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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 1

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Page 1: prototipagem 1

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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Page 2: prototipagem 1

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

Page 3: prototipagem 1

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

Rita Vilaça

Page 4: prototipagem 1

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

hgkjggff

4

Rita Vilaça

Rita Vilaça

Page 5: prototipagem 1

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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Rita Vilaça