Characterization and Design of 3D Printed Composite Insole Fabricated by Dual-Nozzle 3D Printer Using CB-PLA and Fe-PLA Filaments

Resumen Técnico: Caracterización y Diseño de una Plantilla Compuesta Impresa en 3D mediante una Impresora 3D de Doble Boquilla utilizando Filamentos de CB-PLA y Fe-PLA

Planteamiento del Problema
Las tecnologías de plantillas inteligentes existentes para el monitoreo de la presión plantar y los parámetros de la marcha suelen depender de sensores montados externamente, electrónica cableada o ensamblajes multicapa. Estos diseños convencionales sufren frecuentemente de una reducción en la comodidad, mayor complejidad estructural y susceptibilidad al fallo mecánico bajo cargas repetidas. Si bien la Modelado por Deposición Fundida (FDM) ofrece una vía para geometrías complejas, la impresión tradicional de un solo material limita la integración funcional. Además, el ensamblaje de componentes separados mediante adhesivos o sujetadores mecánicos crea uniones de interfaz débiles que comprometen la durabilidad y el rendimiento. Existe la necesidad de sistemas de plantillas integrados donde las funcionalidades de detección (eléctrica y magnética) se incrusten directamente en el cuerpo estructural para mejorar la robustez y la experiencia del usuario.

Metodología
Este estudio utilizó una impresora 3D FDM de doble boquilla (Ultimaker S3) para fabricar estructuras compuestas y plantillas inteligentes utilizando tres tipos de filamentos de ácido poliláctico (PLA): PLA estándar (vaina), PLA cargado con negro de humo (CB-PLA, núcleo conductor) y PLA cargado con hierro (Fe-PLA, núcleo magnético).

La investigación procedió en dos fases:

1. Fabricación de Estructuras Compuestas: Los autores compararon dos estrategias de fabricación:
   • Estructuras Ensambladas: Los componentes de la vaina y el núcleo se imprimieron por separado y se unieron físicamente tras la impresión.
   • Estructuras Integradas: Los materiales de la vaina y el núcleo se imprimieron de forma simultánea en un proceso continuo único.
     Los especímenes se crearon con diámetros de núcleo de 1.25, 2.50, 5.00, 7.50 y 10.00 mm, y un espesor fijo de 5.00 mm.
2. Fabricación de Plantillas Inteligentes: Basándose en el rendimiento de las estructuras compuestas, se seleccionó la estrategia integrada para la producción de las plantillas. Las plantillas se diseñaron con seis regiones de detección correspondientes a las zonas primarias de presión plantar (metatarso, mediopié, talón). Estas se fabricaron con diámetros de núcleo de 2.50, 5.00, 7.50 y 10.00 mm, y espesores variables de 1.00, 2.50 y 5.00 mm.

Caracterización y Pruebas
Los especímenes fabricados fueron evaluados según:

• Eficiencia de Impresión: Tiempo de impresión real y peso total.
• Propiedades Eléctricas: Características de corriente-voltaje (I-V) medidas mediante un medidor de fuente (Keithley 2450) para evaluar la conductividad en las estructuras de CB-PLA.
• Propiedades Magnéticas: Fuerza del campo magnético medida mediante un gaussímetro (LANDTEK GS-100D2) para las estructuras de Fe-PLA.
• Propiedades Mecánicas: Resistencia a la compresión y comportamiento de deformación probados mediante una máquina de ensayos universales (Instron 5567), incluyendo el análisis de curvas de esfuerzo-deformación y cambios dimensionales post-compresión.

Resultos Clave

• Eficiencia de Fabricación: Las estructuras ensambladas requirieron aproximadamente 1 minuto menos de tiempo de impresión que las estructuras integradas debido a la fabricación separada de los componentes. Sin embargo, las estructuras integradas fueron consistentemente más ligeras que sus contrapartes ensambladas.
• Conductividad Eléctrica: Solo las estructuras de PLA/CB-PLA exhibieron conductividad eléctrica; las estructuras de PLA/Fe-PLA fueron eléctricamente aislantes. En las estructuras integradas de PLA/CB-PLA, el rendimiento eléctrico mejoró con diámetros de núcleo más grandes. La estructura integrada PLA/CB-PLA-10.00 (espesor de 1.0 mm) alcanzó la corriente más alta de 0.10 A a 24 V. Las plantillas más delgadas generalmente demostraron una mayor conductividad.
• Fuerza del Campo Magnético: Las estructuras de PLA/Fe-PLA generaron campos magnéticos, mientras que las estructuras de PLA/CB-PLA mostraron una respuesta magnética insignificante. La fuerza magnética aumentó con el diámetro del núcleo y disminuyó con el espesor de la plantilla debido a la atenuación del flujo magnético. La plantilla integrada PLA/Fe-PLA-10.00 (espesor de 1.0 mm) alcanzó una fuerza de campo magnético máxima de 351 ± 8.84 Gs.
• Rendimiento Mecánico: Las estructuras integradas demostraron una integridad mecánica superior en comparación con las estructuras ensambladas. Los especímenes ensamblados exhibieron una unión interfacial débil, lo que provocó caídas repentinas de esfuerzo y curvas de esfuerzo-deformación irregulares durante la compresión. En contraste, las estructuras integradas mostraron curvas de esfuerzo-deformación estables, mayor capacidad de carga (hasta 10.22 kN para la integrada PLA/Fe-PLA-10.00) y una deformación uniforme. La unión continua en el proceso de doble boquilla facilitó la transferencia de esfuerzo eficiente y redujo los vacíos internos.

Significancia y Reivindicaciones
El estudio concluye que la impresión FDM de doble boquilla de filamentos compuestos basados en PLA ofrece un método práctico y escalable para producir plantillas multifuncionales. La principal significancia radica en el diseño de vaina-núcleo integrado, que elimina la necesidad de ensamblaje post-impresión y unión por adhesivo, reduciendo así la complejidad estructural y mejorando la durabilidad mecánica.

Los autores afirman que, mediante el control del tamaño del núcleo y del espesor, es posible adaptar las propiedades eléctricas y magnéticas de las plantillas para aplicaciones de detección específicas. El enfoque integrado combina con éxito la integridad estructural con las capacidades de detección integradas (eléctrica para CB-PLA, magnética para Fe-PLA), estableciendo una base para la investigación futura en calzado vestible totalmente integrado para el monitoreo de la marcha y la rehabilitación sin las limitaciones del montaje de sensores externos.