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A PROTOTIPAGEM RÁPIDA NA ÁREA MÉDICA
PALAVRAS CHAVE: prototipagem rápida (PR), estereolitografia (SLA), sinterização selectiva por laser
(SLS), impressão tridimensional (TDP), fabricação de objectos por camadas (LOM), modelagem por
deposição de material fundido (FDM), tomografia computorizada (TC), ressonância magnética (MRI).
RESUMO: A utilização da prototipagem rápida tem vindo cada vez mais a revelar-se como uma ferramenta de extremo valor no apoio à actividade médica. A partir de imagens médicas obtidas através de Tomografia Computorizada (TC) ou Ressonância Magnética (MRI) é possível a consecução de modelos tridimensionais. A produção de modelos por prototipagem rápida possui a vantagem de facultar o diagnóstico de determinadas patologias, a elaboração de procedimentos cirúrgicos complexos, a produção de próteses, o fabrico de instrumentos médicos, entre outros. Apesar de já serem muitos os casos de intervenções de sucesso, com auxílio à prototipagem rápida, a sua utilização é ainda relativamente recente, e como tal tem sido alvo de bastante investigação.
1 INTRODUÇÃO
A Prototipagem Rápida (Rapid Prototyping) foi
desenvolvida no final da década de 80 e tem
demonstrado ser uma ferramenta muito poderosa
no auxílio ao desenvolvimento de novos
produtos, especialmente na área médica. A
prototipagem rápida iniciou-se com a
comercialização da estereolitografia (SLA ou
mais recente SL) desenvolvida pela 3D Systems,
nos E.U.A..
Assim, a prototipagem rápida depreende-se com
um conjunto de processos tecnológicos que
permitem fabricar modelos físicos
tridimensionais directamente a partir de um
desenho em CAD. Os modelos são construídos
progressivamente por camadas (camada a
camada) não havendo necessidade de utilizar
quaisquer tipos de ferramentas, por este motivo,
as peças obtidas por estes processos apresentam
irregularidades na superfície, correspondentes à
espessura de cada camada “efeito de escada”,
podendo, no entanto, ser atenuado com
acabamentos posteriores. Os produtos obtidos por
prototipagem rápida numa fase inicial, servem
para testar o "design" e a funcionalidade dos
componentes projectados, numa fase mais
avançada é possível obter a partir deles
ferramentas de produção, de menor custo e em
menor tempo, destinadas ao fabrico de pré-series
para ensaio dos componentes e para projecto das
ferramentas de produção definitiva. Assim, a
vantagem de recorrer à prototipagem rápida é
principalmente detectar erros de projecto e
corrigi-los, quando os custos de alteração são
ainda baixos, sendo por vezes, difíceis de
detectar estes erros no modelo CAD 3D, por isso
a materialização rápida das peças desenhadas em
computador constitui uma enorme vantagem no
desenvolvimento de um novo produto. Para além
de se poder, de forma muito rápida, transformar
arquivos de modelos 3D em protótipos rápidos
para testar e avaliar sua resistência, ergonomia e
sua possibilidade de produção, sem a necessidade
da construção de qualquer tipo de ferramenta.
Deste modo, classifica-se um produto obtido por
prototipagem rápida se: o processo for baseado
em CAD 3D; o protótipo for criado quase
automaticamente, ainda que possa ser necessário
algum trabalho de preparação e acabamento; o
protótipo ficar acabado em apenas alguns dias ou
horas; o modelo for produzido por adição de
material; o processo dispensar de pessoal
especializado; o processo for quase ilimitado em
termos de capacidade de geração de formas
(“solid freeform manufacturing”).
Sendo as principais características dos
equipamentos de prototipagem rápida: baixo
custo de produção; susceptível de ser usado em
ambiente de escritório; operação automática e de
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fácil uso e alta rapidez.
1.1 PRINCIPAIS PROCESSOS DE
PROTOTIPAGEM RÁPIDA
Em prototipagem rápida não existem processos
ideais. Os diversos processos apresentam
vantagens e desvantagens, consoante o modelo e
a aplicação em causa, tendo cada um deles o seu
campo de aplicação específico. Todos os
processos de prototipagem rápida actualmente
existentes são constituídos por cinco etapas
básicas: criação de um modelo CAD da peça que
está sendo projectada; conversão do arquivo
CAD em formato STL “stereolitography”, no
qual todas as superfícies são convertidas em
triângulo, próprio para estereolitografia;
fatiamento do arquivo STL em finas camadas
transversais, ou seja, conversão num ficheiro SLI
“slice”; construção física do modelo,
empilhando-se uma camada sobre a outra;
limpeza e acabamento do protótipo.
Estereolitografia (SLA): Este processo foi criado
pela 3D SYSTEMS em parceria com a CIBA.
Recorre sobretudo à emissão de um laser, um
conjunto óptico e resina fotocurável para
construir a peça camada a camada. Ele constrói
modelos tridimensionais a partir de polímeros
líquidos sensíveis à luz, que se solidificam
quando expostos à radiação ultravioleta. O
modelo é construído sobre uma plataforma
situada imediatamente abaixo da superfície de
um banho líquido de resina epoxy ou acrílica.
Uma fonte de raio laser ultravioleta, com alta
precisão de foco, traça a primeira camada,
solidificando a secção transversal do modelo e
deixando as demais áreas líquidas, ou seja, o
objecto é construído por fotopolimerização de
uma resina epoxy líquida, usando um feixe laser
de raios UV, que provoca na resina uma reacção
fotoquímica.
Fig.1 Diagrama esquemático da produção de um biomodelo
pela técnica da estereolitografia.
Como a resina é líquida e relativamente pouco
viscosa, a complexidade dos modelos que se
pode obter pode ser extremamente elevada, além
de apresentarem uma boa transparência e um
excelente acabamento superficial. A seguir, um
elevador mergulha levemente a plataforma no
banho de polímero líquido e o raio laser cria a
segunda camada de polímero sólido acima da
primeira camada. O processo é repetido até que o
protótipo esteja completo. Uma vez pronto, o
modelo sólido é removido do banho de polímero
líquido e lavado. Os suportes são retirados e o
modelo é introduzido num forno de radiação
ultravioleta para ser submetido a uma cura
completa.
Fabricação de objectos por camadas (LOM).
Os protótipos são produzidos colando
sucessivamente folhas de papel, as quais são
cortadas por intermédio de um feixe de laser.
Todo o papel que não faz parte do produto é
cortado em quadrados ou rectângulos para
facilitar uma posterior remoção do modelo do
bloco de papel (descubicagem). Para assegurar a
rigidez de todo o conjunto é construído
simultaneamente um caixilho. Da espessura do
papel aplicado e da sua qualidade vai depender a
definição dos modelos obtidos. Além do papel,
este tipo de equipamento pode construir modelos
em fibra de vidro, cerâmica e metal.
Fig. 2 Figura esquemática da produção de uma peça pela
técnica LOM (Laminated Object Manufacturing).
Sinterização Selectiva por Laser (SLS): Esta
técnica desenvolvida na universidade do Texas
permite a construção de modelos físicos
utilizando 2
Rita Vilaça
utilizando materiais na forma de pó.
Usa um raio de laser para fundir, de forma
selectiva, materiais pulverulentos, tais como
nylon, elastómeros e metais, num objecto sólido.
As peças são construídas sobre uma plataforma a
qual está imediatamente abaixo da superfície de
um recipiente preenchido com o pó fusível por
calor. O raio laser traça a primeira camada,
sintetizando o material. A plataforma é
ligeiramente descida, reaplica-se o pó e o raio
laser de CO2 traça a segunda camada sinterizando
as áreas selecionadas causando a aderência do pó
nas áreas a ser formada pela peça naquela
camada em particular. Esta fina camada de pó
termofundível é depositada sobre uma superfície
com a ajuda de um rolo. O processo continua até
que a peça esteja terminada. O pó em excesso
ajuda a dar suporte ao componente durante sua
construção.
Fig. 3 Processo de materialização de objetos em SLS.
Esquema de funcionamento básico do equipamento
DTM Sinteristation. DTM-2001.
Modelagem por deposição de material fundido
(FDM, Fused Deposition Modeling). Neste
processo filamentos de material termoplástico
aquecido são extraídos a partir de uma matriz em
forma de ponta que se move num plano X-Y. A
matriz de extrusão controlada deposita “filetes”
de material muito finos sobre a plataforma de
construção, formando a primeira camada do
componente. A plataforma é mantida sob uma
temperatura inferior à do material, de forma que
o material termoplástico endureça rapidamente.
A rápida solidificação do termoplástico permite
fazer partes salientes sem a necessidade de
estruturas de suporte.
Após esse endurecimento a plataforma desce
ligeiramente e a matriz de extrusão deposita uma
segunda camada sobre a primeira. O processo é
repetido até a construção total do protótipo.
Fig. 4 Processo básico de funcionamento do processo FDM.
Representação do cabeçote.K.H. Tong - 1999.
Impressão tridimensional (TDP). Numa fase
inicial dá-se a distribuição de uma camada
uniforme de pó sobre a superfície de trabalho.
Seguidamente, o ligante líquido é depositado
nessa camada, por intermédio de finos jactos,
sobre os pontos que correspondem ao corte local
da peça. O jacto de ligante é aplicado através de
cabeças de impressão idênticas às utilizadas pelas
impressoras de jacto de tinta. O processo é
repetido até se obter a peça completa. Por fim, a
peça é retirada “em verde” da máquina ficando o
pó não aglutinado pelo ligante, solto. Só as zonas
onde o jacto ligante ligou as partículas entre si e
cada camada à anterior é que permanecem
ligadas.
Após a construção total do componente “em
verde”, o material em excesso é retirado,
sacudindo a peça ou aplicando um jacto de ar
comprimido. O ligante oferece ao componente
impresso apenas a resistência suficiente para ser
manuseado.
O modelo sofre, numa segunda fase, um
tratamento térmico para aumentar a sua
resistência.
Fig. 5 Peça obtida por impressão 3D
1.2 CONVERSÃO DAS IMAGENS
TOMOGRÁFICAS PARA MODELOS
TRIDIMENSIONAIS
Para a conversão de uma tomografia
computadorizada 3
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computadorizada num modelo 3D é necessária
uma sequência de secções transversais da região
que se pretende estudar. Com o recurso a um
programa de reconstrução 3D é possível
transformar essas imagens bidimensionais num
modelo tridimensional, que posteriormente
poderá ser utilizado na produção de um modelo
sólido num equipamento de prototipagem rápida.
As imagens obtidas através da tomografia
computadorizada (TC) atendem às normas
internacionais do padrão DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine). Elas
são adquiridas através de cortes axiais na região
desejada e o equipamento deve estar ajustado
para a menor espessura possível, visto que,
quanto menor a espessura melhor será a
qualidade do modelo.
2 APLICAÇÕES MÉDICAS
Diversas aplicações da prototipagem rápida na
área da saúde ainda estão a ser desenvolvidas. As
de maior destaque actualmente são: biomodelos
para planeamento e treino cirúrgico em polímero
ou gesso; guias para o auxílio à perfuração e
corte de ossos, feitas em polímero; modelagem
de implantes. Outras aplicações tem sido objecto
de estudo. São exemplos scaffolds de metais,
polímeros ou compósitos biocompatíveis;
implantes que possam ser construídos em metais,
compósitos, polímeros ou cerâmicas e
bioimpressão de órgãos.
As aplicações de prototipagem rápida na área
da saúde podem ser divididas, do ponto de
vista da bioengenharia, em dois grandes
ramos: indirectos ou directos.
Os processos indirectos criam moldes com as
quais são construídos os implantes com o
material final, enquanto nos directos o implante é
obtido no material desejado, sem processos
subsequentes. As guias de auxílio à perfuração
podem ser produzidas directamente através dos
processos SLS, FDM e SLA. Métodos directos
para cerâmica e metal, têm sido lançados
recentemente no mercado e são estes últimos que
vêm sendo testados para o fabrico de implantes
personalizados, entre os quais implantes do
fémur e da mandíbula.
A evolução das técnicas de planeamento
cirúrgico, utilizando a prototipagem rápida, tem
sido observada desde há, pelo menos, 15 anos,
principalmente na área de reconstrução
craniofacial. Porém, para aplicações em que as
exigências de peso são grandes, como no caso de
implantes de fémur, a prototipagem rápida ainda
não evoluiu intensamente.
Assim, o recurso a este processo traz várias
vantagens tanto para a equipe médica que pode
avaliar a situação clínica, simular intervenções e
criar implantes personalizados, quanto para o
paciente e seus familiares que podem entender
com maior facilidade o procedimento a ser
praticado. Isto significa cirurgias em menos
tempo, mais baratas e menos traumáticas para o
paciente. Algumas possíveis aplicações desta
técnica em planeamento cirúrgico são: falhas
ósseas, fracturas de face, tumor ósseo, implantes,
produção de próteses personalizadas,
reconstrução naso-orbitária, cirurgias
bucomaxilofaciais, além de aplicações na
ortodontia, neurocirurgia e ortopedia, entre
outras.
O que se torna particularmente interessante é o
fabrico de modelos anatómicos a partir de
imagens tomográficas de pacientes. Assim, a
partir destes modelos permite-nos, enquanto
alunos de engenharia biomédica, obter uma visão
mais clara de determinada patologia e compara-la
com modelos anatómicos normais. Para além de
que, é também da área biomédica o
processamento de imagem, ou seja o tratamento
de imagem obtida por TC com o objectivo de
encontrar algum tipo de patologia.
3 CONCLUSÕES
A prototipagem rápida refere-se a uma classe de
novas tecnologias de produção que permitem o
fabrico de modelos físicos tridimensionais, em
diferentes materiais, a partir de modelos virtuais
modelados em sistemas CAD, e sem utilização de
quaisquer ferramentas. Além disso, as
tecnologias de Prototipagem Rápida possibilitam
a produção de peças complexas, as quais são
impraticáveis ou impossíveis de construir com
métodos tradicionais, para além de que através de
um protótipo é possível a realização de testes,
simulação, ou simples visualização. O
desenvolvimento de ferramentas para converter
imagens de ultra-sonografia, tomografias
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Rita Vilaça
Rita Vilaça
Computadorizadas em formato STL proporciona
a integração entre estas imagens com máquinas
de Prototipagem Rápida, abrindo um novo campo
de aplicações. De uma maneira geral, partir de
uma imagem médica - uma tomografia axial
computorizada (TAC) ou uma ressonância
magnética - faz-se uma reconstrução 3D, em
computador, com o objectivo de visualizar a
anatomia do paciente, a fase seguinte é a
prototipagem rápida, que transforma o modelo
3D num modelo físico, feito de resina.
Assim, o futuro da Medicina passa pela utilização
da prototipagem rápida. Criar estruturas -
matrizes de suporte - num material biodegradável
e biocompatível que possam ser introduzidas no
nosso organismo, tratando de fracturas ou até de
diabetes, pode ainda parecer uma ideia retirada
de um argumento de ficção científica, mas já no
presente, e cada vez mais no futuro, a ideia já se
concretiza.
Deste modo, podemos aplicar a PR na produção
de moldes para guias cirúrgicos, planeamento de
tratamentos, visualização de algumas estruturas
anatómicas específicas, produção de próteses,
tratamento de neoplasias, planeamento de
radioterapia, diagnósticos, design de implantes,
design de instrumentos médicos entre outras
aplicações.
As técnicas de produção directa de peças
metálicas tratam da aplicação da produção rápida
de implantes o que poderá vir a ser uma
revolução na medicina, na medida em que torna
possível produzir implantes rapidamente com
óptima conformidade micro e macro
dimensional.
A aplicação da Prototipagem Rápida na área
médica deveria ser considerada como uma
importante meta a ser alcançada pelos
profissionais de saúde. A literatura é farta de
exemplos de sucesso em procedimentos onde os
pacientes permaneceram menos tempo sob
intervenção cirúrgica e os médicos contaram com
um grau de confiança maior devido a simulações
e informações obtidas a partir dos biomodelos.
Os custos adicionais decorrentes da utilização
desta tecnologia são compensados pelo menor
tempo cirúrgico, menor risco para o paciente e
menor probabilidade de erros médicos.
Deste modo, cabe-nos a nós como futuros
engenheiros biomédicos que esta tecnologia
comece a fazer parte dos planeamentos
cirúrgicos, através do desenvolvimento de novos
produtos e equipamentos na área da saúde, visto
que a construção de biomodelos reduz o custo
global do tratamento, elimina potenciais erros
clínicos, ou seja , diminuem os riscos e
complicações, conduz a melhores resultados e
levam a uma redução do tempo de cirurgia.
Neste sentido, na área da biomédica esta
tecnologia tem uma enorme aplicabilidade, o que
se tornará compensativo desenvolver
investigações recorrendo a esta técnica, devido às
suas inúmeras vantagens. Recorrendo a esta
técnica poder-se-á testar o desenvolvimento de
novas próteses, produção de objectos de auxilio à
cirurgia, eventualmente, desenvolvidas, por nós,
futuros engenheiros biomédicos, desenvolver
uma bioimpressão 3D de órgãos, sendo estes um
dos grandes objectivos do futuro. Assim, a
realização deste trabalho desperta em nós, uma
iniciativa de realizar futuros projectos tendo em
vista esta tecnologia.
Em conclusão, a prototipagem rápida é o começo
de um novo paradigma para o diagnóstico e para
o planeamento cirúrgico!
REFERÊNCIAS
FOGGIATO, J. A. O uso da prototipagem rápida na
área medico-odontologica, Dissertação (Mestrado
em Engenharia Eléctrica e Informática Industrial) –
Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2002.
ANTAS A. F. Antas, LINO, J. , NETO, R. Utilização
das técnicas de prototipagem rápida na área
médica, 5º congresso Luso-Moçambicano de
engenharia – Maputo, Stembro, 2008.
Integrando reconstrução 3D de imagens
tomográficas e prototipagem rápida para a
fabricação de modelos médicos, Revista Brasileira
de Engenharia Biomédica, v. 19, n. 2, p. 103-115,
agosto 2003
ALVES, Fernando Jorge & BRAGA, Fernando Jorge
& SIMÃO, Manuel João & NETO, Rui Jorge &
DUARTE, Teresa Margarida, Prototipagem Rápida,
Protoclick, Fevereiro 2001
Queijo, L., J. Rocha, Pereira, P., Barreira, L., Juan,
M., Barbosa, T.. A prototipagem rápida na modelação de patologias. in 3º Congresso Nacional de
Biomecânica. 2009. Bragança. Portugal.
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