Print my leg

 
Tutoriel
Créer sa prothèse de jambe personnalisée à bas coût grâce à l'impression 3D et les nouvelles technologies
  • Difficulté : Abordable
  • Durée réalisation :
  • Budget :
 

Avant-propos

Le projet Print my leg est porté par Christophe Debard.
Il vise à créer des prothèses esthétiques de jambes.

Cette documentation a été réalisé par Floss Manuals francophone (Elisa de Castro Guerra et Joyce Markoll) durant le Fabrikarium 2016

L'équipe de Print My Leg était composée de diverses compétences autour de la question : ingénieur mécanique, Fablab manager, 3D printer, assistant exécutif, ingénieur en optimisation, makers, doc writer, lycée d'airbus, designer, graphiste, prothésiste et styliste:
Adamou Adamou, Amandine Labbé, Simon Colin, Stéphanie Rochereau, David ripol, Jérôme Colmagro, Marine Gimenez, Didier Castel, Vincent Loubière, Christophe Debard, Guillem Colombiès, Yeoil Song, Rémi Lansiaux, David Mazo, Thomas Grougon, Fouad zarour, Aurélie Brachet

 
 

Présentation de Print My Leg

La problématique aujourd'hui de Christophe est d'avoir une prothèse de jambe à la fois fonctionnelle et esthétique. De manière générale, les prothèses de jambe doivent pallier le manque de volume au niveau des mollets. La solution proposée est de sculpter ou modeler une jambe artificielle en prenant pour référence la jambe valide et de la peindre. Dans tous les cas, cela reste une jambe en plastique qui essaye d'imiter l'autre jambe valide, mais en moins bien.

Et si la solution était d'inverser cette tendance et de rendre visible la prothèse de jambe ? A quoi ressemblerait-elle ? Et si les coques étaient interchangeables, comme un vêtement, de manière facile et rapide pour répondre à des besoins esthétiques différents ? Quels pourraient être les moyens de fixation possible pour répondre à cette exigence ? Est-ce que ce principe pourrait être universel et s'adapter aussi bien aux prothèses et aux orthèses ? Est-ce que cette innovation pourrait être reproductible et coûter moins de 100 euros ?

Esthétique courante des prothèses

Voici un exemple de prothèse sur laquelle un empiècement vient se rajouter pour combler le manque. Le résultat est inesthétique.

 
 

Autres solutions esthétiques proposées

Aujourd'hui certaines entreprises proposent des designs plus intéressants et innovants. Le problème est leur coût, elles montent à peu près autour de 6000 euros. Les coques ne sont pas interchangeables. Il est donc difficile de s'en procurer une, alors plusieurs ...

 
 

Comprendre le défi technique

Selon l'amputation survenue et les activités désirées, les prothèses proposées diffèrent. L'enjeu est de comprendre ce qui est le plus universel pour que cela puisse être profitable au plus grand nombre.

Suite à l'amputation, la longueur du moignon est variable. Le moignon peut être long ou court. La fixation doit donc être envisagée dans les deux cas.

La prothèse peut être composée d'un tube ou d'une lame. Le pied peut être dynamique pour faciliter la marche et les activités sportives, ou au contraire passif.

 

Pour résumer, le défi est de trouver comment fixer ces coques à la prothèse de manière à ce que celles-ci soient amovibles, et ce pour pas plus de 100 euros.

Durant le hackathon Fabrikarium du 19 au 21 octobre à Toulouse, 2 solutions ont été imaginées et testées par une équipe pluridisciplinaire.

  • Une solution d’interface prothèse coques au moyen de joint gonflable
  • Une solution d’interface prothèse coques au moyen de système de type boa
 

Coques design

La création d'une coque double est destinée à envelopper une prothèse de jambe, puis à être parée d'atours propres à donner à une personne privée d'un membre inférieur l'élan pour oser se montrer, ne plus se sentir gênée face au regard des autres.

Le design en prothèse existe, mais c'est presque toujours du cas par cas, sur mesure, et de ce fait est très coûteux. La recherche de solutions en fabrication numérique associée au design a pour but de libérer le handicap du poids financier et d'ouvrir de nouveaux possibles en facilitant la personnalisation des aides prosthétiques comme on peut le faire pour de simples vêtements.

Le travail autour du design personnalisé dépend fortement d’un prototype de coque fini, et les créations qui viendront ensuite pourront être réalisées au choix en impression 3D ou bien en dépliant le dessin pour en imprimer/dessiner les contours sur un support plat au choix (cuir, tissus, feuille de liège, maillage…) pour être préparé avec une découpe laser, ou aux ciseaux, ou à l’aide d’autres outils (cutter ?) selon le matériau final choisi. Les coques peuvent aussi être décorées avec une sous-couche de peinture en bombe, du tinfoil…

Les créations des photos suivantes ont été réalisées à titre expérimental et sont des échantillons de test. Si l’habillage est interchangeable sur la coque, il a besoin d’un système d’attache facile d’utilisation. (Exemple, lacet, boutons, élastiques plats fixés par dessous en partie haute et basse, système magnétique…)

Le processus de création du design est propre à chacun, et puisque cette partie s’adresse au domaine du design et de l’artisanat d’art, chaque personne «Imprimera Sa Jambe» en fonction de ses goûts et des matériaux et moyens techniques dont elle pourra disposer.

 

Du design à la découpe laser

Lorsque les motifs ci-dessus ont été créés, il ont été dessinés au crayon sur le papier, et après quelques opérations prenant tout de même un peu de temps, la magie a opéré : une feuille de cuir prédécoupée avec les motifs de petites feuilles en est sortie. L’autre motif a aussi été dessiné, imaginé, avant de finir découpé au laser. Comment procéder ?

Tout d’abord, on part d’un dessin existant ou que l’on crée à la main, puis on le scanne, le fichier ainsi créé est importé dans un logiciel de dessin en 2D – disons, Inkscape, qui a l’avantage d’être sous une licence libre et disponible pour Windows, Mac OSX, et Linux. De là, on le vectorise, («Menu Chemin > Vectoriser le bitmap». Nous vous laisserons chercher les meilleurs réglages, faire vos essais et jouer sur les curseurs), puis nous exportons en SVG pour conserver une copie valide de cette étape, que l’on met de côté.

Ensuite, plaçons une nouvelle copie de ce SVG dans un répertoire temporaire ailleurs pour poursuivre les opérations. Enregistrons cette fois le fichier au format .dxf : Menu Fichier > Enregistrer sous > dxf.
Et le résultat, une fois enregistré avec l’option « Visible seulement », peut être fourni tel quel à une découpeuse laser… en fonction des marques et modèles.

Sur une découpeuse laser Epilog, cela fonctionnera. Sur d’autres, c’est le format SVG qui fera l’affaire, et parfois un fichier au format jpg pourrait être valable. Une fois que le fichier a été enregistré au format .dfx, quittez Inkscape, puis ouvrez à nouveau le fichier : si jusqu’ici le dessin était coloré, il ne devrait maintenant rester que deux couleurs correspondant aux contours et traits principaux. Vous voudrez alors vérifier ce que votre découpeuse nécessite comme couleurs et épaisseur de trait, et faire les réglages en conséquence dans le fichier (toujours, en sélectionnant le dessin, préalablement groupé s’il est composé de plusieurs parties).

 

Exemple d'extraction de motif avec Inkscape

C’est un dessin au format SVG, créé sous Inkscape, et pour cet exemple la partie bambous, qui pourrait être utilisée pour faire des décorations de motifs répétés en découpe laser en a été extraite.

 

Bon à savoir pour la prévisualisation de fichiers destinés à la découpe laser

Il existe aussi un programme nommé Visicut, également sous licence libre. Il est fourni avec LibLaserCut, une bibliothèque indépendante pour les découpeuses laser (supporte les découpeuses Epilog ZING, MINI et HELIX et celles dotées des cartes open source LAOS, et d’autres pilotes encore sont prévus pour le futur). Il permet d’utiliser les formats SVG, EPS, DXF et le PLF VisiCut (Portable Laser Format), de prévisualiser à quoi votre graphisme ressemblera une fois appliqué à la matière ainsi que de préparer vos découpes laser à la maison, avec pour but de vous éviter de mauvaises surprises lors de l’import de votre fichier au Fablab. (Traduit approximativement depuis le site officiel).

Et pour économiser de la matière lors d’une découpe laser, de sorte à profiter de la plus grande surface possible sur votre support de découpe, voici http://svgnest.com et sa documentation.

 

Print My Leg : Solution Pump

L'objectif est de lier des coques décorées à un manchon supérieur de prothèse recouvrant une partie ou totalement la prothèse jusqu'aux pieds. Les coques seront décorées, il est donc impératif que les fixations ne soient pas visibles, ou du moins, que les fixations entraînent le moins possible de contrainte sur l'aspect des coques.

Ce document présente le prototype de fixation. Le design complet abouti est en cours et fera l'objet d'une future publication réalisé par l'équipe porteur du projet.

Principe de cette solution

Cette solution propose une interface à base de joint gonflable entre les coques et l'emboîture. Elle a pour avantage d'être robuste à l'eau, d'être pas cher, de pouvoir supporter des coques à géométrie variable (selon la morphologie de la personne, du design des coques et de la forme de l'emboîture au niveau de sa longueur et de sa forme globale), et bien sûr, de ne pas abîmer ou modifier la prothèse.

Selon la longueur de l'emboîture et des coques, il peut être envisagé de prévoir deux fixations afin de solidifier les coques. Pour les cas où il est nécessaire de prévoir deux fixations, la partie haute sera fixée à l'emboîture et la partie basse à la prothèse via sa lame ou son tube.
Selon la longueur de l'emboîture et des coques, il peut être envisagé de prévoir deux fixations afin de solidifier les coques. Pour les cas où il est nécessaire de prévoir deux fixations, la partie haute sera fixée à l'emboîture et la partie basse à la prothèse via sa lame ou son tube.

Les coques devront intégrer un système de fixation entre elles de type clips et dans leur face interne un profilé pour accueillir la chambre à air : une gorge de maintient.

 

Jonction des demi-coques

Le joint gonflable doit être situé entre la coque et la prothèse et est en contact avec la totalité du diamètre de l'emboîture. À cet endroit, les deux coques doivent donc être refermées, rigidifiées, résistantes par rapport à la pression du joint. Il faut donc veiller à ce que la coque intègre deux raidisseurs pour rigidifier (en raideur et en tenue) localement les deux demi-coques. À cet endroit-là, les deux demi-coques devront donc être solidaires ou du moins solidariser.

Le prototype a été réalisé en plastique de type ABS grâce à une imprimante 3D. Son épaisseur est de 2 mm et représente une partie de la coque de 50 mm. Le verrouillage entre les deux demi-coques se réalise grâce à un système de clips et la pression du joint gonflable de l'autre.

Les clips ont l'avantage d'être plats, peu encombrants et d'offrir une surface plane (le design des coques) ainsi que de proposer une contrainte sur une ligne et non sur un point. Cela renforce ainsi les coques.

 

Schéma du système de clips

 

Joint gonflable

Une fois les coques mises en place autour de l'emboîture, alors il faut utiliser une simple pompe à air de vélo pour venir fixer les coques à l'emboîture.

Des profilés gonflables existent dans le commerce. Nous avons opté pour un système détourné et accessible à tous, facile à trouver et pas cher. En guise de joint gonflable, une simple chambre à air de vélo de course 700x19.

Pour que la chambre à air ne glisse pas de la coque, il va falloir créer une gorge à intégrer dans la coque afin de maintenir la chambre à air lorsque celle-ci est gonflée.

 

Il est possible de coller la chambre à air dans la gorge de la coque au moyen de papier collant double face par exemple.

En partie basse, dans le cas de prothèse courte, le jeu est plus grand entre le tube ou la lame et les coques. Il peut être nécessaire de créer une pièce d'adaptation pour que le jeu au niveau du joint soit adapté et plus régulier. Dans le cas de pied dynamique, la partie basse des coques bouge de plusieurs millimètres. Il faudra alors que le joint gonflable soit suffisamment flexible, mais néanmoins solide. Il est possible aussi d'adapter le jeu coque joint pour une meilleure souplesse avant/arrière ou latérale. Une solution en élastomère ou en mousse serait à envisager comme solution alternative.

 

Réalisation

Matériel nécessaire

- Chambre à air de vélo (chambre-air.jpg)
- Emboîture de prothèses
- Coques
- Pompe à vélo compatible avec la valve de la chambre à air.

 

Réaliser deux coques avec la personnalisation et la découpe (rectiligne, en S, etc.) de votre choix intégrant un système de charnière, une gorge pour insérer la chambre à air et un système de clip.

Les coques ne doivent pas être trop fines (le prototype réalisé était trop mince, seulement 2 mm) dans la zone du joint, car des forces seront en jeu et ne devront pas déformer ou casser celles-ci. Par certains endroits, selon l'esthétique des coques, du matériau et de son optimisation, il peut être nécessaire de renforcer les coques. Il est préférable de prévoir cela au moment de la modélisation des coques et avant l'impression.

De l'autre côté de la connexion entre les deux coques il est recommandé d'utiliser une charnière ou bien un autre système de clips, selon vos coques.

La tenue des pièces imprimées n'est pas la même dans toutes les directions, donc l'impression sera faite préférentiellement dans le sens de l'axe de la coque qui est en général plus résistant.

La connexion entre les deux coques peut être sur toute la longueur ou seulement partielle selon l'esthétique et leur taille. La coque est en effet ajourable en dehors des zones de fixation.

Vous devez maintenant retirer le maillage de construction et poncer légèrement pour préparer l'insertion de la chambre à air.

 

Étape 2 : Préparer la chambre à air

La chambre à air doit être découpée au diamètre des coques. Pour cela, entourer la chambre à air autour des deux coques et couper. Penser à intégrer la valve dans l'espace conservée.

 

Faites en sorte que la valve reste accessible ou trouez les coques pour laisser passer la valve. Choisissez une valve longue et lisse, pour le cas où il sera nécessaire de la couper. Il sera ainsi plus facile de la déporter en la coupant et la collant à un tube en plastique. Si vous avez besoin de bricoler cela, utilisez de la colle époxy ou de la colle silicone.

 

Étape 3. Mettre en place les coques autour de l'emboîture

Entourer et clipper les coques autour de l'emboîture.

 

Étape 4. Fixer les coques à l'emboîture

Gonfler la chambre à air tout doucement pour que la pression exercée maintienne les coques grâce à la contre-force. Le coussin d'air devra résister à 1,5 bars ou 2 bars. Cette pression est suffisante pour maintenir la coque. Le choix du diamètre est en fonction du jeu à rattraper entre la coque et l'emboîture ou la prothèse.

 

Print My Leg : Solution Boa

L'objectif est de lier des coques décorées à un manchon supérieur de prothèse recouvrant une partie ou totalement la prothèse jusqu'aux pieds.

Principe de cette solution

Cette solution propose une collerette en contact avec l'emboîture afin d'y fixer les demi-coques. Cette collerette est à placer idéalement entre l'emboîture et les coques. Elle aura pour rôle de rallonger la surface plane pour un bon serrage des coques. Les coques seront fixées grâce à des fils qui entrelaceront le tout et serreront bien fort les coques à l'emboîture (le système de serrage est de type boa par exemple).

 

Réalisation

<b>Matériel nécessaire</b>

– Une imprimante 3D pour imprimer la collerette
– un système de serrage de type boa
– des brides de serrage
– un scan 3D de l’emboîture

 

Étape 1 : Scan 3D

Il sera nécessaire de réaliser un scan 3D de l'emboîture. Si le fablab ne dispose pas d'un scan 3D, vous pouvez réaliser un scan 3D avec un iPad et un dispositif de scan 3D à adapter par-dessus la caméra. Vous en trouverez sous le nom de « structure sensor ».

Placez l'emboîture sur un tabouret et scannez tout autour.

 

Le logiciel de photogrammétrie créé un mesh, un objet 3D. Ce dispositif permet de capturer facilement un objet et de créer son objet 3D. Le résultat n’est pas très propre, mais suffisamment exploitable. Le fichier fourni est un .stl.

Ouvrez ensuite ce mesh, par exemple, dans Blender pour réaliser « une tranche » utile à l’impression de votre pièce.

 

Étape 2 : Réaliser l'objet à imprimer en 3D

Ouvrez le mesh dans un logiciel de 3D, comme Blender. Vous verrez l'emboîture. Sélectionner uniquement les faces d'un anneau autour de l'emboîture en vue orthogonale.

 

En vue orthogonale, coupez en deux l’anneau :

  •  Utiliser l’outil Knife et couper à travers tout et contraindre l’angle (K+C+Z).
  • Sélectionner les faces d’une des deux moitiés et séparer avec P.
  • Réalisez les modifications sur le mesh si besoin.
  • Et enfin exporter au format STL. Vérifier que les trous sont fermés.
 

Étape 3 : Imprimer votre objet STL

Trouver une imprimante 3D (se rapprocher d'un fablab) et lancer l'impression de votre objet.

 

Étape 4 : Intégrer le système boa

Le système de serrage utilisé a été le système boa, celui-ci contient un enrouleur de fil qui se dirige avec la main et des fils qui maintiennent la coque. Cette technologie a été utilisée au début dans le monde du snowobard et s'est étendue à d'autres sports de la glisse, des sports de vélos et une version est également prévue au monde médical.

 

Étape 5 : Mise en place des éléments

Maintenant, il s'agit de mettre tous les éléments en place. Regrouper l'emboîture, le système de serrage boa, la pièce imprimée et les coques.

Placer la pièce imprimée devant l'emboîture. Au besoin, rajouter une pièce de caoutchouc ou de mousse pour éviter que cela glisse. Placer les coques devant tout cela et serrer le tout avec le système boa.

Nous avons noté qu'il est particulièrement difficile de tout placer correctement. Nous pensons qu'il serait préférable que les coques intègrent le système boa ou/et les fils pour le serrement ainsi que des oeillets pour maintenir les fils dans leur alignement. Nos divers tests n'ont pas été concluants malgré les vis insérées dans les coques pour y accrocher les fils de serrage.

 

Bilan

Ce système n’est pas satisfaisant en l’état.

Il faut que l’impression des coques intègre des oeillets pour maintenir les fils du système de serrage de type boa. Il faut également prévoir un emplacement femelle pour accueillir les fils du système boa et intègre en partie ou en totalité le disque de serrage du système boa.

La réalisation de la pièce collerette est également complexe. Il faut un scan 3D de l’emboîture, ce qui n’est pas toujours évident puis modéliser sur cette collerette un emplacement mâle qui se marie bien avec la fixation du disque de serrage boa placé sur les coques…

Ce système ne semble pas adapté à un usage de « plug-and-play » du cahier des charges.