Utilização da Técnica de Prototipagem Rápida e Scanner 3D a Laser no Projeto e Obtenção de Implantes Ósseos

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1 Utilização da Técnica de Prototipagem Rápida e Scanner 3D a Laser no Projeto e Obtenção de Implantes Ósseos Use of the Rapid Prototyping Technique and 3D Laser Scanner in the Project and Obtaining of Osseous Implants Bertol, Liciane Sabadin, Eng., LdSM/DEMAT/EE/UFRGS ndsm@ufrgs.br Cândido, Luis Henrique Alves, Designer, LdSM/DEMAT/EE/UFRGS Roldo, Liane, Prof. Dr., LdSM/DEMAT/EE/UFRGS Kindlein, Wilson Jr., Prof. Dr., Coord. LdSM/DEMAT/EE/UFRGS Resumo Pacientes com traumas na face podem utilizar modelos produzidos por prototipagem rápida para preencher lacunas ósseas. Imagens de tomografia computadorizada servem como base para a confecção de tais modelos. O objetivo, então, é criar uma metodologia de fabricação de produtos através de um processo inovador de usinagem usando como exemplo peças para preenchimento de defeitos ósseos baseada nas propriedades de simetria do crânio humano. A metodologia utilizada consistiu em traçar um plano central no crânio através de um software CAD para espelhar a imagem. Roteiros de usinagem CNC e o Design de dispositivos especiais permitiram que modelos computacionais fossem transformados em modelos físicos, no LdSM, com precisão adequada para produzir implantes bucomaxilofaciais. Palavras-chave: design de dispositivos, enxertos ósseos, prototipagem. Abstract Patients with face trauma could use models produced by rapid prototyping to fill bone gaps. Images of computerized cat scan serve as base to build such models. Thus, the aim of this work is the creation of a production metolodogy througth an innovating machinig process using, as example, pieces to fill in the bone blancks based on the human skull symmetry properties. The metodoly consisted in drawing a centre plane on the skull using a CAD software in order to get a mirror image. The development of CNC machining scripts and the Design of special devices allowed the computational models to be transformed into physical models, in the LdSM, with suitable precision to produce maxillofacial implants. Keywords: design of devices, insert bone, prototyping.

2 1. Introdução Segundo o Manual de Oslo [1], a inovação tecnológica de processo é a adoção de métodos de produção novos ou significativamente melhorados, que não possam ser produzidos com os métodos convencionais de produção. Diante desse novo desafio de difusão e aprimoramento visando a inovação, o Designer tem um papel fundamental, e o conhecimento desse profissional, em todas as suas formas, é crucial no desenvolvimento dessas inovações. Este papel estratégico do Design é ressaltado pelos crescentes investimentos em pesquisa, desenvolvimento, educação, P&D e outros investimentos intangíveis. Este trabalho objetiva a criação de uma metodologia que possibilita a fabricação de produtos, utilizando para isso um processo inovador de usinagem e o design de dispositivos especiais. Além disso, possibilita o desenvolvimento de inovação tecnológica, que venha ao encontro da busca de soluções inovadoras na área de desenvolvimento de produtos e processos, mais especificamente, na busca por soluções de fabricação de implantes ósseos. Este mesmo procedimento pode ser usado também para a fabricação de formas orgânicas complexas, não sendo necessariamente limitado à obtenção de peças cerâmicas para implantes ósseos. Além disso, essa metodologia de usinagem permite ao Designer produzir inúmeros moldes cerâmicos (gesso) de formas imbricadas para colagem de barbotina. Isso abre um vasto limiar na criação de utilitários de cerâmica domestica, tais como, xícaras, pratos, objetos de decoração, etc, que não ficariam restritos a formas geométricas tradicionais. O Laboratório de Design e Seleção de Materiais (LdSM) colabora, neste sentido, na criação e no desenvolvimento dos roteiros de usinagem CNC e no Design de dispositivos para transformar os modelos computacionais de formas complexas em protótipos. 1.1 Visão Holística do Designer O primeiro degrau a ser superado pelo Designer ao se deparar com a necessidade de solucionar um problema ou no desenvolvimento de uma pesquisa deste tipo é o de unificar subsídios, tanto técnicos como

3 científicos, que venham a somar e refletir posteriormente na resolução desse desafio [2]. As relações que envolvem o design não estão dadas apenas entre a arte e a técnica, pois as abordagens sistêmicas ultrapassam a educação formal e singular e começam a despontar como um design complexo, que exige a pluralidade de conhecimento, mas busca principalmente interagir com diversas áreas e suas respectivas competências. Assim sendo, a visão holística do design é um fator decisivo na resolução deste tipo de problema e no desenvolvimento de novas soluções aplicadas ao projeto destas peças complexas. 1.2 Processo de Prototipagem de Implantes Ósseos Conforme descreve Mauren [3], em muitos ramos da ciência aplicada, há um grande interesse em se reconstruir imagens tridimensionais a partir de suas seções transversais, tais como imagens médicas, modelagem geológica e sistemas de fabricação industrial. No caso de imagens médicas, a tomografia computadorizada e a ressonância magnética são duas técnicas muito aplicadas na captura de informações de detalhes anatômicos dos pacientes, as quais são armazenadas como imagens bidimensionais. Os dados obtidos por esses sistemas de imagens médicas são, em geral, um conjunto de cortes paralelos uniformemente espaçados, apresentando imagens axiais da parte sob investigação. A Prototipagem Rápida é uma técnica que permite a produção de modelos sólidos 3D de formas complexas e que utilizam esses dados. Esse processo é muito empregado na confecção de modelos médicos. Segundo Lun-Jou Lo [4], o processo atual de prototipagem rápida para biomodelos é realizado conforme a Figura 1.

4 Figura 1 Rotinas do Processo Atual de Prototipagem. Na busca da melhoraria do processo atual, foi desenvolvida uma idéia inovadora de prototipagem que utiliza equipamentos CNC disponíveis no mercado, e que podem fabricar modelos de produtos de diversas formas e materiais, auxiliando assim o Designer na concepção de novas idéias de produtos com alta complexidade formal. 2. Metodologia O método proposto pelo LdSM pode ser dividido em duas etapas. Na primeira, as informações são geradas a partir de imagens oriundas de um tomográfo ou de um scanner 3D a Laser. Na Figura 2a observam-se os passos necessários para execução do processo com base na captação de dados do tomógrafo. O tomógrafo é um equipamento que possibilita a obtenção de imagens axiais da parte estudada através de cortes definidos com espessuras ajustáveis Estes fatores possibilitam a reconstrução da imagem em 3D, objeto de estudo deste trabalho. O detalhamento da imagem, define a área ou o detalhe que será usinado. Após definir a imagem, é então gerado um arquivo com extensão STL - código universal utilizado em equipamentos CNC. Esse código contém informações sobre as ferramentas de usinagem e os parâmetros necessários à fabricação do modelo. A próxima etapa consiste no posicionamento e alinhamento do dispositivo desenvolvido para

5 usinagem proposto pelo LdSM. O dispositivo contém o material que deverá ser usinado. Esse material pode ser vazado em seu interior; como exemplo, pode-se citar a hidroxiapatita e resinas poliméricas. Após a fixação do dispositivo, faz-se então o posicionamento da ferramenta de corte, e inicia-se a usinagem. Ao término da usinagem deve-se realizar um ensaio físico de posicionamento do modelo usinado com o modelo virtualmente proposto. Assim, as variações de montagem, quando houver, podem ser analisadas. Se o modelo está de acordo com a proposta inicial, parte-se para aplicação final. Se não estiver, o processo volta para a fase de definição da imagem. Na Figura 2b observam-se os passos necessários para execução do processo com base na captação de dados de um scanner 3D a Laser. O scanner utilizado é um equipamento do LdSM que capta a imagem do elemento, gerando uma nuvem de pontos que será trabalhada posteriormente. Em relação ao processo apresentado na Figura 2a, o que muda é a obtenção do modelo físico e o equipamento. O modelo físico pode ser obtido através da aplicação de massa de modelagem ou resinas poliméricas diretamente no elemento a ser usinado. Após a obtenção do modelo, é executado então a digitalização. As imagens obtidas pelo scanner 3D a Laser são analisadas e montadas em software especifico, que possibilita selecionar o detalhe que deverá ser fabricado. Após, concluídas essas etapas, o processo segue conforme os passos citados anteriormente, que são iguais aos da Figura 2a a partir do detalhamento do modelo 3D.

6 Figura 2 Processo de Usinagem Desenvolvido pelo LdSM. Ao comparar o processo atual de prototipagem com os processos propostos, conclui-se que os desenvolvidos pelo LdSM podem reduzir o tempo de fabricação de novos protótipos. Embora utilize o tomógrafo e o scanner 3D a Laser, a usinagem posterior do protótipo pode ser executada rapidamente em equipamentos usuais de mercado como fresadoras CNC, desde que o dispositivo de ancoragem da matéria-prima desenvolvido no LdSM seja utilizado. Assim, o leque de soluções que o Designer tem a sua disposição, tende a ampliar o horizonte de alternativas viáveis para confecção de um modelo de estudo ou um modelo funcional. 2. Resultados e Discussão 2.1 Design do Dispositivo de Usinagem Para o estudo de caso foi realizada a usinagem de um enxerto ósseo baseada nas informações geradas por um tomógrafo. As imagens de tomografia computadorizada servem como base para a criação do enxerto. Nesse caso foi aplicada a rotina descrita na Figura 2a. Essa técnica de usinagem permite a produção de modelos sólidos 3D a partir de imagens tridimensionais. O material utilizado para usinagem foi o cimento de fosfato de cálcio aplicado para preencher lacunas ósseas. Esse material possui propriedades muito interessantes para tal aplicação

7 pois tem grande similaridade química com a fase mineral óssea humana, favorecendo a osteocondução e a osteointegração. O processo de usinagem utilizando uma fresadora CNC, permite que modelos ou enxertos computacionais sejam transformados em modelos físicos, com a precisão adequada para o implante bucomaxilofacial. Com essa finalidade, foi desenvolvido pelo LdSM um dispositivo para a usinagem desses modelos conforme Figura 3. O dispositivo é composto de duas partes, uma base conforme Figura 3a e um suporte conforme Figura 3b. Na Figura 3c é demonstrada a montagem do conjunto. Este dispositivo permite a adequada fixação do material a ser usinado através de furos laterais. No processo de usinagem, primeiramente usina-se o lado superior do modelo e posteriormente o lado inferior. Com essas duas etapas completas, o processo está encerrado, ficando somente a separação da peça e acabamento para ultima etapa. Figura 3 Dispositivo desenvolvido pelo LdSM. O Designer, ao entrar nesse nível de desenvolvimento, tem a possibilidade de promover a integração entre diversas áreas do conhecimento, como medicina, biologia, engenharia e ciência dos materiais, visando atingir o resultado esperado, aplicando assim a multidisciplinaridade. 3.2 Obtenção do Modelo para Usinagem A tomografia computadorizada, após tratamento de imagem adequado, permite a visualização da estrutura óssea desejada. A Figura 4 é dividida em três fases distintas, sendo a Figura 4a a imagem gerada no tomógrafo já tratada em software especifico. Na Figura 4b, é indicada através do circulo a região de interesse para usinagem, que foi separada utilizandose um software para essa função. Na Figura 4c visualiza-se o detalhe definido para a usinagem e que será enxertado posteriormente..

8 Figura 4 Definição da área de usinagem. Tendo em mãos a imagem tridimensional Figura 4c do defeito ósseo, foi gerada então a estratégia de usinagem, e os principais pontos de fixação da peça no dispositivo. Após a definição desses parâmetros, foi gerado um arquivo em formato STL, para posterior usinagem do modelo em fresadora CNC. 3.3 Usinagem da Peça Cerâmica A primeira etapa para execução da usinagem do modelo, é a de preencher a área vazada do dispositivo. Na Figura 5 é demonstrado o suporte preenchido com material biocompatível, sendo a Figura subdividida em 5a, 5b e 5c. O material é vazado na cavidade e se fixa através de orifícios laterais. Na próxima fase, o dispositivo é fixado na maquina fresadora na qual é feito o alinhamento e são definidas as coordenadas nos pontos X0, Y0 e Z0. Nessa etapa a ferramenta já foi definida em um software de usinagem. Na Figura 5b é demonstrada essa parte do processo. Na Figura 5c a peça já esta usinada e pronta para o implante. Figura 5 Etapas do processo de usinagem. Nessa etapa do processo, vale ressaltar que o material para usinagem pode ser vazado na cavidade do dispositivo, podendo ser de origem cerâmico ou oriundo de resinas. Ainda há a possibilidade de fixação de uma placa rígida de material no mesmo dispositivo. Assim, pode-se usinar vários tipos de polímeros ou metais, não limitando o Designer no processo de seleção do material, mas, liberando o processo criativo na fabricação de um modelo de estudo ou modelo final.

9 3. 4. Analogia entre a Peça Digitalizada e a Peça Usinada Observando o resultado na Figura 6, pode-se dizer que o Designer tem como alternativa de desenvolvimento de produto, um processo viável e por vezes mais econômico que os processos de prototipagem atuais, feitos em maquinas especiais. Ao utilizar equipamentos comuns ao mercado, como fresadoras CNC, o custo para criação de modelos tende a ser reduzido. Assim, o lançamento de novos produtos, pode ter uma eficácia e vantagem competitiva melhoradas devido ao fato de que o investimento em prototipagem tende a diminuir com essa nova proposta de processo. Na Figura 6, pode-se observar a imagem virtual e a imagem da peça usinada. Figura 6 Imagem virtual e imagem do produto usinado. 4. Conclusão As profundas transformações que estão ocorrendo em todas as áreas da atividade social, cultural, política e econômica, causadas pelo uso cada vez mais intenso da tecnologia da informação e de desenvolvimento, tem mudado as bases de competição, forçando o Designer a se adequar pela busca constante de novas formas de planejar e desenvolver produtos. Assim, não podem mais contar com os procedimentos que demoram a produzir seus efeitos ou que são restritos pelo alto custo de aplicação. O Designer deve estar orientado para buscar e pensar em novas idéias e novas formas de fazer as coisas, criando um ambiente que favoreça aos novos desenvolvimentos. Desta forma, pensando em num processo que torne mais dinâmico esse procedimento de fazer o produto, e no sentido de superar as dificuldades impostas atualmente, esse trabalho vem demonstrar a viabilidade do Designer aplicar essa técnica visando concentrar-se nas perspectivas das oportunidades de mercado, vislumbrando também um crescimento

10 técnico e profissional, aliada a promoção e o estabelecimento de novas oportunidades com rapidez e objetividade. Neste sentido, o Designer tem ao seu alcance uma nova alternativa factível que possibilite a execução física de um produto com formas complexas que venha agregar valor ao processo criativo desse profissional Agradecimentos Este trabalho foi realizado com o apoio do CNPq e CAPES. Referências [1] Manual de Oslo, Proposta de Diretrizes para Coleta e Interpretação de Dados sobre Inovação Tecnológica, [2] COSTA, Christine Maria N. Analise das Relações Entre as Comunidades Envolvidas na Pratica Projetual e suas Influencias na Identidade do Designer, Dissertação Mestrado, Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná, Curitiba [3] MAUREN, Abreu de Souza, et al., 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 , [4] Lun-Jou Lo, et al. Computer-Aided Reconstruction of Traumatic Fronto-Orbital Osseous Defects: Aesthetic Considerations, The Craniofacial Center, the Department of Plastic and Reconstruction Surgery, Chang Gung Memorial Hospital, Taoyuan, Taiwan, [5] FERRARESI, D. Usinagem por Fresamento. In: Laboratório de Design e Seleção de Materiais, (