ROME REHABILITATION 20147/8 giugno 2014 Presidente: Prof. Valter Santilli
Materiali compositi nelle realizzazioni custom deidispositivi medici funzionali
Giuseppe TOMBOLINI
Dispositivo medico funzionale
Presidio applicabile a uno o più segmenti corporei, come correttivo
funzionale che migliori appunto la funzione di parti mobili del corpo
Utilizzarlo con un unico scopo :
Raggiungere il miglior livello possibile di autonomia
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Scienze dei materiali
La continua evoluzione ha portato l’introduzione di materiali sempre più performanti, resistenti, leggeri e con alto grado di bio-compatibilità;
L’attenzione verso le Scienze dei Materiali, rende possibili oggi la produzione di dispositivi altamente innovativi
Scienza dei materiali
DISCIPLINA CHE STUDIA IL RAPPORTO TRA LA STRUTTURA DEL MATERIALE, A LIVELLO ATOMICO O MOLECOLARE, E LE SUE PROPRIETA
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Materiali di ieri
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Tre classi di materiali �MATERIALI METALLICI
COMPOSTI DA UNO O PIU’ ELEMENTI METALLICI (LEGHE).
�MATERIALI POLIMERICI
MATERIE PLASTICHE, MATERIALI ORGANICI COMPOSTI DA LUNGHE MATERIE PLASTICHE, MATERIALI ORGANICI COMPOSTI DA LUNGHE CATENE MOLECOLARI,FORMATE PRINCIPALMENTE DA ATOMI DI CARBONIO.
�MATERIALI CERAMICI
MATERIALI INORGANICI COSTITUITI DA ELEMENTI METALLICI E NON LEGATI FRA LORO IN RAPPORTI COSTANTI.
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Quarta classe di materiali
�MATERIALI COMPOSITI:
OTTENUTI COMBINANDO MATERIALI DIVERSI ALLO SCOPO DI OTTIMIZZARE SPECIFICHE CARATTERISTICHEOTTIMIZZARE SPECIFICHE CARATTERISTICHE
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ChimicheMeccaniche TecnologicheFisiche
Riguardano i fenomeni che si
Indicano l’attitudine di un
Indicano l’attitudine di un
Si riferiscono alle caratteristiche
Proprietà dei materiali
Tra le quali:
- Massa volumica
- Dilatazione termica
- Capacità termica massica (calore specifico)
- Conducibilità termica
- Conducibilità elettrica
fenomeni che si producono fra il materiale in considerazione e l’ambiente in cui esso è posto
Distinguiamo due aspetti:
1. Aspetti utili per il materiale (cromatura, decapaggio, ecc..)
2. Aspetti dannosiper il materiale (corrosione)
l’attitudine di un materiale a resistere alle sollecitazioni esterne che tendono a deformarlo
SOLLECITAZIONI
• Statica
• Dinamica
• A fatica
DEFORMAZIONI
• Elastiche
• Permanenti
l’attitudine di un materiale ad essere lavorato in un dato modo
Si distinguono:
-Plasticità
-Duttilità
-Malleabilità
-Fusibilità
-Saldabilità
-Truciolabilità
-Temprabilità
caratteristiche generali della materia
Proprietà meccaniche
Le proprietà meccaniche riguardano le capacità dei materiali di resistere alle sollecitazioni dovute all’azione di forze sollecitazioni dovute all’azione di forze applicate dall’esterno, che tendono a modificare la forma e le dimensioni.
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Forze statiche
Sono quelle la cui applicazione è graduale e continua ( o soggette a lente variazioni ).
Il comportamento del materiale a queste sollecitazioni viene definito come resistenza alle deformazioni. come resistenza alle deformazioni.
In base alla direzione di applicazione, queste forze possono indurre a sollecitazioni di:
compressione, trazione, flessione, torsione e taglio.
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Forze dinamiche
Le forze dinamiche sono quelle che vengono applicate per periodi brevissimi, dell’ordine di grandezza del decimo di secondo.
La resistenza dei materiali alle forze dinamiche, dette anche Urti, viene
Resilienzadefinita Resilienza
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Forze periodiche
Le forze Periodiche sono quelle che agiscono in modo discontinuo, con frequenza che può essere costante o irregolare. Il comportamento del materiale a queste sollecitazioni, viene definito come resistenza a fatica.
Resistenza alla fatica non è altro che la capacità di sopportare sforzi Resistenza alla fatica non è altro che la capacità di sopportare sforzi ripetuti
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Forze di attrito
Le forze di attrito sono quelle che si manifestano tra due superfici a contatto in movimento reciproco. Se il moto reciproco è di scorrimento, l’attrito si chiama radente, se invece è di rotazione, l’attrito è volvente.
Il comportamento del materiale a queste sollecitazioni, viene definito Il comportamento del materiale a queste sollecitazioni, viene definito come resistenza all’usura.
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Forze concentrate
Si dicono forze concentrate, quelle forze che vengono applicate in zone ristrette dell’oggetto.
La resistenza che i materiali oppongono a questo tipo di forze applicate
in zone ristrette o puntiformi, è detta Durezza.
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Verifica della forza muscolare
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Forza estensione del ginocchio Forza estensione dell‘anca
Forza estensione dorsale della T.T. Controllo dell‘iperestensione del ginocchio
Classificazione della forza muscolare
0= nessuna contrazione muscolare visibile e/o palpabile – paralisi completa
1= contrazione muscolare lieve –e/o palpabile
2= contrazione muscolare visibile, il movimento completo è eseguibile in assenza di forza di gravitàassenza di forza di gravità
3= movimento completo del muscolo contro la forza di gravità
4= mantenimento della posizione di prova contro una resistenza da bassa a media
5= mantenimento della posizione di prova contro una resistenza massima
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Orientamento di massima nella scelta dell‘ortesi
AFO : Perdita/Danneggiamento di ungruppo dei muscoli estensori
KAFO con arresto dorsale e arretramento del ginocchio: Perdita/Danneggiamento di 2 gruppi di muscoli
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KAFO con ginocchio bloccato :Perdita completa del fascio muscolare
KAFO con articolazioni a controllo della fase statica (SCO)
Quali caratteristiche deve avere un’ortesi?
�stabilizzare un’articolazione
�sostenere uno o più segmenti dell’apparato muscolo-scheletrico
�consentire il movimento riducendo il più possibile il dispendio energeticoconsentire il movimento riducendo il più possibile il dispendio energetico
�Avere un minimo ingombro
�Esteticamente accettabile
�Costruita in un materiale resistente ma al tempo stesso leggero
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Estetica dell’ortesi
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Cosa sono i materiali compositi?
Sono materiali costituiti dall’unione di due costituenti generalmente
distinti in :
�Matrice
�Fibre
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Materiali compositi
Il concetto chiave dei compositi è quello di unire 2 o più materiali con
caratteristiche diverse, che da soli non hanno un grande pregio ma che
uniti esaltano le loro proprietà;
Le fibre di rinforzo hanno proprietà meccaniche nettamente migliori del
materiale massivo, sia come resistenza sia come rigidezza;
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L’unione fa la forza
Cosa sono i materiali compositi?
Generalmente i materiali compositi sono impiegati sotto forma di corpi
bidimensionali e per quanto riguarda il loro comportamento meccanico si possono
dividere in :
�Compositi a fibra corta : le fibre sono disperse in una matrice isotropa e il�Compositi a fibra corta : le fibre sono disperse in una matrice isotropa e il
comportamento meccanico è isotropo;
�Compositi a fibra lunga: le fibre sono disposte in modo ordinato e orientato in una
matrice isotropa e il comportamento meccanico è anisotropo;
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ISOTROPIA e ANISOTROPIA
In meccanica l’isotropia di un materiale è la capacità di resistere a determinati sforzi indipendentemente dal loro verso di applicazione
Due bambini alle prese con un materiale isotropo: avranno
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L’anisotropia è la proprietà per la quale un materiale ha caratteristiche che dipendono dalla direzione lungo la quale vengonodisposte
Due bambini alle prese con un materiale isotropo: avranno
le stesse difficoltà tirandolo e comprimendolo.
Compito delle matriciLa matrice assolve ad alcune tipiche funzioni:
�Funzione di collegamento delle fibre (le fibre sono mantenute stabili nella loro geometria e posizione).
�Funzione di separazione delle fibre (le fibre lavorano come elementi separati).
�Protezione delle fibre dall’ambiente circostante.
�Bloccaggio di eventuali cricche insorte nelle fibre
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Matrici plastiche
Le matrici possono essere divise in :
Matrici plastiche: E’ il gruppo più variegato e attualmente più utilizzato.Matrici plastiche: E’ il gruppo più variegato e attualmente più utilizzato.
Sono impiegate fino a 150°C. Si dividono in due tipologie fondamentali:
Termoindurenti e Termoplastiche.
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.
Matrici termoindurenti
Matrici Termoindurenti: Sono liquidi densi a temperatura
ambiente.
Assumono lo stato solido quando sono portate ad una certa Assumono lo stato solido quando sono portate ad una certa temperatura, definita temperatura di polimerizzazione.
Le resine termoindurenti più impiegate: epossidiche, poliestere, vinilestere, fenoliche, siliconiche, poliammidiche
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Caratteristiche delle resine in ortopedia
�Le più comuni sono epossidiche , sono molto trasparenti anche quando catalizzate , sono termoformabili , fissabili con colle epossidiche anche dopo anni .
�Non irritano la pelle dei pazienti
�Le parti colate flessibili o morbide non catalizzano
�Alta resistenza
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Matrici Termoplastiche
Matrici Termoplastiche:
Sono allo stato solido a temperatura ambiente.
Assumono uno stato gommoso (elevata deformabilità) se riscaldate ad una
certa temperatura, detta temperatura di transizione vetrosa.
Sono impiegate per temperature di esercizio molto inferiori a quelle delle
termoindurenti.
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Fibre compositeTipi di fibre
� Fibre di vetro: ottima resistenza meccanica (2-5 GPa),
basso costo, buona tenacità, basso modulo elastico (70-80
GPa), media densità (2.5-2.8 gr/cm3)GPa), media densità (2.5-2.8 gr/cm3)
� Fibre di carbonio: ottima resistenza meccanica (3.1-4.5
GPa), alto costo, bassa tenacità, alto modulo elastico
(220-800 GPa), bassa densità (1.7-2.1 gr/cm3)
�Fibre aramidiche (kevlar e nomex): ottima resistenza meccanica
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Fibre vegetaliUn uso sempre maggiore legato anche a problemi ambientali è quello di
fibre di origine vegetale ( canapa e simili).
Il ricercatore Carl Schaschke del Centro Nazionale per Protesi e Ortesi
( NCPO ) presso l'Università di Strathclyde ricerca un metodo per creare( NCPO ) presso l'Università di Strathclyde ricerca un metodo per creare
fibre biodegradabili. Questo per supportare soprattutto i paesi in via di
sviluppo dove i materiali composti da resine acriliche sono difficili da
Produrre.
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Vantaggi
I principali vantaggi dei materiali compositi :
�Leggerezza
�Resistenza
�Rigidezza
�Buon comportamento alla fatica
�Possibilità di progettare il materiale secondo il proprio bisogno
�Riduzione del peso
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Prodotti di baseL’industria produce una serie di prodotti di base utili alla costruzione del dispositivo finale :
prodotti di base
�Fibre
�Mats
�Tessuti
�Lamine preimpregnate
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Prodotti di base�Fibre
Sono il costituente base del rinforzo dei compositi, vengono filate in bobine e sono in genere di vetro o carbonio
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vetro
carbonio
Prodotti di base
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Prodotti di base
Mats
sono strati di fibre non tessute secchi o impregnati di resina
Lamine pre impregnate
sono semilavorati composti da fibre e resina da polimerizzare . Le fibre possono essere disposte in una sola direzione o tessute; il comportamento è sempre anisotropo
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Pre impregnati
I vantaggi nell’uso dei pre - impregnati sono molteplici :
�Elevate prestazioni meccaniche �Elevate prestazioni meccaniche
�Ottima risposta al processo di fabbricazione
O-TECH TOMBOLINI SRL 35
Processo tecnologicoPer laminazione si intende la deposizione di strati (lamine) di un materiale su uno stampo che conferisce la forma geometrica desiderata.
La deposizione può essere manuale o automatica. Il materiale deposto può essere preimpregnato oppure si può impregnare direttamente sullo stampo.stampo.
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COMPOSITO
Tecnologie di produzioneFabbricazione dei materiali compositi :
� a spruzzo
�A mano
�Sotto vuoto�Sotto vuoto
�RTM ( resin transfer moulding)
�RFI ( resin film infusion)
� pre impregnati
�Pultrusione
�FW ( filament winding)
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Tecnologia di produzionePRE IMPREGNATI ( prepregs)
Questa tecnologia è quella più utilizzata :
Il laminato viene preparato a freddo sovrapponendo i vari strati di preimpregnato. Il manufatto viene posto in autoclave per polimerizzare preimpregnato. Il manufatto viene posto in autoclave per polimerizzare sotto pressione ;
Questa tecnologia consente di ottenere componenti meccanici di alto pregio e di ottima qualità di produzione limitando al minimo di defetti di fabbricazione
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Stilizzazione del calco positivo
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Design dell’ortesi
Definire attentamente il design dell‘ortesi in relazione al deficit
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relazione al deficit muscolare .Riportare con matita copiativa i riferimenti grafici sulle zone delimitanti le valve
Evoluzione ferma per anni nelle forme e nei materiali
Acciaio, ferro, cuoio (pesanti e spessi)
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Siamo nel 2014!!!
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La fibra di carbonio pre - impregnata
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Varie tecniche di realizzazione delle ortesi
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Prova sul paziente
Tutore di prova in PP o PE
Prova di congruenza sul paziente
Ritocchi e tagliRitocchi e tagli
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Preparazione modello positivo
copertura modello positivo con maglia tubolare e resina e disegno modello
Isolamento con pellicole
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Preparazione ortesiStesura fogli in carbonio pre-preg
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Cottura in autoclaveIsolamento con seconda pellicola
Sistemazione tubi per aspirazione
Cottura in autoclaveCottura in autoclave
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Preparazione montaggio e prova sul pazienteDisegno e taglio
Applicazione parti in metalliche
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Finitura� Seconda termoformatura
� Imbottiture e chiusure
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ConsegnaProva sul paziente
51
52
53
54
55
56
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Confronto con e senza ortesi AFO in fibra di carbonio
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Vantaggi :
� Estrema robustezza� Elasticità e rigidezza� Leggerezza
Svantaggi :
� Difficoltà dilavorazione
� Costi di lavorazione e
Vantaggi e svantaggi
� Leggerezza� Spessori minimi (1-2-
3 mm)
� Costi di lavorazione econservazione (-18°)
� Impossibilitàmodifiche dopotermoformatura
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Un tutore non cambia da solo la qualità di vita: è uno degli strumenti da
inserire in un progetto più complesso, che è quello riabilitativo.
La scelta dei materiali idonei alla costruzione di dispositivi medici è
Conclusioni
La scelta dei materiali idonei alla costruzione di dispositivi medici è
alla base del successo di tale progetto .
Ognuno di noi ha il dovere di ricercare sempre il materiale migliore
non necessariamente nell’ambito ortopedico, ma in ambienti dove la
ricerca è in continua evoluzione
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Grazieper l’attenzione
TOMBOLINI OFFICINE ORTOPEDICHETARANTO
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Dott. Giuseppe TOMBOLINI - Tecnico Ortopedico
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