• additive manufacturing
• busto ortopedico
• gyroid infill

Questa tesi esplora l'applicazione della stampa 3D ad estrusione nella realizzazione di busti ortopedici personalizzati, concentrandosi sull'uso di riempimenti variabili per ottimizzare il trattamento della scoliosi. L'obiettivo è mostrare come la fabbricazione additiva possa offrire soluzioni innovative rispetto ai metodi tradizionali, riducendo il peso del dispositivo e migliorando la distribuzione delle forze correttive. Utilizzando percentuali di riempimento personalizzate, si mira a incrementare il comfort e l'efficacia del busto, adattandolo meglio alle esigenze del paziente. La scoliosi è una deformità della colonna vertebrale che causa una curvatura laterale ed una rotazione assiale delle vertebre. I busti ortopedici sono indicati per curvature comprese tra i 25 e i 45 gradi, mentre per curve più gravi si opta per l'intervento chirurgico. Il busto corregge la curvatura applicando forze biomeccaniche attraverso un sistema a tre punti o quattro punti, applicato con pad posizionati strategicamente sull'apice della curva scoliotica e forze di controbilanciamento. Tradizionalmente, la realizzazione avviene attraverso la creazione di un calco negativo del torso del paziente in gesso al di sopra del quale un foglio di materiale plastico viene rimodellato. Tuttavia, non esistono dati che quantifichino l'intensità delle forze correttive applicate, poiché essa dipende dalla creazione del calco in gesso, di conseguenza, dall'esperienza dell'ortopedico. Nell’ambito di questo lavoro di tesi, è stata condotta una caratterizzazione meccanica dei materiali, seguita da un'analisi agli elementi finiti (Finite Element, FE) per valutare l'interazione tra busto e torso. Infine, il busto è stato realizzato con la stampante con tecnologia Fused Deposition Modelling (FDM) HELIOS ORTHO (Dieng Srl, Italia), azienda nella quale è stato eseguito il lavoro di tesi. La pipeline di realizzazione dei busti con tecnologie di Additive Manufacturing inizia con l'acquisizione del torso del paziente tramite scansioni 3D (ad esempio con tecnologia a luce strutturata). Tale modello viene importato su un software di gestione della mesh acquisita (esempio Autodesk Meshmixer®) per rimuovere i rumori e migliorando la risoluzione. Successivamente, si ha la modellizzazione del busto ortopedico sul torso basata sui principi biomeccanici correttivi e sulla tipologia di scoliosi, identificata tramite immagini DICOM, con la creazione dei pad di spinta e dei fori per le cinghie di chiusura. Le fasi successive prevedono la scelta e la caratterizzazione del materiale da utilizzare, l’analisi FE e la realizzazione tramite stampa 3D, che sono il fulcro di questo lavoro di tesi. Dopo una revisione della letteratura, sono stati selezionati tre materiali principali: polipropilene (PP), polietilentereftalato (PETG) e acido polilattico (PLA). Il PP si distingue per la sua resistenza agli urti e alla fatica, buona flessibilità e leggerezza. Il PLA è biocompatibile e biodegradabile, offre buona adesione tra i layer e facilità di stampa. Il PETG combina buona resistenza agli urti e flessibilità, con una resistenza termica superiore rispetto al PLA, sebbene sia più costoso e meno flessibile rispetto al PP. Uno dei principali limiti della stampa FDM è l’anisotropia, che rappresenta una criticità significativa per le ortesi spinali, dove la distribuzione uniforme delle forze è cruciale per garantire l'efficacia correttiva del dispositivo. Per affrontare questa criticità, si è deciso di utilizzare una tipologia di riempimento tridimensionale sinusoidale, noto come giroide. Il giroide consente di ottenere pezzi stampati con proprietà quasi isotrope, che conferiscono elevata resistenza, permettendo al busto di sopportare sollecitazioni meccaniche uniformemente distribuite. Ciò riduce la concentrazione di stress in punti specifici, migliorando la durabilità e riducendo il rischio di cedimenti sotto carico, aumentando così l'affidabilità del dispositivo. Un ulteriore vantaggio è la sua capacità di ottimizzare l'uso dei materiali. Questo significa che, grazie alla sua particolare geometria, il giroide potrebbe permettere la realizzazione di un busto ortopedico resistente, utilizzando una quantità di materiale inferiore rispetto ad altre strutture di riempimento. Inoltre, dalla letteratura emerge che, mentre una maggiore percentuale di riempimento corrisponde a una maggiore resistenza, nel caso del giroide una densità compresa tra il 10% e il 25% è ottimale per mantenere un equilibrio tra resistenza e leggerezza. Percentuali di riempimento troppo alte possono causare vibrazioni indesiderate durante la stampa, compromettendo la precisione del risultato finale [4]. Sulla base di ciò la parte sperimentale della tesi inizia con l’esecuzione di prove meccaniche, trazione e flessione, con duplice scopo, la scelta della percentuale di riempimento idonea e la caratterizzazione meccanica dei materiali alla percentuale scelta. Le prove sono state eseguite seguendo le rispettive normative (ASTM D790, ASTMD638), utilizzando un banco prova fornito da Dieng. I risultati ottenuti dalla caratterizzazione dei materiali sono utilizzati nell’implementazione dell’analisi FE, fondamentale per studiare l'interazione tra il busto ortopedico e il torso del paziente. La simulazione FE è stata eseguita sul software Abaqus® e strutturata in tre fasi principali, apertura, adattamento e chiusura. La fase di apertura analizza le forze necessarie per rimuovere il busto dal corpo. Sono stati applicati carichi di 40N per i materiali PLA e PETG, e di 20N per il PP, per simulare le forze reali durante questa operazione. La fase di adattamento valuta il modo in cui il busto si adatta alla superficie del torso senza l'applicazione di forze esterne. La fase di chiusura descrive i carichi applicati attraverso le cinghie di chiusura del busto, impostando valori di 20N, 40N e 60N, basati su dati reali raccolti in letteratura. L’obiettivo della prima analisi è quello di confrontare le proprietà meccaniche dei materiali a diverse densità di riempimento, in modo da individuare il miglior compromesso tra resistenza e leggerezza. Dopo aver effettuato i test è stata condotta un'analisi della varianza a due fattori sui valori di modulo elastico dei materiali selezionati (PP, PETG e PLA). I risultati hanno mostrato significative differenze. Per approfondire le differenze specifiche tra le percentuali di riempimento, è stato applicato il test post-hoc di Tukey, che ha rivelato una differenza media significativa tra il 10% e il 15%, 10% e il 20%, 10% e 25%. Questi risultati hanno portato alla conclusione di selezionare il 15%, che rispetto al 20% o 25% consente di ottenere un dispositivo più leggero ma con caratteristiche meccaniche similari. Le prove a flessione hanno mostrato che il PETG ha un comportamento leggermente più rigido rispetto al PLA, evidenziando una resistenza significativa. Tuttavia, entrambi i materiali hanno rivelato una certa fragilità, con una limitata capacità di deformarsi plasticamente prima della frattura. In contrapposizione, il PP ha dimostrato una flessibilità e duttilità nettamente superiori, consentendo al materiale di assorbire maggiori deformazioni senza rompersi, il che lo rende particolarmente adatto per le parti del busto ortopedico che richiedono adattabilità ai movimenti del corpo. Nelle prove a trazione, il PP ha mostrato un comportamento che indica una marcata plasticità, rendendolo altamente duttile. Il PLA, invece, ha evidenziato un comportamento rigido e fragile, con una fase iniziale lineare seguita da un picco di sforzo massimo. Il PETG, pur essendo più rigido rispetto al PP, ha mostrato una capacità di deformarsi plasticamente prima di rompersi, suggerendo una certa adattabilità ai movimenti corporei. Per verificare l’idoneità di tali materiali per la realizzazione di un busto ortopedico, è stato sviluppato un modello FE delle fasi di apertura, adattamento e chiusura sul torso di un paziente (caratteristiche meccaniche a seguito di omogenizzazione dei tessuti pari a E= 0.5 GPa, ρ = 1100 kg/m³) con un busto ortopedico modellizzato direttamente su questo. Sono state analizzate le mappe delle deformazioni e degli spostamenti. Nella fase di apertura (Fig. 3a), il PETG ha mostrato una deformazione massima del 5,35%, mentre il PLA ha raggiunto il 5,75% e il PP il 3,79%, con spostamenti rispettivamente di 26 cm, 27 cm e 21 cm. Non sono emerse criticità strutturali per nessuno dei materiali. Durante il rilascio, il PETG ha registrato una deformazione massima del 2%, il PLA del 2,3% e il PP del 2,65%, mostrando un adeguato ritorno alla forma originale. In fase di chiusura(fig.3b), le forze applicate dalle cinghie (20, 40 e 60 N) hanno prodotto deformazioni massime del corsetto tra l'1,74% e il 2,28% per il PETG, tra l'1,4% e il 2,4% per il PLA, e tra l'1,05% e il 2,2% per il PP. Tuttavia, è stato osservato che, nella fase di chiusura, la deformazione si concentra in particolare nelle zone delle cinghie anteriori. Anche se tale deformazione non è critica, è necessario considerarla per garantire un adeguato supporto. Per questo è stata effettuata una modifica del riempimento, un aumento al 50% per la parte anteriore, per equilibrare la rigidità e la flessibilità del materiale, permettendo una distribuzione uniforme delle forze applicate e riducendo il rischio di deformazioni indesiderate. Ciò contribuisce a garantire un comfort ottimale per il paziente, fondamentale per l'uso prolungato del dispositivo. Inoltre, nella parte posteriore del busto è stata progettata una barra con un infill al 0%. L'assenza di riempimento consente alla barra di agire come un supporto rigido, riducendo il peso complessivo del busto e migliorando ulteriormente il comfort durante l'utilizzo. Il busto è stato stampato con la HELIOS ORTHO. In conclusione, il lavoro ha dimostrato che il busto ortopedico può essere realizzato con stampa 3D a estrusione, contrastando l'anisotropia con un riempimento a giroide e riducendo il peso senza compromettere la funzionalità. Rimangono da esplorare i test sui carichi multidirezionali e l'ottimizzazione della stampante. In futuro, l'uso di una stampante multi-estrusore e l'integrazione di sensori di pressione e temperatura potrebbero migliorare l'efficacia e il comfort del busto, aprendo la strada alla stampa 3D come alternativa.