DISEÑO DE UNA SILLA POSTURAL PARA NIÑOS CON PARÁLISIS CEREBRAL

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1 proyecto de grado

DISEÑO DE UNA SILLA POSTURAL PARA NIÑOS

CON PARÁLISIS CEREBRAL

ESTUDIANTE:

Danna Michelle Salazar Martínez

201621631

[email protected]

ASESOR:

Luis Mario Mateus

Ingeniero Mecánico M. Sc

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, COLOMBIA

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2 Tabla de contenido

Introducción: ... 3

Objetivos: ... 3

Objetivos generales: ... 3

Objetivos específicos: ... 3

Marco teórico: ... 3

Estado del arte ... 5

Control postural: ... 5

Diseño conceptual ... 7

Definición del problema: ... 7

Identificación del usuario ... 7

Casa de la calidad ... 8

Antropometría ... 9

Diseño de detalle ... 11

Análisis de esfuerzos ...19

Análisis de esfuerzos para el sistema general ...19

Selección de materiales, procesos de manufactura y costos estimados. ...31

Conclusiones... 32

Recomendaciones ... 32

Referencias: ... 33

ANEXOS ... 35

ANEXO A: Tabla de las piezas y cantidad ...35

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Introducción:

La parálisis cerebral (PC), es un grupo de trastornos del movimiento y la postura causantes de limitación de la actividad, que son atribuidos a una agresión no progresiva sobre un cerebro en desarrollo, en la época fetal o primeros años. El trastorno motor de la PC con frecuencia se acompaña de trastornos sensoriales, cognitivos, de la comunicación, perceptivos y/o de conducta, y/o por epilepsia. [1]

A pesar de que la PC no tiene cura, es posible mejorar la calidad de vida del paciente por medio de terapias ocupacionales, cognitivas, físicas o del lenguaje con el fin de que la persona sea lo más independiente posible y pueda mejorar su calidad de vida.

La Asociación Aconiño es una entidad privada sin ánimo de lucro ubicada en la ciudad de Bogotá, que tiene el propósito de apoyar a las familias con niños en condición de discapacidad. Esta organización contribuye a la inclusión social de la población con discapacidad motora (como la parálisis cerebral y otras afecciones), a través de programas de atención con enfoque en Neurodesarrollo, formación a familias, profesionales e instituciones y del fortalecimiento de redes de apoyo. [2]

Para lograr lo anterior, los fisioterapeutas utilizan diversos mecanismos que facilitan el desarrollo de las terapias físicas tales como bipedestadores, sillas posturales, sillas de ruedas, muletas, entre otros. Estos equipos promueven el desarrollo de diversas habilidades motoras y facilitan el movimiento del niño brindando la posibilidad de ejecutar acciones simples por sí solo, mejorando su postura, coordinación, equilibrio, resistencia y movilidad. Sin embargo, estos equipos pueden ser costosos o de difícil acceso, lo que dificulta su obtención y posterior uso. En el caso de esta fundación, es necesario que estos equipos puedan ser adaptados para el uso de niños con diversos tipos de discapacidad y diferentes edades, por lo tanto, estos mecanismos deben ser graduables en varios tamaños y posiciones de sedestación o bipedestación.

Teniendo en cuenta lo anterior, y al observar las necesidades de los niños de la fundación, se tiene como objetivo principal de este proyecto diseñar una silla de control postural graduable para facilitar el proceso de rehabilitación a los terapeutas y brindar comodidad al paciente. Esta silla debe contar con todos los dispositivos de seguridad necesarios y una mesa de soporte para objetos para realizar las actividades propuestas de manera sencilla, cómoda y segura.

Objetivos:

Objetivos generales:

Diseñar de manera detallada una silla postural infantil para niños de 1 a 3 años con parálisis cerebral para facilitar su movimiento y corrección postural durante las terapias realizadas en la asociación Aconiño.

Objetivos específicos:

• Diseñar el prototipo de una silla postural proporcionando las características básicas para que un niño de 1 a 3 años con cualquier tipo de parálisis cerebral pueda usarla de manera cómoda y segura.

• Asegurar la existencia de una mesa con soporte para objetos (platos, vasos, o juguetes) con el fin de facilitar la terapia en niños con cualquier tipo de parálisis cerebral.

• Permitir la adaptabilidad de tamaño para algunos componentes (reposa pies y reposa cabezas) con el fin de permitir el uso a niños de diferentes edades y contexturas musculares.

Marco teórico:

La parálisis cerebral es un grupo de trastornos del desarrollo del movimiento y la postura, causantes de limitación de la actividad, que son atribuidos a una agresión no progresiva sobre

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el cerebro en desarrollo, en la época fetal o primeros años. El trastorno motor de la parálisis cerebral con frecuencia se acompaña de trastornos sensoriales, cognitivos, de la comunicación, perceptivos, de conducta, y/o por epilepsia. [1]

En el ámbito de las discapacidades, la Parálisis Cerebral Infantil (PCI) es una de las más frecuentes, se presentan de 2 a 2.5 casos por cada 1000 nacidos vivos, de éstos se considera que el 10% presenta PCI severa [3]. La parálisis cerebral se puede clasificar en función del trastorno motor predominantes y de la extensión de la afectación como se muestra a continuación:

• Parálisis cerebral espástica: Es la forma más frecuente y puede clasificarse en tres

subgrupos: tetraplejia espástica, diplejía y hemiplejia espásticas. La primera es la forma más grave, los pacientes presentan afectaciones de las cuatro extremidades y una alta incidencia de malformaciones cerebrales y lesiones clásticas. Por otro lado, la diplejía espástica es la forma más frecuente y está predominada por afectaciones en las extremidades inferiores, se relaciona principalmente con la prematuridad. Por último, en la hemiplejia espática, existe paresia de un hemicuerpo, casi siempre con mayor compromiso de la extremidad superior, y en la mayoría de los casos se origina durante el periodo prenatal. [1]

En la siguiente figura se presentan las partes del cuerpo afectadas según el tipo de parálisis cerebral espástica:

Figura 1. Tipo de parálisis de acuerdo con las partes afectadas. a) cuadriplejia, b) diplejía, c) hemiplejía. [4]

• Parálisis cerebral discinética: entre el 60 y 70% de los casos están relacionados con

factores perinatales, Se caracteriza por una fluctuación y cambio brusco del tono muscular, presencia de movimientos involuntarios y persistencia de los reflejos arcaicos.

[1] En la PCI discinética los movimientos son repetitivos, imprecisos e incoordinados, debido a que hay contracciones involuntarias de los músculos tanto en reposo como al iniciar el movimiento. [5] Esta alteración del movimiento está relacionada con una lesión de los ganglios de la base, una zona de paso obligatorio para todos los potenciales de acción que proceden de la corteza cerebral antes de bajar hacia el tronco del encéfalo. Suele presentarse con menor frecuencia. [5]

• Parálisis cerebral atáxica: Es el caso que se presenta con menor frecuencia en relación

con las mencionadas anteriormente, La ataxia es una alteración del equilibrio y de la coordinación. Los movimientos finos son muy difíciles de completar. [5]

• Parálisis cerebral hipotónica: Es poco frecuente. Se caracteriza por una hipotonía

muscular con hiperreflexia osteotendinosa, que persiste más allá de los 2-3 años y que no se debe a una patología neuromuscular. [1]

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• Parálisis cerebral mixta: La parálisis cerebral mixta se produce cuando el cerebro

presenta lesiones en varias de sus estructuras, por lo que, en general, podrían existir combinaciones de los diferentes tipos de PCI mencionados previamente. [6]

La parálisis cerebral también tiene otras formas de clasificación, según la gravedad de la afectación: leve, moderada, grave o profunda, o según el nivel funcional de la movilidad. [1] Por otro lado, existen diversos factores de riesgo de la parálisis cerebral, divididos en factores prenatales (maternos, alteraciones de la placenta, fetales), perinatales (prematuridad, hemorragia intracraneal, fiebre materna, hipoglicemia, traumatismo), y postnatales (Infecciones, traumatismo craneal, paro cardio respiratorio, intoxicación, deshidratación grave, convulsiones). [1]

Actualmente es posible prevenir la parálisis cerebral infantil a través de avances médicos. Sin embargo, hay que tener en cuenta, que en la presencia de anomalías genéticas y casos en donde se desconoce su causa, no se puede realizar una prevención. En cuanto a su tratamiento, es necesario saber que la parálisis cerebral infantil no tiene cura, su tratamiento consiste en ayudar al niño a ser lo más independiente posible, mejorando sus capacidades motoras y comunicacionales. No existe una terapia específica para cada caso, ya que todos varían en cada niño, los tratamientos van enfocados a cada síntoma y necesidad que presenten, e irá cambiando a medida del crecimiento y desarrollo del niño, así como de su evolución con los tratamientos y rehabilitaciones que se estén realizando. [7] Uno de los métodos más utilizados es el metodo Bobath el cual maneja 4 técnicas principales para la rehabilitación de trastorno neurológicos: Mecanismos de control postural, neuro plasticidad, manejo de 24H y motivación. [8]

El mecanismo de control postural (MCP) se desarrolla con la maduración del sistema nervioso central (SNC), como respuesta de adaptación, o la interacción con el entorno e implica sensibilidad, tono postural, y coordinación. El correcto desarrollo del MCP permite la realización de movimientos organizados y variados. [8] Existen diversos mecanismos que ayudan a mejorar el control muscular, cada uno de estos equipos puede estar adaptado a un tipo de parálisis cerebral y puede ser utilizado para suplir diversas necesidades de acuerdo con el paciente. Las sillas de control postural son un sistema de sedestación que proporciona un nivel adecuado de soporte para cada niño asegurando su simetría, protección y estabilidad necesaria para permitir realizar actividades de la vida diaria. [9] Lo anterior con el fin de minimizar posibles deformidades musculoesqueléticas, mejorar el tono muscular para inhibir movimientos involuntarios, mejorar las funciones de deglución y respiración, procurar la máxima autonomía posible y mejorar otras funcionalidades como el campo visual, las capacidades perceptivas y el desarrollo motor.

Una de las principales diferencias que se encuentra en las sillas de control postural con respecto a los bipedestadores es que estas no cuentan con un mecanismo adaptado para conseguir la posición bípeda del niño cuando el control motor es inadecuado.

Estado del arte Control postural:

Actualmente es posible encontrar diversas ayudas para las terapias en niños con parálisis cerebral, estas incluyen desplazamiento, sedestación y bipedestación. La sedestación es la posición en la que el ser humano mantiene la verticalidad a través del apoyo de su pelvis sobre la base de sustentación, total o parcial. mientras que la bipedestación, es la posición de verticalidad a través del apoyo de los miembros inferiores, total o parcialmente sobre la base de sustentación. [10]

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Figura 2. de izquierda a derecha: posición de sedestación y posición de bipedestación [11]

Existen diversos beneficios asociados a una correcta sedestación, los cuales incluyen mejoras en el funcionamiento pulmonar, actividad alimenticia, control de cabeza, tronco y prevención de deformidades en la cadera de los pacientes. Por lo anterior, se han desarrollado diversos componentes y accesorios para el control postural en sedestación, estos accesorios son acoplados a las sillas de ruedas o sillas posturales y son diseñados según las necesidades de cada individuo. Algunos de estos accesorios incluyen reposacabezas, soportes laterales, cinturones pélvicos de 2 y 4 puntos para evitar la retroversión pélvica, taco abductor, cinchas de sujeción de tronco, reposa codos y reposapiés. [12]

Figura 3. componentes para el control postural en sedestación de izquierda a derecha: Soporte lateral. Taco abductor. Reposapiés. [13]

Las sillas de control postural están diseñadas para que los niños puedan desplazarse, comer sin ayuda, comunicarse, ir a la escuela, jugar con otros y realizar diversas actividades de manera independiente. Los niños que utilizan este tipo de mecanismos y tienen una capacidad limitada para cambiar de posición o postura, necesitan apoyos posturales adicionales en diferentes posiciones. Por otro lado, estar de pie ayuda a formar las articulaciones de la cadera

y las curvas normales del tronco y la columna. También estira los músculos alrededor de las articulaciones de las rodillas, las caderas y los tobillos, y ayuda a prevenir la rigidez en estas articulaciones. Cuando un niño no se puede parar por sí solo, se lo puede ayudar con un bipedestador, los cuales logran pasar al individuo de una posición de sedestación a una posición bípeda de una manera facil y controlada. [13]

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Figura 4. diferentes tipos de actividades realizadas en sillas de control postural. [13]

Se han realizado diversos trabajos previos en la Universidad de los Andes en conjunto con la asociación Aconiño. [2] Estos proyectos se han enfocado en el diseño y manufactura de diversos mecanismos de posicionamiento y control postural, tanto en sedestación como en bipedestación, contribuyendo a su desarrollo motor, facilitando el desplazamiento del paciente y mejorando la coordinación.

En la actualidad, es posible conseguir diversos mecanismos para las terapias de control postural en sedestación. Sin embargo, estos mecanismos son costosos y generalmente son manufacturados en otros países. El precio promedio para una silla de control postural varía entre 3’000.000 y los 13’000.000 COP, un precio muy elevado y poco accesible para el mercado colombiano.

Diseño conceptual

Definición del problema:

Para el diseño y desarrollo de un producto de calidad es fundamental entender la definición del problema. De esta manera, resulta importante conocer los requerimientos dados por el usuario para hacer un análisis y definir especificaciones de ingeniería y restricciones necesarias para obtener un producto final. En este caso, se necesita una silla postural que permita una basculación de hasta 30°, con el objetivo de tener un control cefálico de los niños con menor control corporal. Además, algunos elementos de control postural como el reposacabezas y el reposapiés deben ser graduables, con el fin de brindar ergonomía y seguridad al usuario. Por último, es necesario que la silla cuente con una mesa de soporte para objetos ajustable y completamente extraíble.

Identificación del usuario

Teniendo en cuenta que el destino final de la silla postural es la asociación Aconiño, el cliente principal para el cual está destinado el producto es el personal encargado de realizar las terapias posturales, musculares y recreativas. Ellos serán quienes tengan la facultad de escoger la posición de basculación necesaria, el tipo de actividad a realizar y el tiempo de uso dependiendo de la terapia necesaria según los problemas de cada niño.

Por otro lado, los niños de 1 a 3 años, quienes reciben sus terapias de rehabilitación en la fundación, son las personas a las cuales se debe garantizar seguridad y comodidad, con el fin de facilitar y mejorar la experiencia de sus terapias y optimizar el proceso de aprendizaje temprano.

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Casa de la calidad

La Casa de la Calidad es una representación gráfica que busca focalizar el diseño de los productos y servicios y cómo éstos se alinean con las necesidades de los clientes. Este método permite la documentación formal del proceso lógico donde se traducen las necesidades de los clientes en características específicas de productos o servicios. [14]

Para obtener información acerca de las necesidades del cliente se realizaron visitas periódicas a la Asociación Aconiño, en algunas ocasiones se prepararon encuestas dirigidas a terapeutas y padres con el objetivo de conocer con mayor detalle los aspectos más relevantes para el desarrollo del diseño. Una vez se tenían claros los requerimientos dados por el cliente, fue necesario organizarlos de mayor a menor importancia para priorizar o flexibilizar el diseño de los diferentes componentes. Para lograr lo anterior se le otorgaron 100 puntos a cada terapeuta para que los repartiera entre los 12 requerimientos sugeridos y de este modo reconocer el aspecto con mayor relevancia.

Por otro lado, se definieron algunas características de ingeniería que pudieran estar relacionadas con los requerimientos dados por el cliente. Para conocer esta relación se utilizó una escala de números del 0 al 5 para cada requerimiento y característica, en donde 0 era nada importante, 1 poco importante, 3 medianamente importante y 5 muy importante. Posteriormente se obtuvieron los porcentajes para cada resultado y se ordenó según su importancia.

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En la tabla anterior se observa que los requerimientos más importantes para el cliente son los que brindan seguridad al usuario (Chaleco, cinturón pélvico, taco abductor y estabilizador tronco pelvis), en segundo lugar, la comodidad del paciente, seguido de la posibilidad de graduar algunos componentes como el reposacabezas, reposapiés y el sistema de basculación. Por otro lado, a partir de las calificaciones dadas para cada requerimiento en relación con la especificación de ingeniería, se obtiene que la especificación más importante es la resistencia de los componentes, lo cual está mayormente relacionado con los componentes de seguridad. En segundo lugar, se tiene el bajo peso de los componentes, esto con el fin de brindar facilidad para los terapeutas a la hora de usar la silla postural.

Antropometría

Antes de iniciar con el diseño de detalle de la silla postural, fue necesario conocer las tallas y pesos promedio para los niños dentro del rango de edad de 1 a 3 años en Colombia.

Tabla 2. Tallas máximas, mínimas y promedio para niños de 1 a 3 años en Colombia según el ministerio de salud. [15]

Altura(cm)

Mínimo Máximo Promedio

Edad 12 meses 36 meses 12 meses 36 meses 12 meses 36 meses

Femenino 69 88 79 103 74 95

Masculino 71 89 81 104 76 96

Promedio 70 88.5 80 103.5 75 95.5

Tabla 3. pesos máximos, mínimos y promedio para niños de 1 a 3 años en Colombia según el ministerio de salud. [15]

Peso (Kg)

Mínimo Máximo Promedio

Edad 12 meses 36 meses 12 meses 36 meses 12 meses 36 meses

Femenino 8 13 10 17 9 15

Masculino 9 13 11 17 10 15

Promedio 8.5 13 10.5 17 9.5 15

A partir de las tablas 2 y 3 se obtiene:

Tabla 4. Medidas máximas, mínimas y diferencia.

Medida Altura (cm) Peso

(Kg)

máxima 104 17

Mínima 69 8

Diferencia 35 9

Los niños con parálisis cerebral poseen un patrón de crecimiento distinto, tienen distinta composición corporal, con disminución de la densidad ósea, la masa muscular, la masa grasa, crecimiento lineal y patrones de edad ósea diferentes [16]. Por lo anterior, se decidió tomar las medidas generales de algunas extremidades a niños de la Asociación Aconiño para obtener un rango de tamaño más preciso y dimensionar cada componente de manera adecuada. De esta forma, se tomaron medidas a una muestra de 10 niños dentro de un rango de edad de 1 a 3 años con la supervisión de la terapeuta y los padres de familia.

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Tabla 5. Medidas tomadas en la Asociación Aconiño

Medidas(cm) Altura Antebrazo Brazo Entrepierna Pierna Altura

del tronco Ancho 1 100 14 16 25 25 26 20 2 94 16 17 23 22 27 18 3 90 15 15 20 18 21 22 4 87 14 16 24 24 25 24 5 85 14 15 19 17 23 22 6 80 15 14 18 16 22 21 7 78 13 12 17 18 20 22 8 76 12 15 17 16 24 20 9 74 12 14 16 19 23 19 10 72 10 12 20 18 22 17

A partir de las medidas mostradas en la tabla 5 se obtuvieron los resultados para las medidas máximas y mínimas de cada parte corporal, además del promedio general para las 10 muestras y su desviación estándar.

Tabla 6. Resultados para el promedio, desviación estándar y valores máximos y mínimos de las medidas tomadas en la Asociación Aconiño.

Medida (cm) Altura Antebrazo Brazo Entrepierna Pierna Altura

del tronco Ancho Máximo 100 16 17 25 24 27 24 Mínimo 72 10 12 17 18 20 17 Diferencia 28 6 5 8 6 7 7 Promedio 83.60 13.50 14.60 19.90 19.30 23.30 20.50 desviación estándar _9.19 _1.78 _1.65 _3.14 _3.23 _2.21 _2.12

Considerando el rango de alturas mostrado en la tabla 2, y comparándolo con el obtenido en la tabla 6, se encontró que tanto la medida máxima como la mínima de los niños de la Fundación Aconiño se encontraban dentro del rango de tallas para Colombia.

Por otro lado, se obtuvieron las diferencias entre el tamaño máximo y mínimo de cada extremidad con el fin de definir un rango para los componentes graduables de la silla, esta diferencia se muestra en la tabla 6.

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Diseño de detalle

Teniendo la definición de los requerimientos y características de ingeniería, y conociendo las medidas y pesos promedio para niños de 1 a 3 años en Colombia, se empezó a dimensionar y diseñar los componentes más importantes de la silla. El diseño de estos componentes y el análisis de esfuerzos se realizó en el software Autodesk Inventor profesional 2019.

En primer lugar, se definieron los rangos de inclinación, altura, y amplitud de algunos componentes, como se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 7. Rangos de inclinación y graduación para los componentes. Componente Reposacabezas Reposapiés Taco abductor Estabilizador

de tronco-pelvis Basculación Rangos: La altura puede variar entre 0 y 8 cm. La altura puede variar entre 0 y 9 cm. La amplitud puede variar entre 0 y 10 cm Puede ubicarse en una amplitud máxima de 4cm a cada lado. Puede inclinarse en un rango entre 0 y 30°.

Por otro lado, se seleccionaron dos materiales principales. El primero fue el ABS para la manufactura de componentes como los elementos de seguridad (reposacabezas, estabilizadores de tronco y pelvis), y la mesa. Lo anterior considerando factores como el precio del material en el mercado colombiano, el proceso de manufactura, y las propiedades necesarias para que se cumplan las especificaciones de ingeniería mencionadas en la tabla 1, tales como la resistencia y el bajo peso de los componentes. En el caso del ABS, es un polímero que posee buena resistencia mecánica y cierta facilidad para ser procesado, además, no es un material tóxico, lo que lo hace ideal para aplicaciones de agua potable, alimentos o productos que requieran estar en contacto directo con el cliente. [17]

El segundo material seleccionado fue el acero inoxidable ASTM 312, este material sería utilizado para el chasis y el reposapiés, ambos con Schedule 10 pero diferente diámetro externo con el fin de que el reposapiés pueda ser encajado dentro del chasis. Este acero se seleccionó gracias a su alta resistencia, soldabilidad (Teniendo en cuenta que estos componentes necesitan de soldadura para su manufactura), facilidad de trabajo en frío y buena resistencia a la corrosión. [18]

En cuanto a la selección de los diámetros y el Schedule (Considerando que este término se refiere al espesor de las paredes de la tubería), se tuvo en cuenta que la silla postural debe tener el menor peso posible para facilitar su manejo. Por esta razón, se seleccionó una tubería con menor diámetro para disminuir la cantidad de material sin que afectara la funcionalidad o la resistencia de los componentes.

• Chasis

El chasis (Figura 5) es el componente central y estructural de la silla, el material seleccionado para esta pieza es acero inoxidable ASTM A 312 de ¼’’ con Schedule 10. [19] este componente debe estar pivotado a una base, en este caso el soporte inferior, para permitir la basculación hasta 30° por medio de un cilindro neumático para sillas (utilizado comúnmente en sillas de oficina). El proceso de manufactura de este componente podría ser realizado por medio de soldadura y doblado de tuberías.

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Figura 5. Vista general del chasis

En el chasis se hará el ensamble del espaldar, asiento y elementos de seguridad. Además, estará pivotado en su parte central con el soporte inferior de la silla.

Figura 6. Vista detallada parte de unión al reposapiés y al soporte inferior.

Por otro lado, el chasis cuenta con un agujero pasante (este agujero se muestra en la figura 6) con un eje central que estará guiado en un carril lateral ubicado en el soporte inferior. Este componente también cuenta con 6 agujeros laterales (mostrados en la figura 6) los cuales tienen una separación de 2 cm entre cada uno, esto con el fin de ajustar el botón pulsador y poder graduar la altura del reposapiés.

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• Reposapiés

El material seleccionado para el reposapiés es ASTM A 312 de 1_/₈_{’’ con Schedule 10 [19], esta}

pieza estará ajustada dentro del tubo del chasis y su altura será graduable hasta 9 cm por medio de un botón pulsador de resorte a cada lado, en el cual será necesario ejercer presión para cambiarlo de ubicación, como se muestra en la figura 8. Esta pieza es posible manufacturarla por medio de soldaduras y doblado de tuberías.

Figura 7. vista general del reposapiés

Figura 8. Unión del reposapiés al chasis por medio del pulsador.

• Espaldar, asiento, reposabrazos y elementos de seguridad (taco abductor,

reposacabezas y estabilizador de tronco pelvis)

Se contemplaron dos posibles materiales de manufactura para estos componentes, el primero es madera MDF, y el segundo ABS (Acrilonitrilo butadieno estireno). Para este punto fue necesario considerar la forma de unión de estos componentes con la mesa y a los elementos de seguridad como el taco abductor y el reposacabezas.

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Figura 9. Vista general de la unión del espaldar, reposabrazos y reposapiés.

En el caso de la mesa, esta será encajable en el reposabrazos y ajustable por medio de un tornillo de manillar. Por otro lado, el taco abductor será graduable hasta 10 cm en la ranura mostrada en el asiento en la figura 9, y ajustable por medio de un tornillo de manillar.

Figura 10. Detalle del espaldar.

El reposacabezas y los estabilizadores de tronco pelvis irán ensamblados en la parte posterior del espaldar, el primero podrá ser manufacturado en ABS con el proceso de prototipado y será graduable hasta 8 cm, el segundo tendrá cuatro ejes de aluminio ensamblados tanto dentro del chasis como en el espaldar como se muestra en la figura 10.

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Figura 11. Ensamble de los elementos de seguridad.

Por otro lado, el extremo frontal de los ejes estará conectado a un par de soportes estabilizadores de tronco pelvis manufacturados en ABS por medio del proceso de prototipado, los cuales se observan en la figura 11. Estos estabilizadores se podrán graduar hasta 4cm a cada lado, según el ancho del tronco del niño. Además, cuenta con un radio de curvatura de 4cm para permitir el ajuste del tronco y brindar mayor comodidad.

• Mesa

En el caso de la mesa, esta debía ser completamente extraíble y lo más liviana posible para asegurar la comodidad del usuario y mayor facilidad de uso. Por lo tanto, como se mencionó anteriormente, la mesa estará ensamblada al reposabrazos y será ajustada por medio de un tornillo de manillar, el material para su manufactura será ABS considerando que, el bajo peso de los componentes obtuvo el porcentaje de importancia más alto para las características de ingeniería, como se observa en la casa de la calidad mostrada en la tabla 1. En el caso de este componente, debido a su tamaño y geometría, es posible realizar su manufactura por medio del mecanizado de una lamina de ABS.

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• Soporte inferior

El material seleccionado para el soporte inferior es ASTM A 312 de ¼’’ con Schedule 10 [19], este componente es un elemento fijo el cual soporta al chasis y todos los componentes que están ensamblados a él. Su objetivo principal es soportar y regular el movimiento de basculación de la silla.

Figura 14. Soporte inferior de la silla.

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El soporte inferior posee un riel de control angular a cada lado, mostrado en la figura 15, el cual está conectado al chasis por medio de un perno. Este riel asegura que el ángulo de inclinación máximo para la silla sea de 30°.

Figura 16. Riel soporte inferior y pivote central

El chasis y el soporte inferior están conectados por medio de dos pivotes de acero inoxidable, los cuales estarán soldados y tendrán un tornillo que permitirá la inclinación de la silla. En cuanto al sistema de basculación, podemos observar en la figura 17, que su valor máximo de inclinación con respecto a un plano horizontal de es 30°, lo anterior para facilitar y mejorar el control cefálico de los pacientes.

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Figura 18. Basculación

• Sistema general

Finalmente, en la figura 14 y 15 se presenta el ensamble de todos los componentes del sistema, incluyendo los elementos de seguridad y la mesa de soporte para objetos.

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• Ubicación del pistón

Para el caso del sistema de basculación, se utilizará un pistón, el cual podrá ser accionado por medio de un freno manual. Este pistón estará ubicado en el soporte inferior de la silla, y se conectará al chasis para permitir la basculación. El freno podría ser ubicado en el espaldar de la silla y estará conectado al pistón por medio de una guaya, esto permitirá accionar el pistón y generar el movimiento. El pistón utilizado para este caso podrá graduarse de 16 a 23 cm de altura, medidas estimadas a partir del análisis en Autodesk Inventor [20], permitiendo la inclinación hasta un valor máximo de 30°.

Figura 21. Ubicación del pistón _{Figura 22. Basculación}

Análisis de esfuerzos

Análisis de esfuerzos para el sistema general

Una vez se tenía el diseño final, se realizó un análisis estático con el objetivo de corroborar la funcionalidad de la silla postural, para lo cual se utilizó una carga máxima de 17kg que simula el peso del niño sobre la silla. Sin embargo, es necesario considerar que esta carga podría no comportarse de manera similar a la carga realizada por el niño en el momento de usarla.

• Análisis de esfuerzos: Chasis.

Para el chasis se obtuvo una masa total de 1.31Kg, se ubicó una fuerza de 166N en la parte central del chasis simulando el peso del niño.

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Figura 23. Análisis de esfuerzos de Von Mises para el chasis

Considerando que el esfuerzo de fluencia 𝑆𝑦 para el acero inoxidable 312 es de 250MPa, y que

el esfuerzo máximo presentado es de 34.13MPa, se puede decir que el material no fluirá bajo las cargas expuestas según el criterio de Von Mises.

Figura 24. Análisis de desplazamiento para el chasis

Por otro lado, el desplazamiento máximo que se presenta con la carga utilizada es de 0.078mm para la parte central del chasis, y de 0.035mm para las tuberías del espaldar. Estos valores son bajos considerando las dimensiones del componente, y no afectan su funcionalidad.

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Figura 25. Factor de seguridad para el chasis

Por último, se obtuvo un factor de seguridad máximo para el chasis de 15, con lo cual podemos decir que considerando el análisis de esfuerzo de Von Mises y el desplazamiento máximo del chasis, este componente es funcional y su capacidad máxima es mayor que los criterios reales a los cuales esperamos someter esta pieza.

• Análisis de esfuerzos: Reposapiés

Esta pieza tiene una masa estimada de 0. 65Kg, para su análisis se contempló que la fuerza máxima a la que estaría sometido el reposapiés sería igual al peso total del niño en caso de que esté completamente de pie sobre el componente. Por esta razón se utilizó una fuerza igual a 166 N.

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Para el reposapiés, el esfuerzo máximo es igual a 41.24 MPa y se ubica principalmente en la parte central y lateral de las tuberías. Como se mencionó anteriormente, el esfuerzo de fluencia 𝑆𝑦 para

el acero inoxidable 312 es de 250MPa, por lo tanto, el material no fluirá bajo las cargas expuestas según el criterio de Von Mises.

Figura 27. Análisis de desplazamiento para el reposapiés

Figura 28. Coeficiente de seguridad para el reposapiés

Se puede observar que el desplazamiento máximo también se da en la parte central de la pieza, en el lugar donde se ubican los pies del paciente. Sin embargo, este desplazamiento es mínimo y no afecta la funcionalidad del componente ni pone en riesgo la seguridad del usuario. Por otro

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lado, el factor de seguridad obtenido es lo suficientemente alto para asegurar el sobredimensionamiento del componente y prevenir la fractura bajo las cargas estimadas de uso.

• Análisis de esfuerzos: Soporte inferior

El ultimo componente diseñado en acero inoxidable 312, es el soporte inferior, el cual fue sometido a las mismas cargas mencionadas anteriormente. Sin embargo, este componente estará en contacto con el suelo.

Figura 29. Esfuerzo de Von Mises para el soporte inferior.

El valor del esfuerzo de Von Mises máximo para este componente es de 8.82MPa, que comparándolo con el esfuerzo de fluencia del material utilizado para su manufactura (acero inoxidable 312), se puede decir que este componente no falla bajo las cargas expuestas.

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Figura 30. Desplazamiento para el soporte inferior.

Figura 31. Coeficiente de seguridad para el soporte inferior.

Por otro, el desplazamiento máximo es de 8.945x10-4_{mm, y se obtuvo un factor de seguridad igual}

a 15, asegurando que las cargas requeridas son menores a la capacidad máxima del componente.

(25)

25

• Análisis de esfuerzos: Reposacabezas

Figura 32. Esfuerzo máximo para el reposacabezas.

(26)

26

Figura 34. Coeficiente de seguridad para el reposacabezas.

En cuanto al reposacabezas, para su análisis se considero la masa promedio de la cabeza de un ser humano, la cual es igual a 4.7Kg en la edad adulta [21]. A partir de este valor, se obtuvo un esfuerzo máximo de 0.63MPa, el cual se encuentra ubicado en la zona lateral del eje central del componente. Además, se obtuvo un desplazamiento de 0.12mm y un factor de seguridad de 15. Estos valores muestran que, si la pieza es sometida a esta carga, no presentará afectaciones en su funcionalidad, deformaciones considerables o fallas.

• Análisis de esfuerzos: Mesa

(27)

27

Figura 36. Análisis de desplazamiento para la mesa.

Figura 37. Coeficiente de seguridad para la mesa.

Se realizó un análisis de esfuerzos para la mesa utilizando una carga máxima de 17kg considerando el peor de los casos, el cual sería que el niño tuviera la posibilidad de apoyarse completamente sobre la mesa. Como se observa en la figura 35, los esfuerzos máximos se ubican sobre las esquinas de las uniones al reposabrazos obteniendo un esfuerzo máximo de 2.54MPa. Finalmente, se puede observar que el desplazamiento máximo para la mesa es de 0.27mm, y el factor de seguridad alcanza un valor máximo de 15, lo cual asegura que las cargas a las que está expuesto son menores que la capacidad máxima del componente. El peso estimado para esta pieza es de 1.3Kg.

• Análisis total

A partir de la suma de la masa de cada componente en Autodesk Inventor, se estimó que la masa total de la silla sería aproximadamente 11Kg.

(28)

28

Figura 38. Análisis de esfuerzos de Von Mises para la silla postural

Considerando que el esfuerzo de fluencia 𝑆𝑦 para el acero inoxidable 312 es de 250MPa, y que

el esfuerzo máximo presentado es de 219.1Mpa, se puede decir que el material no fluirá bajo las cargas expuestas según el criterio de Von Mises.

(29)

29

Figura 40. Factor de seguridad

Por otro lado, como se muestra en las imágenes anteriores, la carga critica para el asiento se encuentra en la parte central de la silla, en donde se presenta un desplazamiento máximo de 1.079mm mostrado en la figura 17. Además, como se observa en la figura 18, se obtuvo un factor de seguridad más alto del esperado, lo cual muestra un diseño preciso y funcional.

(30)

30

Figura 42. Desplazamiento espaldar

En cuanto a los reposabrazos y el espaldar, se observa que se tiene un valor de desplazamiento máximo de 0.3361 y 0.1315 mm respectivamente, el cual se considera un desplazamiento apropiado que no afecta la funcionalidad del sistema.

Figura 43. Desplazamiento de la mesa

Finalmente, se observa que la mesa en el momento de ser ensamblada presenta un desplazamiento de 12.73mm, es cual es considerablemente alto y podría provocar fallas en su

(31)

31

funcionalidad o comprometer la seguridad del usuario. Por esta razón, sería importante considerar otro metodo de ensamble de la mesa con la silla, asegurando que esta sea totalmente extraíble y lo más liviana posible.

Costos estimados.

Tabla 8. Materiales y procesos de manufactura.

Componente Material Precio del

material Empresa distribuidora Proceso de manufactura Chasis ASTM A 312 de ¼’’ con Schedule 10 54.000 COP /kg IMPORINOX

S.A.S Soldadura, doblado

Soporte inferior ASTM A 312 de

¼’’ con Schedule 10

54.000 COP /kg IMPORINOX

S.A.S Soldadura, doblado

Reposapiés ASTM A 312 de 1_/₈_{’’ con} Schedule 10 48.000 COP /kg IMPORINOX S.A.S Soldadura Espaldar MDF o ABS MDF: 50.000 lamina de 2.44 x 1.83 m HOMECENTER Mecanizado Asiento MDF Mecanizado Reposabrazos MDF Mecanizado

Soporte reposapiés MDF Mecanizado

Estabilizador tronco pelvis (soporte

lateral)

ABS 38.000 COP /Kg - Prototipado

mesa ABS 38.000 COP /Kg - Mecanizado

Reposacabezas ABS 38.000 COP /Kg - Prototipado

Tabla 9. Precio total para las piezas según el precio por kilogramo de los materiales

Pieza Peso estimado en Autodesk

inventor (Kg) Precio estimado total para la cantidad de material (COP)

Chasis 1.3 70.200

Soporte inferior 2.1 113.400

Reposapiés 0.3 14.000

mesa 1.3 49.400

Estabilizador tronco pelvis 0.038 1.400

Reposacabezas 0.24 9.000

(32)

32

Tabla 10. Precio de los componentes comerciales

Componente Característica Precio promedio en

Colombia (COP) Cinturón pélvico Cinturón pélvico, arnés para

silla de ruedas [23]

100. 000

Ruedas Ruedas de poliuretano de 2’’

[24] 28.000 c/u

Pistón Cilindro neumático para sillas

de 24 a 30.5cm [20] 40.000

Manillar Manillar de aluminio para bicicletas [25]

12.000

Total 180.000

Precio estimado total para partes y componentes: 487.400 COP

En la tabla 7, 8 y 9 se muestran algunos precios aproximados para los materiales de cada componente y algunas sugerencias para el proceso de manufactura. Se debe tener en cuenta que en el momento de manufacturar la silla estos precios podrían variar. Por otro lado, se estima que el precio total para la manufactura de partes y procesos podría acercarse a los 500.000 COP. Sin embargo, para conocer el precio exacto de manufactura es necesario realizar una cotización con los planos de las piezas.

Sumando los valores totales de las tablas anteriores, e incluyendo el precio de la tabla de MDF, se obtiene un precio estimado para los materiales necesarios de 487.400 COP. No obstante, este precio podría elevarse si incluimos elementos de sujeción como tornillos, manillares y pernos.

Conclusiones

• Se presenta una primera propuesta posiblemente funcional para el sistema de basculación, la cual cumple con una regulación del ángulo de 0 a 30° y podría brindar facilidad para el control postural y cefálico de niños con diferentes tipos de parálisis cerebral.

• A través de los cálculos realizados es posible decir que la silla cuenta con un alto nivel de seguridad. Sin embargo, esto solo podría conocerse con exactitud después de manufacturar un primer prototipo funcional.

• A partir de la simulación para el desplazamiento de la mesa, se puede decir que sería pertinente analizar otro metodo para el diseño y ensamble de este componente con el resto del sistema.

• Finalmente, no es posible asegurar con exactitud que la silla brinde comodidad al paciente, a pesar de que cada componente está diseñado para que los niños puedan realizar las terapias de manera facil, cómoda y segura, este requerimiento solo podrá ser evaluado una vez se tenga un prototipo funcional.

Recomendaciones

• Es necesario prestar atención a las partes que requieren soldadura, debido a que el acero inoxidable es un material difícil de manejar y las soldaduras actúan como acumuladores

(33)

33

de esfuerzos en los componentes, los cuales podrían afectar el correcto funcionamiento del sistema.

• Se podría contemplar otro mecanismo para el sistema de ubicación de la mesa, en donde los reposabrazos sean completamente extraíbles. Esto con el fin de facilitar el posicionamiento del niño dentro de la silla y asegurar que los elementos de seguridad puedan graduarse de manera correcta según las necesidades del usuario.

• Es necesario realizar pruebas en el laboratorio para verificar la resistencia de los materiales y evaluarlo frente a diferentes variables como el torque producido en las posiciones de basculación.

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https://blogceapat.imserso.es/wp-content/uploads/2018/08/La-sedestaci%C3%B3n-inductora-de-la-marcha.pdf.

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(34)

34 [14]

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3d-ii-abs-acrilonitrilo-butadieno-estireno/#:~:text=Las%20grandes%20propiedades%20que%20tiene,y%20resistencia%20a %20la%20fusi%C3%B3n.

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Tubería SCH 10 y 40 tubería en acero Todo en acero inoxidable Venta y

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corte de Acero, 2020. [Online]. Disponible:

https://www.imporinox.com/productos/tuberia-y-accesorios/tuberia-sch-10-y-40/.

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Cilindros neumáticos para sillas o pistones para sillas - Mublex Colombia", Mublex

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[23]

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https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-477251866-arnes-standard-para-silla-de-

ruedas-_JM#position=1&type=item&tracking_id=1e0d9833-1dc9-4010-8d92-22aed66a2fe8.

[24]

rueda giratoria", Easy, 2020. [Online]. Disponible:

https://www.easy.com.co/p/rueda-2%22-giratoria-freno-35-kilogramos/.

[25]

Frenos En Aluminio Para Bicicleta Logan Manilares - $

11.800", Articulo.mercadolibre.com.co, 2020. [Online]. Disponible:

https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-502503213-frenos-en-aluminio-para-

bicicleta-logan-manilares- _JM?quantity=1#position=10&type=item&tracking_id=41b88806-3f51-4e03-8dfd-3ddcb0be50dd.

(35)

35

ANEXOS

ANEXO A: Tabla de las piezas y cantidad

Tabla 11. Piezas totales

Nombre de la pieza Cantidad

Asiento 1

Chasis 1

Ejes de soporte lateral 4

Espaldar 1

Mesa 1

Pivote soporte inferior 2

Pivote chasis 2 Reposabrazos derecho 1 Reposabrazos izquierdo 1 Reposapiés 1 Reposacabezas 1 Soporte inferior 1 Soporte lateral 2 Soporte reposapiés 1 Taco abductor 1 Cantidad total 21

(36)

V ( 1 : 2 )

V

1

2

2 A

A

B

R ev . P la no R ev . T cn ic o de L ab or at or io F irm a E st ud ia nt e

TABLA CONTROL DE CAMBIOS

FECHA UBICACI N COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.

NOTA: Aplica para m ximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten dr sticamente el dise o de la pieza y el tiempo de fabricaci n.

Facultad de Ingenier a

Depto. Ing. Mec nica

Nombre del proyecto:

Nombre de la pieza:

Silla postural infantil

asiento

Material:

ABS

CANT:

1 A4

Escala:

Esc

C digo plano: Unidades en [mm] - ngulos en [ ] Tolerancia General: 0,5 mm y 1 TIEMPO EQUIPO

Nombre del Estudiante: C digo:

E-mail: Celular:

Nombre del Curso: Nombre Profesor:

Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:

Dimensiones Materia Prima:

Largo x Ancho x Alto

Danna Michelle Salazar Mart nez 201621631 [email protected] 3222168418

Proyecto de grado Luis Mario Mateus

TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:

ALISTAMIENTO EJECUCI N ENTREGA M QUINA ENTREGA PRODUCTO

28 0,

0 6,0

94 ,0

320,0

27 5,

0 R6,9x2

R3,0x2

10,0

7,0

R3,0

(37)

V ( 0.5 : 1 )

V

1

2

2 A

A

B

Facultad de Ingenier a

Depto. Ing. Mec nica

Nombre del proyecto:

Nombre de la pieza:

Silla postural infantil

Chasis

Material:

Acero inoxidable

CANT:

1 A4

Escala:

Esc

E-mail: Celular:

Dimensiones Materia Prima:

Largo x Ancho x Alto

R2,5x2

130,0

41 0,

0 150,0

26 0,

0

30 ,0

10 0,

0 R26,9

R13,1

110,0

300,0

10 0,

0

20 ,0

R2,5 1.65 x6

13,7

1,7

(38)

W ( 2 : 3 )

W

1

2

2 A

A

B

Facultad de Ingenier a

Depto. Ing. Mec nica

Nombre del proyecto:

Nombre de la pieza:

Silla postural infantil

Espaldar

Material:

ABS

CANT:

1 A4

Escala:

Esc

E-mail: Celular:

Dimensiones Materia Prima:

Largo x Ancho x Alto

26 0,

0 7,0

320,0

R20,0x2

50 ,0

78 ,1

15 0,

0 60,0

11,0

100,0

19,0

80 ,0

6,0

10 ,0

30 ,0

20,0

46,0

8,

0 5,0x2 90

(39)

T ( 0.5:1 )

T

1

2

2 A

A

B

Facultad de Ingenier a

Depto. Ing. Mec nica

Nombre del proyecto:

Nombre de la pieza:

Silla postural infantil

Mesa

Material:

ABS

CANT:

1 A4

Escala:

Esc

E-mail: Celular:

Dimensiones Materia Prima:

Largo x Ancho x Alto

21 0,

0

30 0,

0 20,0

R60,0x2

R30,0x2

5,0

20 0,

0 R5,0x4

400,0

70,0

240,0

70,0

15 ,0

_5,

0 ₁₀

,0

10,0

50,0

10,0

R2,0x4

10 ,0

R5,0x4

(40)

1

2

2 A

A

B

Facultad de Ingenier a

Depto. Ing. Mec nica

Nombre del proyecto:

Nombre de la pieza:

Silla postural infantil

Pivote chasis

Material:

Acero inoxidable

CANT:

2 A4

Escala:

Esc

E-mail: Celular:

Dimensiones Materia Prima:

Largo x Ancho x Alto

R6,9

20 ,0

6,

5 6,

9

13 ,0

7,

0

10 ,0

5,0

30,0

R1,0x4

(41)

1

2

2 A

A

B

Facultad de Ingenier a

Depto. Ing. Mec nica

Nombre del proyecto:

Nombre de la pieza:

Silla postural infantil

Pivote soporte inferior

Material:

Acero inoxidable

CANT:

2 A4

Escala:

Esc

E-mail: Celular:

Dimensiones Materia Prima:

Largo x Ancho x Alto

5,0

40,0

R1,0x4

R8,5

R6,9

3,0

28 ,5

30,0

18 ,5

15,0

(42)

1

2

2 A

A

B

Facultad de Ingenier a

Depto. Ing. Mec nica

Nombre del proyecto:

Nombre de la pieza:

Silla postural infantil

Reposabrazos derecho

Material:

ABS

CANT:

1 A4

Escala:

Esc

E-mail: Celular:

Dimensiones Materia Prima:

Largo x Ancho x Alto

5,

0 10,0

50 ,0

180,0

R8,0x4

10 0,

0

10 ,0

50 ,0

15 ,0

45 ,0

255,9

20 ,0

135,0

R5,0x4

154,6

194,3

(43)

1

2

2 A

A

B

Facultad de Ingenier a

Depto. Ing. Mec nica

Nombre del proyecto:

Nombre de la pieza:

Silla postural infantil

Reposabrazos izquierdo

Material:

ABS

CANT:

1 A4

Escala:

Esc

E-mail: Celular:

Dimensiones Materia Prima:

Largo x Ancho x Alto

10,0

5,0

20 ,0

10 ,0

10 0,

0

50 ,0

180,0

R8,0x4

255,9

135 ,0

45 _,0

50 ,0

R5,0

154,6

194,3

(44)

1

2

2 A

A

B

Facultad de Ingenier a

Depto. Ing. Mec nica

Nombre del proyecto:

Nombre de la pieza:

Silla postural infantil

Reposa cabezas

Material:

ABS

CANT:

1 A4

Escala:

Esc

E-mail: Celular:

Dimensiones Materia Prima:

Largo x Ancho x Alto

20 0,

0

60 ,0

R110,1

R98,7

10,0

R6,0x2

189,3

50,0

(45)

1

2

2 A

A

B

Facultad de Ingenier a

Depto. Ing. Mec nica

Nombre del proyecto:

Nombre de la pieza:

Silla postural infantil

Reposa p es

Material:

Aluminio FTW

CANT:

1 A4

Escala:

Esc

E-mail: Celular:

Dimensiones Materia Prima:

Largo x Ancho x Alto

300,0

R2,5x2

10 0,

0 7,8

10,2

11 0,

0

15 0,

0

(46)

W ( 0.5 : 1 )

W

1

2

2 A

A

B

Facultad de Ingenier a

Depto. Ing. Mec nica

Nombre del proyecto:

Nombre de la pieza:

Silla postural infantil

Soporte inferior

Material:

Acero inoxidable

CANT:

1 A4

Escala:

Esc

E-mail: Celular:

Dimensiones Materia Prima:

Largo x Ancho x Alto

400,0

343,7

17 2,

0 316,1

191,2

29 ,6

30 0,

0 R99,4

R105,4

30,0

39,3 51,2

R56,9

R104,8

R26,9

R89,4

R115,4

R2,0x4

13 ,7

(47)

1

2

2 A

A

B

Facultad de Ingenier a

Depto. Ing. Mec nica

Nombre del proyecto:

Nombre de la pieza:

Silla postural infantil

Soporte lateral

Material:

ABS

CANT:

2 A4

Escala:

Esc

E-mail: Celular:

Dimensiones Materia Prima:

Largo x Ancho x Alto

60,0

10,0

20,0

R40,0

R45,0

10,0x2

5,0x2

47 ,8

R2,0

30,3

(48)

1

2

2 A

A

B

Facultad de Ingenier a

Depto. Ing. Mec nica

Nombre del proyecto:

Nombre de la pieza:

Silla postural infantil

soporte reposa p es

Material:

ABS

CANT:

1 A4

Escala:

Esc

E-mail: Celular: