESUMEN: Actualmente la tecnología 3D se emplea para multitud de aplicaciones. Este proyecto se centra en el desarrollo y prototipado de una férula de inmovilización para una mano haciendo uso de un escáner 3D, procesando el archivo obtenido y su posterior impresión con material biocompatible. En primer lugar, se tratará la descripción sobre la digitalización 3D así como la verificación de los datos obtenidos. A su vez, se realizará el caso práctico, donde se modificará el archivo que nos proporciona el escáner mediante un software CAD para la obtención de un modelo final. Y por último, se analizarán los resultados obtenidos imprimiendo el molde en PETG, que es el copolímero más utilizado en este tipo de aplicaciones, evaluando los resultados y la precisión dimensional esperada. PALABRAS CLAVE: Escáner 3D Luz estructurada Férula CAD PETG EII – Escuela de Ingenierías Industriales EII – Escuela de Ingenierías Industriales ÍNDICE DE CONTENIDOS: 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS: ..................................................................... 1 2 DIGITALIZACIÓN MEDIANTE ESCÁNER 3D: .................................................. 3 2.1 Descripción general: ................................................................................ 3 2.2 Esquema de funcionamiento: ................................................................. 4 2.3 Tipos de escáner 3D: .............................................................................. 5 2.3.1 Escáner de contacto: ....................................................................... 5 2.3.2 Escáner sin contacto: ....................................................................... 6 2.4 Principales aplicaciones escáner 3D: .................................................. 18 2.5 Escáner 3D utilizado: ............................................................................ 21 2.5.1 Características del escáner: .......................................................... 21 2.5.2 Modos del escáner: ........................................................................ 22 2.6 Verificación de los datos obtenidos con el escáner: ........................... 23 2.6.1 Factores que afectan al análisis: .................................................. 23 2.6.2 Calibración del escáner: ................................................................ 26 2.6.3 Precisión dimensional: ................................................................... 28 2.6.4 Gom Inspect: .................................................................................. 33 3 DISEÑO CAD PARA FÉRULA DE MIEMBRO SUPERIOR: ............................. 41 3.1 Introducción: .......................................................................................... 41 3.2 Especificaciones férulas: ...................................................................... 41 3.2.1 Aspectos importantes: ................................................................... 41 3.2.2 Materiales con los que trabajar: ................................................... 42 3.2.3 Principales lesiones: ...................................................................... 42 3.2.4 Objetivos de una férula impresa en 3D: ....................................... 43 3.3 Aspectos importantes durante el diseño para impresión 3D:............ 44 3.3.1 Grosor mínimo de pared: ............................................................... 44 3.3.2 Calidad superficial y orientación: .................................................. 44 3.3.3 Soportes: ......................................................................................... 44 3.3.4 Mínimo ángulo de impresión: ........................................................ 45 3.3.5 Encastres: ....................................................................................... 46 3.3.6 Espacio correcto entre partes móviles: ........................................ 46 EII – Escuela de Ingenierías Industriales 3.3.7 Letras, grabados y detalles: .......................................................... 46 3.4 Descripción del modelo de trabajo: ..................................................... 47 3.5 Realización del escaneo 3D: ................................................................ 48 3.5.1 Digitalización automática: ............................................................. 49 3.5.2 Digitalización manual: .................................................................... 51 3.5.3 Tratamiento de datos: .................................................................... 52 3.6 Análisis y corrección de la malla: ......................................................... 54 3.7 Tratamiento con Fusion 360: ............................................................... 56 3.7.1 Importación del mallado: ............................................................... 56 3.7.2 Análisis y tratamiento de mallas: .................................................. 57 3.7.3 Generación de contornos: ............................................................. 59 3.7.4 Generación de superficies: ............................................................ 62 3.7.5 Mallado de la superficie: ............................................................... 63 3.7.6 Unión del mallado: ......................................................................... 64 3.7.7 Espesor de la malla: ....................................................................... 66 3.7.8 Conversión de la malla en sólido: ................................................. 67 3.7.9 Elección de cierres: ........................................................................ 68 3.8 Principales fabricantes de férulas mediante impresión 3D: .............. 73 4 FABRICACIÓN DE PROTOTIPOS MEDIANTE IMPRESIÓN 3D: .................... 77 4.1 Funcionamiento de la fabricación por filamento fundido (FFF): ........ 77 4.2 Impresora 3D utilizada: ......................................................................... 79 4.2.1 Características de la impresora: ................................................... 79 4.3 Material usado: ...................................................................................... 80 4.3.1 PETG: ............................................................................................... 80 4.3.2 PVA (Alcohol Polivinílico): ............................................................... 81 4.4 Resultados obtenidos de la impresión 3D: ......................................... 82 5 CONCLUSIONES: ....................................................................................... 85 6 LÍNEAS FUTURAS: ..................................................................................... 87 BIBLIOGRAFÍA: ................................................................................................. 89 EII – Escuela de Ingenierías Industriales ANEXOS: ........................................................................................................... 91 Anexo 1: Características EinScan-Pro ............................................................. 91 Anexo 2: Características Ultimaker 3 Extended: ............................................ 93 Anexo 3: Características y propiedades de los materiales empleados: ....... 95 Anexo 4: Especificaciones pie de rey Mitutoyo ©: ......................................... 96 Anexo 5: Medidas tomadas en la mano: ........................................................ 97 EII – Escuela de Ingenierías Industriales EII – Escuela de Ingenierías Industriales ÍNDICE DE ILUSTRACIONES: Ilustración 1 – Fases del escaneado .................................................................... 3 Ilustración 2 – Esquema de funcionamiento escáner 3D .................................. 4 Ilustración 3 - Palpador 3D con activación por contacto .................................... 5 Ilustración 4 – Tiempo de vuelo para un impulso láser ...................................... 6 Ilustración 5 - Funcionamiento de un escáner 3D por triangulación ................. 8 Ilustración 6 - Principio de un escáner láser basado en diferencia de fase ...... 9 Ilustración 7 - Funcionamiento de la holografía conoscópica .......................... 10 Ilustración 8 – Luz estructurada ......................................................................... 11 Ilustración 9 - Deformación que se produce cuando la franja de luz proyectada impacta sobre una superficie en 3D .................................................................. 12 Ilustración 10 – Análisis de patrones mediante luz estructurada (libro) ......... 13 Ilustración 11 – Patrón de proyección de 5 bits codificado en binario para imágenes en 3D ................................................................................................... 14 Ilustración 12 – Patrón de codificación de nivel gris ........................................ 14 Ilustración 13 - Cambio de fase con tres patrones de proyección y un ejemplo de una imagen marginal. ..................................................................................... 15 Ilustración 14 - Profundidad Z según el valor de la fase ................................... 16 Ilustración 15 - Combinando código gris con cambio de fase .......................... 17 Ilustración 16 - Ingeniería inversa ...................................................................... 19 Ilustración 17 - Escáner 3D de un dinosáurio en el Museo de Naturaleza y Ciencia de Denver ................................................................................................ 20 Ilustración 18 - Escáner EinScan – Pro .............................................................. 21 Ilustración 19 - Escaneo manual ........................................................................ 22 Ilustración 20 - Escaneo automático .................................................................. 22 Ilustración 21 - Escaneo fijo ................................................................................ 22 Ilustración 22 - Espray para digitalizar en 3D .................................................... 25 Ilustración 23 - Plancha de calibración .............................................................. 26 Ilustración 24 – Calibración escáner 3D ............................................................ 27 Ilustración 25 - Pie de rey Mitutoyo .................................................................... 28 Ilustración 26 - Mano con las referencias de medida ....................................... 29 Ilustración 27 - Medida con pie de rey ............................................................... 29 Ilustración 28 - Mano sujeto en 3D .................................................................... 30 Ilustración 29 - Medida con Fusion 360 ............................................................ 31 Ilustración 30 - Logo Gom Inspect ...................................................................... 33 Ilustración 31 - Interfaz de inicio Gom Inspect .................................................. 34 Ilustración 32 - Importación archivo en Gom Inspect ....................................... 34 Ilustración 33 - Modelo de referencia importado .............................................. 35 Ilustración 34 - Cuerpo CAD y malla en Gom Inspect ........................................ 35 Ilustración 35 - Alineación de los diferentes cuerpos ....................................... 36 Ilustración 36 - Barra de herramientas Gom Inspect ........................................ 37 EII – Escuela de Ingenierías Industriales 2 | P á g i n a • Obtención de una férula que cumpla con las especificaciones establecidas. • Viabilidad a la hora de realizar una férula mediante una impresora con tecnología FDM ©. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 3 | P á g i n a 2 Digitalización mediante escáner 3D: ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 2.1 Descripción general: Un escáner 3D es un instrumento que permite digitalizar objetos de diferentes tamaños capturando su geometría y a veces su textura, generando un modelo 3D. Este archivo 3D se puede editar mediante software CAD especializados, para obtener una geometría determinada. El proceso comienza con la obtención de la geometría del objeto con una densa nube de puntos. Los puntos se sitúan en el espacio, referenciados en sus distintos ejes X, Y, Z representando la geometría real. Una vez obtenidos los puntos geométricos se pueden mallar generando así un modelo abierto o cerrado según se desee. Posteriormente este mallado puede ser modificado con un CAD. Ilustración 1 – Fases del escaneado [https://www.cadcrowd.com/architectural-design/point-cloud-modeling-services] Esta tecnología se utilizaba principalmente para la metrología en la industria y el sector automovilístico. Hoy en día, los avances han permitido ampliar el rango de aplicaciones, cobrando importancia en el sector médico, aeronáutica, ingeniería, arquitectura… Estos equipos tenían unos precios muy elevados, gracias a su desarrollo, podemos encontrarlos a un precio asequible permitiendo ampliar el número de empresas que pueden trabajar con ellos. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 4 | P á g i n a 2.2 Esquema de funcionamiento: Como ya se ha comentado en el apartado anterior, el objetivo de un escáner 3D es crear una nube de puntos a partir de la geometría del objeto. De esta forma se reúne información de la posición en el espacio de cada punto de la superficie. Para obtener la posición de los puntos se define un sistema esférico de coordenadas considerando el origen en el escáner. Cada punto tiene asociado una coordenada φ y θ, con una distancia r. Estas coordenadas muestran la situación tridimensional de cada punto en el modelo, siendo el escáner el sistema de referencia relativo. [1] Dependiendo de varios factores como la distancia al objeto, la geometría propia, la precisión deseada… suelen ser necesarios varios análisis. Para agrupar los distintos resultados hay que utilizar un sistema de referencia común, este proceso se llama alineación. Se encarga de transformar las coordenadas locales de cada análisis en un sistema de coordenadas generales. A continuación, se muestra un esquema indicativo funcionamiento que utiliza un escáner 3D: Ilustración 2 – Esquema de funcionamiento escáner 3D [Elaboración propia] Escáner 3D Fuente de luz Análisis objeto (x,y,z)/(r, φ,θ) Nube de puntos Alineación Modelo 3D EII – Escuela de Ingenierías Industriales 5 | P á g i n a 2.3 Tipos de escáner 3D: Hay gran variedad de escáneres 3D, pero podemos centrarnos en la siguiente división: • Escáneres 3D con contacto • Escáneres 3D sin contacto → Activos y pasivos Para realizar este proyecto se ha utilizado un escáner 3D sin contacto que trabaja con luz estructurada. 2.3.1 Escáner de contacto: Este tipo de escáner utiliza un palpador para examinar la superficie mediante contacto físico con ella. Los palpadores suelen utilizar en su cabezal acero duro, rubí o zafiro para mejorar su precisión. [2] Cuentan con una gran precisión debido al contacto sobre la superficie, obteniendo buenos resultados. Presentan una desventaja respecto al escáner sin contacto, se trata de la presión que se crea entre el palpador y la superficie. Si la superficie es muy delicada, puede ser afectada o modificada por el palpador. También trabaja de forma más lenta que otros tipos de escáner. Es capaz de escanear entre 100 y 1000 puntos por segundo, por lo que se encuentran en un segundo plano respecto a los escáneres sin contacto. Ilustración 3 - Palpador 3D con activación por contacto [https://www.renishaw.es/es/sistema-sprint-con-supascan--42579] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 6 | P á g i n a 2.3.2 Escáner sin contacto: Como su propio nombre indica, este tipo de escáner no toca el objeto a digitalizar. Estos modelos de escáner están divididos en dos subgrupos, activos y pasivos, en función de la radiación que emiten para realizar el análisis. 2.3.2.1 Activos: Los escáneres activos funcionan emitiendo una señal y analizando su retorno para obtener la geometría de la superficie. Las señales con las que trabajan son electromagnéticas como pueden ser la luz, ultrasonidos, rayos X…. A continuación, se muestran los diferentes tipos que trabajan de esta forma. 2.3.2.1.1 Time of flight (Tiempo de vuelo): Este tipo de escáner obtiene la distancia de los puntos cronometrando el tiempo que tarda en ir y volver un pulso de luz. Para ello emplea como principio la velocidad de la luz a potencia constante. Es decir, cuenta con un diodo láser que emite un pulso de luz desde el instrumento y calcula el tiempo que tarda en regresar la luz reflejada, captada por un detector. [3] Ilustración 4 – Tiempo de vuelo para un impulso láser [https://www.keyence.com.mx/ss/products/sensor/sensorbasics/laser_location/info/] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 7 | P á g i n a Por lo que la distancia se calculará de la siguiente manera, teniendo en cuenta que el tiempo calculado (t) es de ida y vuelta: 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑐 ∙ 𝑡 2 Ecuación 1 Donde: - 𝑐 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑢𝑧 - 𝑡 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑡𝑜 Si consideramos la velocidad de la luz como 3.108 kilómetros/segundo se obtiene que tarda 3,33 nanosegundos en explorar un metro. Por lo tanto, para obtener una precisión de un milímetro se necesitan medir intervalos de tiempo cerca de 3,33 picosegundos. Para que no se produzcan mediciones ambiguas, el tiempo medido (t) debe ser mayor que la amplitud del pulso: 𝑡 > 𝑇𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜 Ecuación 2 O la precisión del reloj (d) tiene que cumplir la siguiente ecuación: 𝑑 > 1 2∙ 𝑐 ∙ 𝑇𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜 Ecuación 3 Por ejemplo, si tomamos como 𝑇𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜 = 10 𝑝𝑠, la mejor precisión que vamos a obtener es de 𝑑 = 1.5 𝑚𝑚. La mayoría de los escáneres comerciales de medio y largo alcance proporcionan una precisión entre 6 y 10 milímetros. [22] Por lo tanto, la fiabilidad de este tipo de escáner 3D depende de la precisión con la que se puede medir el tiempo y es casi independiente de la distancia con la que se trabaja. Cuanto mayor sea la precisión del reloj, mejor es la medida obtenida. La velocidad de muestreo oscila entre los 10.000 – 100.000 puntos por segundo, por lo que cuentan con un muestreo rápido. Esta capacidad de muestreo le permite generar una alta densidad de puntos. Se encuentran limitados por el ruido, la fluctuación, la fuerza de la señal y la sensibilidad del detector. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 8 | P á g i n a 2.3.2.1.2 Triangulación: Los escáneres 3D de triangulación utilizan una luz láser que incide en la superficie a examinar, con una cámara se busca la ubicación del punto láser. La cámara recoge los puntos donde el haz del láser se refleja en la superficie del objeto. [2] Se forma un triángulo entre el punto láser, la cámara y el emisor láser. La distancia del lado del triángulo entre la cámara y el emisor se conoce. También se saben los ángulos que forman tanto el vértice del emisor como el vértice de la cámara. Estos 3 valores permiten resolver las dimensiones restantes del triángulo y la posición de cada punto en el espacio. Ilustración 5 - Funcionamiento de un escáner 3D por triangulación [TFG: Flujo de trabajo en proyectos de modelización 3D con equipo láser escáner – Fabio Romeral Pérez] Como se puede ver en la foto anterior el ángulo que va a determinar la precisión del aparato es el que se forma en el vértice opuesto al escáner. Cuanto mayor sea el lado que forman el láser y la cámara (D), menor será el error sobre la medida de profundidad del objeto. Pero esta longitud no puede ser muy grande porque la proyección del láser tendría problemas para ser capturada por la cámara. [1] Son los más apropiados para el análisis de distancias cortas, menos de 10 metros. Este tipo de escáner solo capta las zonas visibles simultáneamente por el emisor láser y la cámara. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 9 | P á g i n a 2.3.2.1.3 Diferencia de fase: Este tipo de escáner evita el uso de relojes de alta precisión modulando la potencia del haz láser. La luz emitida (incoherente) se modula en amplitud y se envía a una superficie. La reflexión dispersa se captura y un circuito mide la diferencia de fase entre las ondas enviadas y recibidas, y por tanto la demora. Los escáneres que trabajan con diferencia de fase modulan su señal utilizando, modulaciones sinusoidales, amplitud modulada (AM), frecuencia modulada (FM), pseudo ruido o modulación polarizada. [1] La relación entre el desfasamiento (𝜑), la frecuencia modulada (𝑓𝑚) y el tiempo de regreso (𝑡) está dada por: 𝑡 = φ 2π · fm Ecuación 4 Dado que el escáner láser emplea un haz de luz, es posible calcular la distancia empleando las ecuaciones 1 y 4. Por lo tanto: ρ = 1 2∙ 𝑐 ∙ 𝑡 = 𝑐·φ 4π ·fm Ecuación 5 Este tipo de tecnología permite obtener un muestreo muy rápido, pudiendo capturar hasta 1.2000.000 puntos por segundo, pero no son muy fiables para largas distancias. Presentan mayor velocidad y mejor resolución que los escáneres de tiempo de vuelo, pero peor precisión. Ilustración 6 - Principio de un escáner láser basado en diferencia de fase [Jorge Adán Romero Guerrero / José Luis Cuellar Vázquez – Estudio comparativo entre las tecnologías de escaneo laser terrestre] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 10 | P á g i n a Su precisión se ve limitada por: [1] • Frecuencia de la señal o modulación. • Precisión en el ciclo de medición de la fase → Depende de la fuerza de la señal, el ruido… • Estabilidad del oscilador de modulación. • Turbulencias en el aire por el que se realiza la medición. • Variaciones en el índice de refracción del aire. 2.3.2.1.4 Holografía conoscópica: El funcionamiento de este tipo de escáner se basa en una luz que se refleja en una superficie a través de un cristal con dos índices de refracción, uno fijo en función de la superficie y otro variable en función del ángulo de incidencia del rayo en la superficie del cristal. [2] Como se puede ver en la ilustración 7, se tienen dos rayos paralelos que se hacen interferir utilizando una lente cilíndrica. Esta interferencia es capturada por el sensor de una cámara convencional obteniendo un patrón de franjas. La frecuencia de esta interferencia determina la posición del objeto. Ilustración 7 - Funcionamiento de la holografía conoscópica [http://www.dsiplus.es/web/imagenes/ch_technology.jpg] Este tipo de escaneado 3D cuenta con alta precisión y una de sus ventajas es que puede utilizar luz no coherente, basta con que sea monocromática. [5] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 11 | P á g i n a 2.3.2.1.5 Luz estructurada: 2.3.2.1.5.1 Introducción: La parte práctica de este proyecto se ha realizado con un escáner de luz estructurada. Este tipo de escáner proyecta un patrón de luz en el objeto y analiza la deformación de este producida por la superficie. Esta tecnología se retorna 45 años atrás con un desarrollo progresivo hasta hoy en día haciendo uso de una fuente de luz y un receptor de esta. Su principal ventaja se centra en la velocidad de muestreo que permite escanear gran cantidad de puntos a la vez. Antes de realizar el escaneo es necesario realizar una calibración de la cámara y de los proyectores para poder calcular los parámetros que permitan digitalizar resultados óptimos. Ilustración 8 – Luz estructurada [Jason Geng – Tutorial – Structured-light 3D Surface imaging] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 18 | P á g i n a 2.3.2.2.1 Estereoscópicos: Esta tecnología emplea dos cámaras de video separadas poca distancia y orientadas de la misma forma, examinando la misma escena. Conociendo la distancia entre ellas y con las diferencias entre las imágenes vistas por cada cámara, es posible saber la distancia a cada punto en las imágenes. [2] Los estereoscópicos están basados en la visión estereoscópica humana. 2.3.2.2.2 Silueta: Este tipo de escáner realiza una sucesión de fotografías alrededor de un objeto tridimensional contra un fondo contrastado. Estas siluetas se estiran y son cruzadas para formar la aproximación visual geométrica 3D del objeto. Cuentan con un gran inconveniente, esta técnica no consigue detectar las concavidades que podemos encontrar en el objeto que se analiza. 2.3.2.2.3 Con ayuda del usuario: Este tipo de escáneres 3D trabajan según los principios de la fotogrametría, semejante a la fotografía panorámica tomando las fotos de un objeto en un espacio tridimensional para replicarlo. [2] 2.4 Principales aplicaciones escáner 3D: A continuación, se muestran las principales aplicaciones que se están dando actualmente a los escáneres 3D: 2.4.1 Ingeniería inversa: La ingeniería inversa se centra en la industria automotriz, aeroespacial, manufactura… Su objetivo es obtener información o un diseño a partir de un modelo existente. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 19 | P á g i n a Es una tecnología muy útil, permite analizar fácilmente los datos y modificarlos con programas CAD. Sus principales aplicaciones se centran en: • Diseño del producto • Personalización • Documentación 3D Ilustración 16 - Ingeniería inversa [https://todo-3d.com/escaneado-3d/] 2.4.2 Diseño industrial y manufactura: Trabajan para el desarrollo de nuevos diseños, toma de medidas de objetos complejos y en la automatización del trabajo en instalaciones productivas haciendo de todo esto un proceso más sencillo. [9] Los modelos 3D se pueden calibrar y modificar con programas CAD/CAM para mejorar el diseño del producto, su desempeño o integrarlo en un nuevo sistema de producción. Sus principales aplicaciones se centran en: • Control de calidad • Elaboración rápida de prototipos • Industria aeroespacial 2.4.3 Cuidado de la salud: La medicina ha encontrado un gran amigo en esta tecnología, debido a que permite diseñar prótesis a medida, también dispositivos ortopédicos que requieren de una gran precisión y anatomía propia de cada paciente. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 20 | P á g i n a Sus principales aplicaciones se centran en prótesis, ortopedia, cirugía plástica, odontología y productos de apoyo. 2.4.4 Ciencia y educación: Esta tecnología está resultando ser una gran herramienta para las universidades, colegios y laboratorios debido a que permite estudiar distintas geometrías con un gran detalle y sin correr el riego de dañar la superficie sobre la que se trabaja. También está teniendo un gran desarrollo en la industria del cine y de los videojuegos, aunque su principal aplicación se centra en la investigación. Ilustración 17 - Escáner 3D de un dinosáurio en el Museo de Naturaleza y Ciencia de Denver [https://www.artec3d.com/es/cases/3d-scanning-one-piece-dinosaur-skeleton-minute-detail] 2.4.5 Arte y diseño: Los escáneres 3D nos permiten digitalizar monumentos antiguos, estatuas… para preservar copias exactas para la posteridad en caso de que sufran cualquier percance. Permite a los artistas llevar su imaginación a la realidad, guiando a la industria del cine y de los videojuegos a límites inimaginables. Sus principales aplicaciones se dan en: • Preservación del patrimonio histórico • Arquitectura • Moda • CGI → Imágenes generadas por computadora EII – Escuela de Ingenierías Industriales 21 | P á g i n a 2.5 Escáner 3D utilizado: Se va a utilizar un escáner 3D proporcionado por el distribuidor SHINING 3D ©, que corresponde al modelo EinScan-Pro. Se desarrollan a continuación alguna de sus características: 2.5.1 Características del escáner: Ilustración 18 - Escáner EinScan – Pro [https://www.einscan.com/handheld-scanner/einscan-pro/] Se adjunta en el Anexo [1] las diferentes características del modelo EinScanPro de Shining 3D ©. Es un escáner 3D multifuncional con diseño modular, que nos va a permitir transformar objetos reales en modelos 3D imprimibles de forma rápida y sencilla. Este escáner en modo manual es ideal para trabajar desde modelos pequeños hasta modelos grandes con las siguientes dimensiones: - Modelos pequeños: 150 mm de ancho por 150 mm de largo por 150 mm de alto. - Modelos grandes: 4000 mm de ancho por 4000 mm de largo por 4000 de alto. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 22 | P á g i n a 2.5.2 Modos del escáner: Este escáner cuenta con diferentes tipos de escaneado para las piezas en función de su tamaño: • Escaneo rápido portátil: Realiza un escaneo rápido de 10 tomas por segundo. Se utiliza para geometrías de gran tamaño como puede ser el cuerpo humano y esculturas. También cuenta con un escaneo portátil de alta definición HD, utilizado para cuerpos con muchos detalles. Ilustración 19 - Escaneo manual [https://www.einscan.com/handheld-scanner/einscan-pro/] • Auto escaneo: Cuenta con una mesa automática que nos permite realizar un escaneo de 360 grados en un tiempo de un minuto y medio. Su uso principal se da en piezas pequeñas. Ilustración 20 - Escaneo automático [https://www.einscan.com/handheld-scanner/einscan-pro/] • Escaneo fijo: El escaneo fijo se centra en el uso del trípode. Es compatible para distintas alineaciones. Ilustración 21 - Escaneo fijo [https://www.einscan.com/handheld-scanner/einscan-pro/] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 23 | P á g i n a 2.6 Verificación de los datos obtenidos con el escáner: ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Es necesario realizar una verificación de los datos obtenidos, para poder trabajar con resultados que no falseen la realidad e intentar minimizar los errores que podemos cometer al realizar el escaneado. Por lo que se van a comentar los principales factores que afectan al trabajo y a sus resultados. 2.6.1 Factores que afectan al análisis: Debemos de tener en cuenta ciertos factores que afectan a los resultados que obtenemos al realizar un escáner. Estos factores pueden ser ambientales, referidos al objeto escaneado o propios de la configuración y calibración del escáner. A continuación, se comentan aquellos que son más interesantes centrándonos en tres aspectos principales: [14] 2.6.1.1 Factores que afectan al objeto: • Morfología • Material de la superficie • Color de la pieza • Grado de transparencia • Brillo • Refracción • Reflexión 2.6.1.2 Factores que afectan al ambiente: • Iluminación • Viento • Niebla • Humo • Contaminantes • Humedad EII – Escuela de Ingenierías Industriales 24 | P á g i n a 2.6.1.3 Factores que afectan al escáner: • Enfoque y posición del proyector/cámara • Configuración y calibración del proyector • Brillo de la cámara • Distancia de trabajo Algunos de los factores mencionados anteriormente no tienen gran influencia para nuestro estudio, además el análisis por separado de cada factor y su relación con los demás supondría mucho tiempo de ensayos. Por lo tanto, podemos considerar despreciables el viento, la niebla, el humo, los contaminantes y la humedad, debido a que el análisis se va a realizar en una sala del laboratorio del Edificio Lucía en el Campus Miguel Delibes en Valladolid. Las diferentes pruebas que se han realizado con el escáner utilizando sus diferentes modos de escaneo, nos han permitido establecer una serie de condiciones para realizar un escaneo lo más correcto posible. A continuación, se describen aquellos factores que se han considerado más importantes: Iluminación ambiental: Se trata del factor ambiental más influyente. Debemos de ubicar el escáner en una zona con una iluminación adecuada, donde la intensidad sea media e indirecta. De esta forma evitaremos que se generen sombras sobre el objeto que se quiere analizar, minimizando posibles brillos y reflejos sobre la superficie que nos afecten a la digitalización. Material del objeto: Gracias a las distintas experiencias llevadas a cabo, se ha comprobado que aquellos materiales brillantes o reflectantes son difíciles de escanear debido a que crean brillos cuando el patrón actúa sobre la superficie. Frente a estos casos se ha utilizado un espray que se aplica sobre la superficie generando una capa de tiza, dotando al objeto de un acabado mate. De esta forma no se producen brillos ni reflejos y los resultados obtenidos son satisfactorios. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 25 | P á g i n a Ilustración 22 - Espray para digitalizar en 3D [Elaboración propia] Color del objeto: Las geometrías con colores oscuros pueden falsear los resultados, esto se produce porque los colores oscuros reflejan menos la cantidad de luz y, por lo tanto, la cámara no capta bien el patrón que índice en la superficie. Es recomendable disminuir el contraste para obtener un resultado definido. Las geometrías con colores claros pueden generar problemas en zonas de alta luminosidad por lo que es recomendable reducir el brillo hasta conseguir un contraste donde la imagen sea clara. Forma del objeto: Otro de los aspectos que más influyen en los resultados obtenidos es la forma del objeto a escanear porque puede contar con zonas ocultas que no se muestran, agujeros o huecos que muestran puntos en zonas donde no existe material. Para solucionar estos problemas podemos hacerlo de dos maneras: 1. Post-procesando el archivo obtenido mediante un software que nos permita limpiar la nube de puntos consiguiendo el mejor resultado posible. 2. Realizar varios escaneos del objeto en diferentes posiciones para obtener aquellas zonas que nos pueden causar problemas y alinearlos posteriormente para representar la geometría completa. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 26 | P á g i n a 2.6.2 Calibración del escáner: Uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta para obtener un buen resultado, es la calibración. La calibración debe de realizarse cada vez que cambiamos el escáner de entorno, si los resultados de forma sistemática no se corresponden con la realidad, en caso de que la iluminación de la zona de trabajo haya cambiado… Para el ajuste de nuestro instrumento contamos con una plancha de calibración que nos proporciona el fabricante. Esta plancha nos permite obtener los parámetros tanto intrínsecos como extrínsecos de la cámara y proyector. Ilustración 23 - Plancha de calibración [Elaboración propia] Los parámetros intrínsecos representan las características propias de la cámara (generalmente fijas) como pueden ser la longitud focal, punto de enfoque, factores de escalado… Los parámetros extrínsecos representan la ubicación espacial de la cámara respecto al sistema de coordenadas real como pueden ser la matriz de rotación, el vector de translación entre el entorno real y el sistema de referencia de la cámara… Estos parámetros se obtienen mediante la captura y procesamiento de patrones con características conocidas. El propio software del escáner cuenta con un wizard que nos va guiando en los pasos a seguir para una adecuada calibración: 1. Colocar la plancha de calibración encima de una zona plana, como puede ser una mesa. 2. Seleccionar en el software la pestaña de calibración, tendremos dos opciones, calibración de la cámara y calibración HD. Sólo nos interesa realizar la primera calibración porque es la que afecta a este proyecto. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 27 | P á g i n a 3. Colocamos el escáner orientado de forma perpendicular a la plancha de marcadores. Este proyecta sobre ella un haz de luz que debemos de situar en la diana del panel que se encuentra en su centro. Ilustración 24 – Calibración escáner 3D [Elaboración propia] 4. Una vez tengamos el escáner orientado a una distancia de unos 300 𝑚𝑚, debemos de ir alejándonos, respetando la orientación descrita anteriormente hasta una distancia de 450 𝑚𝑚 aproximadamente. 5. De esta forma se proyecta una secuencia patrón que permite obtener al software la posición, la orientación, la distancia a la plancha de marcadores y las características internas de la cámara. De forma análoga se obtienen las características de los proyectores. 6. Este proceso ha de realizarse de forma lenta y respetando la zona de la diana marcada en la plancha. Los siguientes pasos se realizan de la misma forma, pero cambiando de posición y de inclinación la plancha de marcadores. Para que la calibración sea satisfactoria ha de realizarse siempre de forma perpendicular a la zona base. De esta forma el escáner con la secuencia patrón calcula los distintos parámetros frente a las diferentes orientaciones utilizadas. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 34 | P á g i n a Ilustración 31 - Interfaz de inicio Gom Inspect [Elaboración propia] Una vez estemos dentro del proyecto, debemos de importar los archivos con los que vamos a trabajar. Primero hay que importar el archivo que vamos a utilizar de referencia: - Archivo / Importar / Seleccionamos la digitalización de referencia / Marcamos cuerpo CAD como tipo de elemento de destino. Ilustración 32 - Importación archivo en Gom Inspect [Elaboración propia] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 35 | P á g i n a Después de realizar esta operación, nos deberá de aparecer el archivo de referencia en color azul sobre el grupo de trabajo del software. Ilustración 33 - Modelo de referencia importado [Elaboración propia] De forma similar a la operación anterior, importamos los archivos escaneados de forma manual: - Archivo / Importar / Seleccionamos la digitalización de referencia / Marcamos malla como tipo de elemento de destino. Ilustración 34 - Cuerpo CAD y malla en Gom Inspect [Elaboración propia] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 36 | P á g i n a Como se puede observar en la ilustración anterior, los diferentes modelos aparecen sin alinear, es decir, sin tener un sistema de referencia común. Para solucionar este problema, realizamos la siguiente operación: - Borde superior derecho / Alineación principal / Prealineación / Seleccionamos el elemento CAD (modelo de referencia) y el elemento malla (modelo manual). Ilustración 35 - Alineación de los diferentes cuerpos [Elaboración propia] De esta forma el programa utiliza una serie de algoritmos para identificar puntos clave en los diferentes modelos, superponiendo uno encima de otro con un sistema de referencia común. El software nos permite determinar el tiempo a emplear en la alineación, seleccionaremos un tiempo medio para obtener un resultado adecuado. Debemos de realizar esta operación tantas veces como modelos se quieran comparar, tomando siempre como referencia el cuerpo CAD. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 37 | P á g i n a Por último, nos queda comparar los archivos digitalizados de forma manual con el digitalizado automáticamente. Para ello, tenemos que ir a la barra de herramientas del panel principal de trabajo: - Barra de herramientas / Comparativa de superficies / Comparativa de superficies en CAD / 10 mm de distancia máxima Ilustración 36 - Barra de herramientas Gom Inspect [Elaboración propia] Hay que realizar esta operación tantas veces como modelos se quieran comparar. En nuestro caso hemos realizado tres análisis. El programa nos crea la comparación de los dos archivos, para poder ver el resultado de forma adecuada, ocultamos el modelo referencia y manual desde el árbol de tareas realizadas (zona izquierda). Ilustración 37 - Comparación de los modelos [Elaboración propia] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 38 | P á g i n a El programa nos proporciona las diferentes desviaciones que ha encontrado, para ello nos muestra una escala de colores en función de la desviación calculada. También nos proporciona un histograma que muestra la curva de Gauss de los datos. Además, nos permite conocer la desviación media, así como los valores máximos y mínimos. A continuación, se muestran las diferentes comparaciones realizadas. Podemos poner etiquetas en las zonas que nos interese mostrando las diferentes desviaciones: - Barra de tareas / Inspección / Etiqueta de desviación / Control + Click derecho en la zona de interés También podemos modificar el rango de la escala en función de nuestro interés, hemos elegido ± 0,3 𝑚𝑚 porque es la exactitud con la que trabaja el modo manual. Comparación → Cuerpo CAD vs Malla 1 Ilustración 38 - Cuerpo CAD vs Malla 1 [Elaboración propia] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 39 | P á g i n a Comparación → Cuerpo CAD vs Malla 2 Ilustración 39 - Cuerpo CAD vs Malla 2 [Elaboración propia] Comparación → Cuerpo CAD vs Malla 3 Ilustración 40 - Cuerpo CAD vs Malla 3 [Elaboración propia] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 40 | P á g i n a 2.6.4.1 Conclusión del análisis con Gom Inspect: En la siguiente tabla, se muestran los diferentes valores obtenidos en las comparaciones: COMPARACIONES CUERPO CAD CON MALLA Desviación Media Máxima Mínima Comparación 1 0,0234 0,70 -0,65 Comparación 2 0,0135 0,22 -0,25 Comparación 3 0,0294 0,73 -0,74 Tabla 4 - Resultados con Gom Inspect [Elaboración propia] Como se puede ver en los resultados, las desviaciones medias tienen unos valores muy pequeños, esto es debido a que el escáner cuenta con una gran exactitud. Debemos de tener en cuenta que es un valor tan pequeño porque la mayoría de los puntos coinciden u ocupan casi la misma posición que la referencia. Las desviaciones más altas se dan en zonas donde el patrón no se puede proyectar de forma correcta sobre la superficie, como puede ser el hueco entre los dedos. No debemos de tener en cuenta la zona de la base de la mano del maniquí. Porque al exportar el archivo desde el propio software del escáner nos cierra el modelo de forma aleatoria en función de los puntos que haya recogido durante la digitalización. Por lo tanto, podemos determinar que el escáner se comporta de forma adecuada frente a los diferentes escaneos del mismo objeto. También comprobamos que casi todos los valores no superan 0,3 𝑚𝑚 de desviación, por lo que se puede verificar al igual que en el apartado anterior que los resultados que vamos a obtener en nuestro caso práctico serán adecuados. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 41 | P á g i n a 3 Diseño CAD para férula de miembro superior: ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 3.1 Introducción: Para poner a prueba todo lo explicado anteriormente vamos a llevar a cabo un caso práctico en el que vamos a diseñar una férula de inmovilización para una mano mediante impresión 3D. Para ello vamos a coger como modelo de trabajo mi mano, sobre la que hemos realizado un escáner 3D obteniendo la nube de puntos para su posterior tratamiento. Usaremos el propio software del escáner, Meshmixer © y Fusión 360 © de Autodesk para obtener su geometría en formato CAD. A la hora de diseñar una órtesis debemos de tener en cuenta ciertos aspectos relacionados con sus especificaciones. Hay que tener muy presente que son propias y personales, personalizadas para cada paciente y con una función concreta dependiendo del problema que se intenta abordar. 3.2 Especificaciones férulas: Este proyecto se centra en la inmovilización de la parte de la muñeca para un paciente que sufra una posible lesión o rotura en la zona. Una férula se centra en inmovilizar, sujetar o sostener las zonas afectadas, pero también se pueden utilizar para alinear y corregir deformidades, mejorando su función. De esta forma se ayuda a una mejor recuperación. 3.2.1 Aspectos importantes: A la hora de fabricar este tipo de férulas debemos de tener en cuenta una serie de factores, los principales son los siguientes: [16] La edad del paciente. La actividad diaria del paciente, intentando buscar la mayor comodidad posible. Tiempo de uso de la férula, ya sea de uso determinado (varias horas al día) o de uso temporal (semanas o meses). EII – Escuela de Ingenierías Industriales 42 | P á g i n a Tiempo y costo de fabricación. Resistencia al esfuerzo. Facilidad para el paciente, es decir, sencillez en su puesta y retirada. Diseño adecuado, según el paciente. Como poder combinar la férula con un programa de ejercicios para mejorar la recuperación, todo supervisado por un terapeuta. Situación en la que se encuentra el paciente. 3.2.2 Materiales con los que trabajar: También podemos combinar distintos tipos de materiales para mejorar la comodidad en el uso de estos métodos. Para ello podemos trabajar con los siguientes materiales buscando el confort del paciente: Materiales plásticos: PLA, PVA, TPU, PETG, ABS, Nylon… En nuestro caso hemos usado PETG, que es un material biocompatible. Acolchados de espuma: se pueden usar con o sin autoadhesivo para mejorar la comodidad en la zona interior de la férula o en aquellas zonas donde se podrían producir heridas o raspones. Velcros: trabajan como unión de las partes o para dar una cierta presión, dependiendo del tipo de férula que se vaya a utilizar. También se utilizan pletinas de aluminio, alambre acerado, elásticos de billetes de distintos grosores, remaches, neopreno, lycra, cuero sintético (tevenil)… pero no nos interesa porque no lo usaremos en este proyecto. 3.2.3 Principales lesiones: En la siguiente lista nos encontramos con las principales lesiones que podemos tratar con este tipo de férulas: [20] Artritis postraumática de muñeca Fractura de radio distal sin desplazamiento Fractura del carpo (escafoides) Fracturas metacarpianas sin desplazamiento Fracturas en rodete Fractura tallo verde Fractura epifisiolisis tipo I-II de radio distal Artritis postraumática de codo Fractura cabeza de radio sin desplazamiento Fractura suprametafisaria Fractura doble de antebrazo sin desplazamiento EII – Escuela de Ingenierías Industriales 43 | P á g i n a Rizartrosis del pulgar (por inmovilización de la articulación trapeciometacarpiana). Hay que tener presente en el diseño que la zona en la que se va a trabajar es probable que esté hinchada por la lesión, por lo que hay que buscar la comodidad del paciente. Todo esto siempre ha de realizarse con la supervisión de especialistas como traumatólogos, fisioterapeutas, ortopedas… 3.2.4 Objetivos de una férula impresa en 3D: Los variables diseños de las férulas impresas en 3D permiten establecer una serie de objetivos muy diversos que ayudan a mejorar la calidad de vida de las personas. Ilustración 41 - Férula de uso cotidiano [Elaboración propia] Por lo tanto, podemos establecer una serie de fines que debemos de buscar con el diseño: [21] Que sean livianas. Que se puedan mojar. A medida con una correcta adaptación a la anatomía. Que no produzcan irritación ni zonas de picazón. Personalizadas al gusto del paciente. Que sean cómodas. Que presenten mayor resistencia en puntos de interés. Sin bordes que puedan molestar. Que permitan la circulación del aire. Que puedan abrirse y cerrarse para revisar la evolución de la lesión. Permitir realizar electroestimulación para que el músculo no se atrofie y se mejoren los tiempos de recuperación. Estéticamente atractivas y novedosas. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 50 | P á g i n a Una vez tengamos la cruz orientada podemos utilizar diferentes tipos de alineación: • Dianas de la mesa giratoria • Geometría • Marcadores • Marcadores globales Cuando se trabaja con geometrías que tienen zonas ocultas, o que no se pueden digitalizar con un único escaneo, es necesario realizar varias digitalizaciones. El software alineará automáticamente la nube de puntos cada vez que se añade un escaneo. A veces, el programa no es capaz de alinear las nubes de puntos, para ello debemos de ir a la barra de herramientas y seleccionar alineación manual. Debemos de marcar tres puntos comunes en las dos nubes, de esta forma alinearemos los resultados a nuestro gusto. Ilustración 49 - Alineación con EinScan – Pro [Elaboración propia] Por último, sólo nos queda mallar el archivo, creando una malla cerrada y exportarla como .STL (formato que representa el modelo 3D con una superficie compuesta por triángulos), para trabajar posteriormente con ella. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 51 | P á g i n a 3.5.2 Digitalización manual: En primer lugar, debemos de seleccionar el modo manual del escáner. Una vez seleccionado el modo, procedemos a la digitalización. El programa permite previsualizar antes de empezar a escanear, esto nos permite modificar el contraste para elegir el adecuado antes de empezar. Para iniciar la obtención de la nube de puntos es necesario dar al botón de “play” que se encuentra en el escáner. Para obtener un buen resultado debemos de guiar el escáner lentamente cogiendo todas las zonas de interés y sin perder la señal de rastreo. En caso de perderla, debemos de buscar la zona donde se dejó de digitalizar para recuperarla. Ilustración 50 - Digitalización 3D de la mano [Elaboración propia] La zona con la que más problemas se ha tenido es la parte del brazo donde hay más vello, porque este refleja el patrón de luz creando zonas falsas que no corresponden a la realidad. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 52 | P á g i n a 3.5.3 Tratamiento de datos: Tras haber realizado la primera digitalización, podemos eliminar aquellas zonas de la nube de puntos que no nos interesen o que hayan salido mal. Ilustración 51 - Herramientas software EinScan – Pro [Elaboración propia] Estas herramientas nos permiten deshacer, seleccionar la zona de interés, revertir la zona seleccionada o borrar la zona que no nos interese. Ilustración 52 - Selección de la zona de interés [Elaboración propia] Cuando tengamos seleccionada la parte que nos interesa sólo tenemos que crear la nube de puntos. El programa nos permite priorizar en calidad o en velocidad. Para obtener mejor resultados seleccionamos calidad, aunque el proceso será más lento. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 53 | P á g i n a Ilustración 53 - Generación de la nube de puntos [Elaboración propia] El software permite cerrar el modelo o dejarlo abierto. Para nuestro estudio esto no nos afecta, aunque elegiremos modelo cerrado para mayor comodidad. Sólo nos queda exportar el archivo, para ello pinchamos en el símbolo de guardar marcando las casillas suavizar y afilar para obtener el mejor acabado posible. Ilustración 54 - Suavizar y afilar el archivo [Elaboración propia] Por último, sólo nos queda marcar la casilla de archivo .STL para poder imprimirlo en 3D directamente o modificarlo con otros programas, como se va a realizar en este proyecto. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 54 | P á g i n a 3.6 Análisis y corrección de la malla: Para una primera corrección del archivo exportado, hemos utilizado Meshmixer ©, que nos permite obtener un archivo limpio de forma rápida y sencilla. Ilustración 55 - Archivo .STL exportado del software del escáner 3D [Elaboración propia] Como se puede apreciar en la imagen, aunque el resultado obtenido del programa del propio escáner es bastante aceptable, vemos que en la zona de la parte inferior del brazo tiene problemas para obtener un resultado adecuado. Esto es debido a lo comentado en el apartado anterior, producido por el vello del brazo. Para solucionar este problema utilizamos el siguiente comando del programa Meshmixer, dejando por defecto los valores que nos da el programa de fuerza, tamaño y profundidad: - Sculpt / Brushes / ShrinkSmooth / Recorrer con el pincel las zonas a corregir Ilustración 56 - Interfaz Meshmixer [Elaboración propia] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 55 | P á g i n a A continuación, se muestra el resultado de aplicar la corrección en la zona afectada, para alisar aquellas partes que no han salido bien. Ilustración 57 - Resultado de aplicar ShrinkSmooth [Elaboración Propia] Todavía podemos mejorar el archivo aplicando un refinamiento de la zona, para ello actuamos de forma similar a la anterior: - Sculpt / Brushes / Refine / Pasamos el pincel por las zonas a corregir El resultado obtenido es el siguiente, donde se observa que la zona en la que se había tenido problemas queda lisa y con la geometría deseada: Ilustración 58 - Refinamiento con Meshmixer [Elaboración propia] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 56 | P á g i n a 3.7 Tratamiento con Fusion 360: 3.7.1 Importación del mallado: A través de Meshmixer obtenemos el archivo en formato STL. corregido, para realizar la primera parte del proceso utilizamos el módulo de Fusion 360 → Mesh. En primer lugar, tenemos que abrir el archivo con el que vamos a trabajar: - Abrir Fusion 360 / File / Open / Open from my computer / Seleccionamos el archivo que deseamos. Para seleccionar el módulo Mesh, sólo tenemos que cambiar el espacio de trabajo al que nos interesa. Ilustración 59 - Mesh Workspace [Elaboración propia] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 57 | P á g i n a 3.7.2 Análisis y tratamiento de mallas: Una vez importado el archivo, nos encontramos con una malla formada por un gran número de triángulos que representan la mano escaneada: Ilustración 60 - Archivo importado en Fusion 360 [Elaboración propia] En ocasiones la malla con la que trabajamos es demasiado densa por lo que tenemos que reducir el número de triángulos. Esto sirve para poder manipular mejor la malla y reducir su tamaño en referencia a la memoria que necesita el ordenador. Lo único que tenemos que hacer desde el espacio de trabajo Mesh, es lo siguiente: - Mesh Workspace / Seleccionar el cuerpo completo / Modify / Reduce. El programa nos permite seleccionar la densidad con la que se quiere reducir, lo más común es aplicar un valor entre 0,1 – 0,25 de su valor real. Es decir, si aplicamos una densidad de 0,1 nos quedamos con un 10% de los triángulos que teníamos inicialmente. El programa nos deja elegir el tipo de reducción a aplicar, pudiendo ser de tipo adaptada o uniforme. En nuestro caso nos interesa que sea adaptada para que el resultado sea lo más adecuado posible. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 58 | P á g i n a Ilustración 61 - Densidad del mallado [Elaboración propia] Una vez hemos reducido la malla, tenemos que cortarla según la zona con la que vamos a trabajar, para ello desde Mesh: - Mesh Workspace / Modify / Plane Cut Seleccionamos la malla sobre la que se va a actuar, el tipo de corte que deseamos borrando la parte que no nos interesa y el relleno que se utiliza en el corte. Ilustración 62 – Plano de corte de la malla [Elaboración propia] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 59 | P á g i n a El resultado después de aplicar los planos de corte para quedarnos con la zona de interés es el siguiente: Ilustración 63 - Zona de interés de la mano [Elaboración propia] 3.7.3 Generación de contornos: Para obtener el contorno sobre el que se va a generar el modelo sólido de la férula tenemos que realizar la siguiente operación: - Model Workspace / Sketch / Mesh / Create Mesh Section Sketch Ilustración 64 – Create Mesh Section Sketch [Elaboración propia] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 66 | P á g i n a 3.7.7 Espesor de la malla: Cuando hemos unido las superficies del modelo, sólo tenemos que dotarlas de un cierto espesor, en nuestro caso serán 5 mm que es una medida óptima para el resultado que queremos obtener. Para dar el espesor tenemos que utilizar el siguiente comando: - Sculpt Workspace / Modify / Thicken / Seleccionamos la superficie / Marcamos el espesor desado Ilustración 77 - Molde mallado [Elaboración propia] El propio programa nos da la opción de que el espesor quede de forma redondeada o de forma rectangular. Se ha dado un espesor redondeado debido a que proporciona un aspecto más estético. Nota: Es conveniente dar un espesor sin relleno de la superficie de unos 2,5 𝑚𝑚 y después aplicar el espesor con relleno del material. Este espesor dotará a la férula de una cierta holgura que permitirá colocar una espuma autoadhesiva para mayor comodidad. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 67 | P á g i n a 3.7.8 Conversión de la malla en sólido: Para poder exportar el archivo en formato .STL debemos de convertir las superficies en sólido: - Sculpt Workspace / Utilities / Convert / Converts T-Spline face to a BRep face En ocasiones, el programa no es capaz de realizar esta operación porque al dar el espesor algunas de las superficies se superponen unas con otras, impidiendo crear un sólido completo. Esto lo podemos solucionar subdividiendo los bordes de conflicto que nos determinará el programa o generando contornos más juntos buscando una mayor precisión en la forma. Ilustración 78 - Superposición de T-Splines [Elaboración propia] En la ilustración 76 se muestran los bordes que están superpuestos generando el problema. El comando para subdividir las mallas que nos causan este problema es el siguiente: - Sculpt Workspace / Modify / Subdivide / Seleccionamos las mallas de conflicto EII – Escuela de Ingenierías Industriales 68 | P á g i n a Una vez hemos subdividido las mallas, repetimos el comando descrito al comienzo de este apartado para obtener el modelo sólido. Este modelo podría exportarse directamente en .STL para su impresión 3D, aunque en nuestro caso se modificará. Ilustración 79 - Modelo sólido [Elaboración propia] 3.7.9 Elección de cierres: Para poder fijarnos la férula a la mano tenemos que dividirla en dos mitades y montar unos cierres adecuados. Se han diseñado el siguiente modelo que se adapta a nuestros objetivos. Se explicará con detalle el diseño del cierre que se ha considerado más efectivo. 3.7.9.1 Unión por cierres circulares: Estos cierres tienen un diseño sencillo y rápido que nos proporcionan un ajuste adecuado a los objetivos que buscamos. En primer lugar, tenemos que diseñar el cierre, se trata de una anilla circular que se va a introducir en una zona saliente que se añadirá a la férula. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 69 | P á g i n a Ilustración 80 - Cierre circular [Elaboración propia] El saliente tiene forma circular con unas pestañas que se encargan de bloquear la anilla una vez que se introduce en la rendija y se gira. Sus medidas pueden variar en función de la zona donde se deseen colocar. Una vez tenemos la zona saliente y el cierre diseñados pasamos a trabajar con el modelo sólido de la férula. La ventaja que nos ofrecen estos cierres es que nos permiten situarlos en la férula en un mismo plano. Esto es provechoso a la hora de imprimir porque no se necesita material soporte para las primeras capas. Creamos un plano en la zona media de la férula por donde será dividida en dos con el siguiente comando: - Model Workspace / Modify / Split Body / Seleccionamos el cuerpo que deseamos cortar y el plano de corte que deseemos. Ilustración 81 - Férula con plano de corte [Elaboración propia] Cierre circular Saliente de la férula Plano de corte EII – Escuela de Ingenierías Industriales 70 | P á g i n a Vamos a colocar tres salientes por cada parte. Esta operación se puede realizar de varias formas. Para no complicarnos, hemos copiado el saliente en la misma zona de trabajo de la férula, orientándolo según nuestro interés y lo hemos combinado con ella. - Model Workspace / Modify / Combine / Seleccionamos los cuerpos que deseamos combinar (férula + saliente). Ilustración 82 – Combinación férula - cierre [Elaboración propia] El resultado de colocar todos los salientes en la férula en las zonas de interés es el siguiente: Ilustración 83 - Férula con cierres circulares [Elaboración propia] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 71 | P á g i n a Por último, sólo nos queda eliminar parte sólida de la férula para obtener un diseño más estético y menos pesado. Para modelar curvas, polígonos… en una superficie tenemos que llevar a cabo las siguientes operaciones: 1. Crear un plano lo más tangente posible a la superficie seleccionando: Model Workspace / Construct / Tangent Plane o Offset Plane / Colocamos el plano lo más tangente posible. Ilustración 84 - Plano tangente a la superficie [Elaboración propia] 2. Crear la geometría que nos interesa plasmar en el plano tangente y proyectarla sobre la superficie: Model Workspace / Skecth / Project / Project to surface. Ilustración 85 - Proyección sobre superficie [Elaboración propia] 3. Una vez tengamos las geometrías proyectadas tenemos que hacer que formen parte del sólido: Model Workspace / Modify / Split Face / Seleccionamos el cuerpo y la proyección. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 72 | P á g i n a Nota: Si se trabajan con diferentes geometrías en los skecths, habrá que realizar la proyección de estos de forma individual uno a uno. Como alternativa se puede realizar una extrusión negativa seleccionando todas a la vez, pero se obtienen peores resultados. 4. Por último, sólo tenemos que hacer una extrusión negativa de la proyección sobre el molde para eliminar el material que no nos interesa: Model Workspace / Modify / Press Pull / Seleccionamos superficie que queremos extruir. Ilustración 86 - Extrusión de la proyección [Elaboración propia] Se pueden crear distintas formas para hacer la férula más ligera, se muestra a continuación un modelo con panel de abeja. Ilustración 87 - Férula con formas aleatorias [Elaboración propia] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 73 | P á g i n a 3.8 Principales fabricantes de férulas mediante impresión 3D: A continuación, se describen brevemente los principales fabricantes de este tipo de férulas en España. 3.8.1 Fiixit Orthotic Lab ©: Se trata de una startup malagueña que está desarrollado férulas de inmovilización con un diseño adaptativo y ergonómico gracias a la impresión 3D. Ilustración 88 - Férula Fiixit [https://andalucia.openfuture.org/blog/notas-de-prensa/startups-que-innovan-sector-la-salud/] Las férulas se adaptan a cada paciente, y son personalizables, de un material compatible con el contacto de la piel, transpirables, ligeras y sumergibles. También colaboran con traumatólogos, fisioterapeutas y ortopedas para obtener los mejores resultados posibles. [17] Podemos destacar que sus procesos cumplen con la norma ISO 13485, se trata de una norma acordada internacionalmente que establece los requisitos para un sistema de gestión de calidad específico para la industria de dispositivos médicos. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 74 | P á g i n a 3.8.2 Xkelet ©: Xkelet es una empresa catalana que ha desarrollado férulas mediante impresión 3D personalizadas para cada paciente y destinadas para inmovilizaciones post-traumáticas y terapéuticas. También han desarrollado una app, XKApp que facilita el escáner de la extremidad y la conversión del modelo digital a una pieza final de plástico. Esta app permite elegir el sistema de cierre, el color y la disposición de las aberturas para las curas si es necesario. Ilustración 89 - Férula Xkelet [https://www.xkelet.com/] Para la unión de las dos partes de la férula en caso de que fuera necesario, utilizan O-Ring o junta tórica. Se trata de una junta de forma toroidal, habitualmente de goma, cuya función es asegurar la unión entre las diferentes piezas para la inmovilización. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 75 | P á g i n a 3.8.3 Exovite ©: Exovite es un grupo de especialistas que trabaja en el desarrollo de férulas ergonómicas adaptadas a las necesidades de cada paciente, siendo cada una única y personalizada garantizando así su comodidad y efectividad. Trabajan con materiales biocompatibles, por lo que son amigables con la piel. [19] Ilustración 90 - Férula Exovite [http://www.exovite.com/es/tag/ferula/] Trabajan con su propio programa, Exoscan con el que escanean el área afectada y generan una férula a medida que posteriormente imprimen en 3D. Esta empresa también está especializada en el desarrollo de férulas para animales, para ayudar en su bienestar. Ilustración 91 - Férula para animales [http://www.exovite.com/es/2017/03/23/exovite-en-iberzoopropet17/] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 82 | P á g i n a Como principal característica podemos señalar su estabilidad térmica. También podemos decir de él, que es incoloro y no tóxico. Como aspecto negativo podemos decir que se trata de un material higroscópico, por lo que tenemos que controlar su humedad para mantenerla por debajo del 55% de humedad relativa. También tenemos que mantener el filamento a una temperatura inferior a 28 º C. [13] Para poder tener todos estos aspectos controlados, el laboratorio donde se están llevando a cabo las impresiones 3D, cuenta con unas cajas herméticas para que los filamentos no se vean afectados por lo comentado anteriormente. 4.4 Resultados obtenidos de la impresión 3D: A continuación, se muestra el resultado obtenido del diseño de la férula descrita en el apartado 2: Ilustración 99 - Férulas impresas en 3D [Elaboración propia] EII – Escuela de Ingenierías Industriales 83 | P á g i n a Esta férula se ha impreso de forma horizontal apoyando el plano de corte en la cama de calor, por lo que se ha necesitado de material soporte. Se ha elegido esta orientación porque si imprimimos en el eje Z se necesita más soporte encareciendo la impresión. Además, los soportes de PVA tendrían que alcanzar mayor altura y causarían problemas. Ilustración 100 - Férula final [Elaboración propia] Se puede dar por satisfactoria la precisión dimensional esperada porque como se ve en las fotos la férula ajusta perfectamente a la superficie de la mano. Cabe destacar que es preferible dotar a la zona interior de una pequeña holgura que proporcione mayor comodidad al usuario pudiendo añadir una espuma. Fuera del alcance de este proyecto se han llevado a cabo diferentes tipos de férulas, diseñando distintos prototipos con variedad de cierres evaluando cual es el más apropiado para la fijación de la férula y para la comodidad del usuario. Además, se han desarrollado férulas que no necesitan de material soporte, de esta forma podemos imprimir en el eje Z obteniendo un mejor acabado superficial y reduciendo el precio de fabricación. Aunque el tiempo de elaboración es mayor porque es necesario reducir la velocidad de impresión y aumentar la velocidad de los ventiladores de los extrusores para que el material solidifique más rápido. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 84 | P á g i n a EII – Escuela de Ingenierías Industriales 85 | P á g i n a 5 Conclusiones: ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ En primer lugar, es importante destacar la viabilidad para la fabricación de férulas para extremidades superiores mediante el uso de escáner e impresión 3D. Las principales ventajas obtenidas a través de este tipo de fabricación tienen relación con el diseño personalizado para cada paciente, y de menor peso y más higiénicos que las escayolas tradicionales. Respecto a la digitalización 3D, podemos decir que los datos que proporciona corresponden a la realidad dentro de los parámetros de exactitud que nos da previamente el fabricante. Aunque algunas de las medidas obtenidas están fuera del rango de precisión, podemos decir que la verificación dimensional es satisfactoria ya que también hay que considerar que la propia persona comete cierto error al medir. El objeto de este análisis no está centrado en obtener la mejor exactitud posible, únicamente se centra en corroborar que los datos obtenidos son muy similares a la realidad. A su vez, se ha comprobado que el escáner digitaliza resultados casi idénticos, comparando distintos escaneos de un mismo modelo frente a una digitalización de referencia. También podemos reafirmar la versatilidad que se alcanza con la impresión por FDM ©, obteniendo piezas de geometrías complejas pudiendo trabajar con diferentes tipos de materiales. Por tanto, se puede decir que es una de las principales tecnologías que permite fabricar productos ergonómicos y resistentes. Asimismo, es importante tener presente los aspectos geométricos en el diseño para impresión 3D. Nos permiten obtener modelos en los que no es necesario material soporte con mejores acabados superficiales. Por lo que podemos destacar como aspectos más importantes, la orientación de la pieza a la hora de imprimir, que nos determinará el acabado superficial y su resistencia mecánica, y la regla de los 45º para imprimir sin soporte. Además, hemos comprobado que el software que nos proporciona Autodesk © permite trabajar con superficies muy complejas y es adecuado para realizar este tipo de férulas, aunque hay otros programas que nos podrían facilitar el trabajo. Finalmente, podemos concluir que se cumple el objetivo de esta tecnología, que permite combinar el uso de los datos obtenidos por el escáner 3D con los programas CAD y su posterior impresión. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 86 | P á g i n a EII – Escuela de Ingenierías Industriales 87 | P á g i n a 6 Líneas futuras: ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ A continuación, se proponen algunas de las posibles líneas futuras que se quieren seguir en relación con este proyecto: • Proceso alternativo de diseño: Este proyecto se ha realizado con Fusion 360 de Autodesk ©. En el mercado se cuenta con gran cantidad de softwares que nos permiten trabajar con superficies. Se puede estudiar el modelado de estas superficies exponiendo diferentes alternativas de trabajo. • Acortar tiempos de diseño: La idea es que el desarrollo futuro de estas férulas pueda venir dado de forma automática por el programa. Es decir, a partir de un escáner 3D de la zona afectada de la mano, obtener mediante unos parámetros por defecto una primera férula. • Diferentes materiales: Uso de materiales con diferentes propiedades para poder elaborar distintos tipos de férulas. • Optimización del proceso de impresión: Es interesante poder optimizar el proceso de impresión para trabajar con el menor material soporte posible, obteniendo buenos resultados. El soporte es la parte más cara de la impresión y donde se pueden encontrar los mayores problemas. • Parámetros de impresión: Para este proyecto no hemos realizado un estudio de los diferentes parámetros que podemos modificar para imprimir. Sería interesante realizar un estudio en profundidad de sus parámetros para obtener la combinación más adecuada, conservando su resistencia mecánica. • Optimización topológica: Otro de los aspectos en los que se puede trabajar es en el futuro es como mantener sus propiedades mecánicas reduciendo su masa lo máximo posible. • Trabajo con ortopedias: Si los resultados son satisfactorios, se puede presentar el trabajo a distintas ortopedias. • Estructura para el escáner: Lo ideal para realizar el escaneo de las zonas afectadas, ya sean las extremidades superiores o inferiores, sería tener una estructura controlada por un motor con un par de rotación que permita el giro de 360º para escanear así toda la zona. EII – Escuela de Ingenierías Industriales 88 | P á g i n a EII – Escuela de Ingenierías Industriales 89 | P á g i n a BIBLIOGRAFÍA: [1] → 3D RiskMapping, Teoría y práctica del escaneado láser terrestre – Lerma García, J.L.; Biosca Tarongers, J.M. (2008) – Consulta 01/06/2019 [2] → https://www.3dhub.es/escaneado-digitalizado-3d/ - Escaneado 3D – Consulta el 15/04/2019 [3] → Jorge Adán Romero Guerrero / José Luis Cuellar Vázquez – Estudio comparativo entre las tecnologías de escaneo laser terrestre [4] → Fabio Romeral Pérez – TFG – Flujo de trabajo en proyectos de modelización 3D con equipo láser escáner – Universidad Politécnica de Madrid [5] → Ainara Contreras Echebarria – TFG – Obtención del modelo 3D de la azotea de la escuela técnica superior de ingenieros de telecomunicación de la UPM, mediante tecnología escáner 3D – Universidad Politécnica de Madrid [6] → Fernando Manteca Fernández – TFG – Generación de modelos 3D mediante luz estructurada – Universidad de Cantabria [7] → Miguel Ángel Morillo Romero – TFG - Digitalización 3D con escáner de luz estructurada aplicada al área de la gestión de calidad y la conservación del patrimonio histórico – artístico – Universidad Politécnica de Madrid [8] → Jason Geng – Structured-light 3D Surface imaging [9] → https://www.artec3d.com/es/cases - Principales aplicaciones escáner 3D – Consulta el 16/04/2019 [10] → https://www.3dnatives.com/es/modelado-por-deposicionfundida29072015/ - Modelado por deposición fundida – Consulta el 20/04/2019 [11] → Enrique Pérez Mendoza – TFG – Uso de impresión 3D bicomponente para la fabricación de una empuñadura a medida – Universidad de Valladolid [12] → https://filament2print.com/gb/copolyesters-pet/735-smartfilpetg.html - PETG de Smartfil – Consulta 21/04/2019 [13] → https://ultimaker.com/download/67873/TDS%20PVA%20v3.010-spaES.pdf – PVA de Ultimaker – Consulta 21/04/2019 [14] → Carlos Morón Alguacil – TFG – Metodología de trabajo conjunto de escaneado e impresión 3D – Universidad Politécnica de Madrid EII – Escuela de Ingenierías Industriales 90 | P á g i n a [15] → https://anestesiar.org/2016/la-escopeta-feria-error-aleatoriosistematico/ - Error aleatorio y sistemático – Consulta 18/05/2019 [16] → Manual de Órtesis – Hospital del Trabajador ACHS– Terapia Ocupacional (Departamento de Rehabilitación) [17] → https://andalucia.openfuture.org/blog/notas-de-prensa/startups-queinnovan-sector-la-salud/ - Fiixit – Consulta 19/03/2019 [18] → https://entresd.es/blog/xkelet-la-alternativa-3d-al-yeso/ - Xkelet – Consulta 19/03/2019 [19] → http://www.exovite.com/es/exovite-es/ - Exovite – Consulta 19/03/2019 [20] → https://fiixit.es/ - Fiixit – Consulta 30/05/2019 [21] → https://trimaker.com/adios-al-yeso-ferulas-impresas-en-3d/ - Trimaker – Consulta 30/05/2019 [22] → http://revistas.sena.edu.co/index.php/inf_tec/article/view/799/883 - Técnica de luz estructurada – Consulta 30/05/2019 [23] → https://soporte-trimaker.zendesk.com/hc/es/articles/210295488Aspectos-de-dise%C3%B1o – Aspectos de diseño para impresión 3D – Consulta 30/05/2019 EII – Escuela de Ingenierías Industriales 91 | P á g i n a ANEXOS: Anexo 1: Características EinScan-Pro Especificaciones técnicas y propiedades de EinScan-Pro Modelo EinScan-Pro Modo de escaneo Escáner de mano HD Exploración rápida de mano Escaneo automático Escáner fijo Exactitud de disparo único 0.1 mm 0.3 mm 0.05 mm 0.05 mm Velocidad de escaneo 90,000 puntos / seg 550,000 puntos / seg Escaneo único: <2s Escaneo único: <2s Distancia del punto 0.5 - 3 mm 0.7 - 3 mm 0.16 mm 0.16 mm Tamaño recomendado del objeto escaneado 30 - 4000 mm 150 - 4000 mm 30 - 150 mm 30 - 4000 mm Modo Alinear Marcadores Característica, Marcadores Marcadores, Característica, Plato giratorio, Manual, Objetivos codificados Marcadores, característica, alineación manual Escaneo de textura No Sí (con Color Pack) Sí (con Color Pack) Sí (con Color Pack) Operación al aire libre No (Evite la luz solar directa) Objeto de escaneo especial Para un objeto transparente, reflejante u oscuro, rocíe con polvo antes de escanear Rango de escaneo único 210 x 150 mm Fuente de luz LED de luz blanca Salida de datos imprimibles Sí Formato de archivo OBJ, STL, ASC, PLY Capacidad de carga de la placa giratoria 5 kg EII – Escuela de Ingenierías Industriales 98 | P á g i n a EII – Escuela de Ingenierías Industriales 99 | P á g i n a EII – Escuela de Ingenierías Industriales 100 | P á g i n a