Cahier des Charges Fonctionnel — Pied prothétique monobloc

Projet ENSAM — Pied prothétique pour enfant de 8 ans, fabrication additive

Explication des fonctions

FP — Fonction principale — Permettre le déplacement quotidien de l'enfant

C'est la fonction de service centrale du pied prothétique : elle doit assurer le port du poids du corps, la stabilité à chaque pas, et la propulsion du pas par restitution de l'énergie stockée à l'appui — c'est le principe même d'un pied à restitution d'énergie (ESAR), sans lequel l'enfant compenserait par un effort métabolique supplémentaire au niveau de la hanche et du genou. Le poids de référence (108 kg, soit 1059 N avec g = 9,81 m/s²) intègre un facteur dynamique lié aux impacts de la marche et de la course, avec une marge de sécurité (enfant de 27 kg réel). La raideur K, encore à déterminer, conditionne directement le confort, la restitution d'énergie et la sécurité du dispositif : elle sera fixée par calcul (flèche admissible, énergie de flexion visée) puis validée expérimentalement sur prototype. Le coefficient de restitution d'énergie (≥ 80 %) reprend l'ordre de grandeur usuel des pieds ESAR du commerce. Cette fonction est classée F0 (rigide) car elle touche à la sécurité de l'utilisateur : aucune flexibilité n'est tolérée sur la tenue en charge.

FC1 — Résister à l'environnement extérieur

Le pied doit conserver ses performances mécaniques et son intégrité face aux conditions d'usage extérieur typiques d'un enfant (flaques, sable, éclaboussures, pluie). L'indice IP55 garantit une protection contre les poussières et les jets d'eau, ce qui couvre largement les usages courants sans sur-dimensionner vers un niveau marin. Cette fonction est classée F1 (flexibilité faible) : le niveau peut légèrement varier selon les contraintes de conception (matériaux disponibles, procédé d'impression) sans remettre en cause la fonction elle-même.

FC2 — Permettre l'assemblage du pied et du « cône » de fixation

Cette fonction de contact assure l'interface mécanique entre le pied prothétique et le moignon (via le cône de fixation). La solution retenue — un filetage M5 sur un carré d'entraxe 30 mm — doit garantir un assemblage fiable, démontable si besoin, et compatible avec les standards de fixation prothétique courants. La tolérance de ± 0,1 mm reflète une exigence d'usinage/impression précise pour assurer l'interchangeabilité et éviter tout jeu mécanique nuisible. Classée F1, cette fonction laisse une marge d'ajustement sur les cotes tant que l'assemblage reste fonctionnel.

FC3 — Pièce monobloc

Le pied doit être conçu comme une seule pièce, sans assemblage de composants multiples. Cette contrainte simplifie la fabrication (un seul cycle d'impression), réduit les risques de défaillance aux interfaces (pas de vis, colle ou liaison mécanique supplémentaire à surveiller) et s'inscrit dans la logique de fabrication additive du projet. Classée F0 (rigide), car il s'agit d'une exigence de conception structurante qui conditionne l'ensemble de l'architecture de la pièce — notamment l'absence de tout réglage ou ajustement mécanique post-fabrication, qui n'est donc volontairement pas recherché dans ce projet.

FC4 — Assurer l'amortissement lors de la pose du pied

L'amortissement au contact talon est obtenu par la flexion élastique de la pièce elle-même (pas d'élément amortisseur dédié, cohérent avec l'exigence de pièce monobloc de FC3). Cette fonction est donc directement pilotée par la raideur K définie en FP : il ne s'agit pas d'un paramètre de conception indépendant, mais d'une conséquence mécanique du même choix de raideur. C'est pourquoi FC4 est classée F0 : on ne peut pas ajuster l'amortissement sans modifier K, donc sans impacter également la fonction principale.

FC5 — Pièce obtenue en fabrication additive

Le pied sera fabriqué par impression 3D, ce qui impose des contraintes géométriques spécifiques (angles de surplomb, épaisseurs minimales, orientation d'impression). Compte tenu de la complexité probable de la forme (type structure pieuvre), l'usage de supports d'impression est anticipé et accepté comme paramètre de fabrication, plutôt que d'imposer une conception sans aucun support. Classée F1, cette fonction laisse de la flexibilité sur la stratégie d'impression (avec ou sans supports, orientation) tant que la pièce finale reste conforme aux autres exigences.

FC6 — Être à la pointure de l'utilisateur à une hauteur raisonnable

Le pied doit s'intégrer dans une chaussure de pointure 35, avec un encombrement vertical compatible avec un chaussage normal. La hauteur cible (22,4 cm, ou 11,2 cm selon la zone considérée) découle directement de la pointure via un ratio proportionnel. Une tolérance de ± 4 mm permet d'absorber les variations liées à la conception interne (épaisseur de matière, dégagement du mécanisme de flexion) sans compromettre le chaussage. Classée F1, cette fonction admet une marge d'ajustement raisonnable.

FC7 — Usage quotidien

Le pied doit supporter un usage intensif quotidien pendant au moins 6 mois sans dégradation compromettant sa fonction. Sur la base d'une hypothèse de 10 000 pas par jour (hypothèse volontairement conservatrice pour un enfant de 8 ans, dont l'activité réelle peut être supérieure), cela représente environ 1,8 million de cycles de charge sur la période — voir FC11 pour la formalisation de cet essai de fatigue. Ce plancher de 6 mois est directement corrélé au cycle de remplacement lié à la croissance du pied de l'enfant (voir FC9) : il n'est donc pas nécessaire de viser une durée de vie structurelle très supérieure. Classée F1, la durée de vie est une exigence plancher (≥ 6 mois) qui peut être dépassée sans que cela pose problème.

FC8 — Esthétique pour un enfant de 8 ans

Au-delà de la fonction technique, l'acceptation psychologique et esthétique du dispositif par l'enfant est un critère de réussite du projet. Elle est évaluée via une échelle de Likert adaptée à l'âge de l'utilisateur (moche – pas terrible – correct – beau – trop beau), avec un niveau minimal requis de « correct » (acceptable). Classée F2 (flexibilité élevée), cette fonction reste secondaire par rapport aux exigences mécaniques et de sécurité, et admet une large marge d'interprétation dans sa mise en œuvre (couleurs, formes, finitions).

FC9 — Accompagner le cycle de croissance de l'enfant

Contrairement à une prothèse adulte, le pied prothétique d'un enfant de 8 ans doit être remplacé au rythme de la croissance de son pied, indépendamment de l'usure mécanique de la pièce. Le plancher de 6 mois fixé en FC7 n'est donc pas une limite de fatigue arbitraire : il correspond au cycle de remplacement réaliste à cet âge. Cette fonction justifie a posteriori pourquoi il est inutile — et donc anti-économique en masse et en matière — de sur-dimensionner la pièce très au-delà de cette durée. Classée F1, une légère variation du cycle réel (croissance individuelle) est acceptable sans remettre en cause la conception.

FC10 — Masse de la pièce

Le poids du pied conditionne directement l'effort métabolique de marche de l'enfant (lien avec la fonction de propulsion de la FP) : plus la pièce est légère, moins la dépense énergétique au niveau de la hanche est élevée à chaque pas. Les lames composites nues (sans mousse cosmétique ni adaptateur séparé) observées dans les brevets étudiés se situent généralement entre 150 g et 250 g pour une taille adulte ; en taille enfant (pointure 35) et en architecture monobloc intégrée (sans adaptateur rapporté), une masse sensiblement inférieure est atteignable. L'objectif de ≤ 130 g (plage 100–150 g) est donc réaliste mais volontairement ambitieux compte tenu du PLA (densité ≈ 1,24 g/cm³, moins performant mécaniquement que le PA12 ou la fibre de carbone utilisés dans la plupart des brevets analysés), ce qui imposera un travail d'optimisation topologique poussé pour tenir simultanément la masse et la tenue à 1059 N. Classée F1, un léger dépassement reste acceptable si la tenue mécanique l'impose.

FC11 — Tenue en fatigue formalisée

Cette fonction rend explicite et testable ce qui n'était qu'une remarque en FC7 : la pièce doit être validée par un essai cyclique à la charge de service, sur un nombre de cycles représentatif d'un usage réel sur 6 mois (≈ 1,8 million de cycles pour 10 000 pas/jour), en s'inspirant du protocole de l'ISO 22675 (essai cyclique des pieds prothétiques) en complément de l'essai statique de type ISO 10328. Le PLA étant plus sensible à la fatigue et à la propagation de fissure que le PA12 ou les composites carbone, cet essai est déterminant pour valider le choix du matériau et de la géométrie. Classée F0 (rigide) car elle touche directement à la sécurité de l'utilisateur en usage prolongé.

FC12 — Adhérence au sol

Le pied ne doit pas glisser lors de l'appui, que ce soit sur un sol intérieur lisse, un sol extérieur mouillé, ou une surface glissante (carrelage, herbe humide). Un coefficient de frottement semelle/sol μ ≥ 0,5 correspond aux valeurs usuelles retenues pour le chaussage courant (référence type EN 13287). Selon la texture de surface obtenue par impression additive en PLA, un traitement de surface ou une semelle rapportée pourra être nécessaire pour l'atteindre. Classée F1, la solution technique (texture native, traitement, pièce rapportée) reste ouverte tant que le critère de frottement est respecté.

FC13 — Sécurité des arêtes

La pièce étant manipulée et portée par un enfant, aucune arête vive ni bavure d'impression ne doit subsister sur les zones accessibles (risques de coupure, d'accroc textile). Un rayon minimal de 1 mm sur toutes les arêtes externes constitue une règle de conception simple à vérifier sur le modèle CAO et à contrôler après impression/post-traitement. Classée F2 (flexibilité élevée), cette exigence n'a pas d'impact sur le dimensionnement mécanique et peut être ajustée librement dans le respect du seuil minimal.

FC14 — Stabilité mécanique en température

Contrairement à FC1 (étanchéité aux liquides et solides), cette fonction porte sur la stabilité du comportement mécanique de la pièce avec la température ambiante, afin que l'enfant marche de la même façon en plein hiver (température parfois négative) qu'en été sous forte chaleur. Le PLA est particulièrement concerné : sa température de transition vitreuse relativement basse (≈ 55–60 °C) peut être approchée par un objet sombre exposé au soleil, avec un risque de fluage ou de perte de raideur, tandis que le froid tend à le rendre plus cassant. La plage retenue (− 10 °C à + 50 °C) couvre les conditions climatiques courantes en France avec une marge de sécurité, pour une variation de raideur K limitée à 15 %. Classée F1, une variation un peu plus marquée reste tolérable si elle ne compromet pas la sécurité (FP, FC11).

FC15 — Niveau d'activité (K-level)

Cette fonction fixe le niveau de performance visé selon la classification fonctionnelle usuelle en prothétique (K0 à K4). Compte tenu des choix de conception — pièce monobloc sans réglage de raideur ni élément amortisseur dédié, matériau PLA (moins résistant en fatigue et en impact que le PA12 ou la fibre de carbone utilisés dans les pieds ESAR haut de gamme des brevets étudiés), durée de vie volontairement limitée à 6 mois — un niveau K4 (course/sport de haute performance, réservé aux lames carbone spécialisées) ne serait pas cohérent avec les moyens du projet. Le niveau K3 (marcheur communautaire à cadence variable, capable de franchir la plupart des obstacles courants et de suivre les activités de jeu modérées d'un enfant) correspond au meilleur compromis entre les capacités réelles du matériau/procédé et les besoins fonctionnels d'un enfant de 8 ans. Classée F0, ce niveau dimensionne l'ensemble des exigences mécaniques du cahier des charges et ne peut être revu à la hausse sans revoir le choix du matériau.

FC16 — Reproduire l'amplitude de mouvement de la cheville

Le pied prothétique doit permettre d'approcher les angles maximaux de dorsiflexion et de flexion plantaire relevés pendant la marche de référence sur un sujet non amputé. Ces mesures seront réalisées en TP et reportées dans le cahier des charges afin de fixer les niveaux visés. La conformité pourra être vérifiée par un essai en flexion ou par le calcul de la déformée du pied sous la charge de référence, puis par comparaison des angles obtenus avec les mesures du TP. La tolérance, provisoirement estimée entre ± 2° et ± 3°, sera confirmée en fonction de la dispersion des mesures. La fonction est classée F1 : les niveaux peuvent être ajustés à partir des résultats expérimentaux, tout en cherchant à limiter les compensations au genou et à la hanche.