12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015

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1 12º CONGRESSO IEROMERICNO DE ENGENHRI MECNIC Guayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015 COMPRÇÃO ENTRE MTERIIS DE CONSUMO, UM NCIONL E OUTRO IMPORTDO, N CONFECÇÃO DE IOMODELOS TRVÉS D TÉCNIC DE IMPRESSÃO TRIDIMENSIONL. 1 Grande Neto, N. S., 1 Ravaganani, H.., 1 Martins, W.., 2 Zavaglia, C.. C., ²Zavagalia, F. C. 1 Tokimatsu, R. C. 1 Departamento de Engenharia Mecânica FEIS/UNESP 2 Departamento de Engenharia de Materiais FEM/UNICMP Área Temática: 12 (Ciências plicadas na Engenharia Mecânica Materiais e Metalurgia) venida rasil Centro, 56 Ilha Solteira/SP, rasil CEP newsalgn@gmail.com ruis@dem.feis.unesp.br ruisctok@gmail.com RESUMO Na área da saúde, um modelo físico da anatomia humana é chamado de biomodelo. Este tem papel fundamental no auxílio do planejamento de cirurgias complexas. Para sua confecção, são necessárias a execução de três etapas básicas: aquisição de imagens, tratamento destas imagens e a prototipagem rápida (PR). través de um conjunto de tecnologias, a PR é capaz de reproduzir fisicamente, em vários materiais, um modelo virtual camada a camada. técnica de impressão tridimensional tem seu funcionamento similar a uma impressora comercial a jato de tinta, porém deposita um aglutinante conhecido como binder no lugar da tinta, sobre camadas sucessivas de pó de gesso. reação do pó e do binder consolida o formato bidimensional de cada camada, e depois de vários ciclos um modelo tridimensional está completo. matéria-prima utilizada nesta técnica é de alto custo, pois é fornecida pelo próprio fabricante. Este trabalho teve como objetivo a preparação de um material de consumo nacional, utilizando gesso comercial para a fabricação dos corpos de prova. discussão e conclusões versam sobre a análise comparativa dos materiais, através de análises mecânicas dos prototipados, e granulométricas e morfológicas do pó de gesso, sendo que o material nacional é mais barato. PLVRS CHVE: iomodelos, impressão tridimensional, prototipagem rápida, impresora 3D, 3D Printer. INTRODUÇÃO No passado, as intervenções cirúrgicas eram planejadas por meio da experiência adquirida pelo cirurgião, através de estudos e atividades de dissecação de cadáveres e exemplares patológicos. Todavia, cada paciente é único, o que dificulta um diagnóstico preciso da anatomia envolvida no desenvolvimento de uma enfermidade, apenas através da experiência. o decorrer dos anos, tecnologias foram desenvolvidas para auxiliar de forma rápida e precisa o diagnóstico de cada paciente, como por exemplo a Tomografia Computadorizada (TC) e a Ressonância Magnética (RM). tualmente estas tecnologias são muito utilizadas, pois evidenciam de forma fiel, fatias com detalhes bidimensionais da região desejada, sendo assim possível a reconstrução mental do modelo 3D pelo cirurgião. Para facilitar esta transição, softwares específicos em tratamento de imagens, realizam a construção do modelo virtual sobrepondo as fatias em 2D (Figura 1a). Diagnósticos e técnicas mais precisas, como também simulação de cirurgias podem ser feitas em um ambiente virtual, proporcionando ao médico executar diversas estratégias, que idealizem o sucesso na intervenção cirúrgica. Grandes avanços foram alcançados na integração entre diversas áreas da medicina, computação e engenharia. No entanto uma técnica conhecida como biomodelagem, fruto desta integração, revolucionou o método em que as intervenções cirúrgicas são realizadas. biomodelagem é uma técnica capaz replicar a morfologia de uma estrutura advinda do interior do corpo humano, através de um modelo físico (Figura 1b). De uma forma totalmente nova, a medicina alcançou um outro nível em relação a cirurgias modernas, com a possiblidade do cirurgião realizar uma simulação prática da

2 cirurgia, detalhando para toda sua equipe a estratégia escolhida. Este planejamento aprimorado tem como principal objetivo a redução dos riscos presentes no momento da cirurgia e pós-cirúrgico (tempo de anestesia, infecções e eventuais problemas durante a cirurgia) dos pacientes, como também redução do número de procedimentos cirúrgicos necessários para se obter resultados finais satisfatórios. Figura 1 ) iomodelo virtual da maxila e o ) iomodelo físico da maxila (adaptado de MYSHIT, 2008). Um recente processo de fabricação, desenvolvido no final da década de 80, baseado na manufatura aditiva por camadas, conhecido como prototipagem rápida (PR) na linguagem técnica ou como impressão tridimensional na linguagem popular é utilizado para a confecção dos biomodelos. PR é formada de um conjunto de tecnologias que são capazes de reproduzir fisicamente, em vários materiais, um modelo virtual complexo de forma automatizada. PR é dividida em duas etapas (figura 2): a primeira é conhecida como processamento computacional, que visa a construção de um modelo virtual utilizando um sistema CD (Computer ided Desing) e conversão do arquivo gerado para a extensão STL (Standard Triangulation Language) e a segunda é conhecida como processo de prototipagem rápida, onde o modelo virtual é fatiado em planos 2D e posteriormente a máquina fabrica camada a camada, até que o modelo tridimensional esteja completo (VOLPTO et al, 2007). Figura 2 - Etapas básicas do processo de prototipagem rápida (VOLPTO et al, 2007). s tecnologias de PR disponíveis no mercado nacional foram classificadas de acordo com o tipo de processo, são eles: baseados em sólidos, líquidos e pós (SILV; KMINSKI; VOLPTO et al., 2007). Segundo Gouveia (2009) para a confecção de biomodelos (figura 3), as técnicas mais utilizadas são: Estereolitografia (SL), quando há a necessidade de um material translúcido, Sinterização seletiva a laser (SLS) ou Modelagem por Fusão e Deposição (FDM), para o planejamento de osteotomias (corrigir uma restauração ou deformidade do esqueleto) e Impressão Tridimensional (3DPrinter), para o planejamento de cirurgias craniofaciais, pois atendem satisfatoriamente os requisitos de visualização e manuseio.

3 C Figura 3 ) iomodelo obtido através da técnica SL, ) iomodelo obtido através da técnica SLS e C) biomodelo obtido através da técnica 3DPrinter ( e ) adaptados de MEURER et al,2007 e C) autor próprio). tualmente a aplicação da biomodelagem é limitada, devido aos altos custos de aquisição de softwares específicos para o tratamento de imagens, máquinas de alto desempenho para a confecção dos biomodelos e matéria-prima de qualidade. Diante desta limitação, as pesquisas relacionadas a materiais paralelos ao dos fabricantes são extremamente importantes, pois a descoberta de matérias primas de baixo custo, viabilizam cada vez mais a inclusão da biomodelagem em centros cirúrgicos em geral. MTERIIS E MÉTODOS Preparação da Matéria-prima Nacional O pó para prototipagem rápida deve possuir fluidez para uma distribuição homogênea, alto empacotamento das partículas para maximizar a densidade dos prototipados, que não seja higroscópico, que a espessura da camada deve ser maior do que as dimensões dos aglomerados e que possua bom acabamento superficial após a camada ser depositada. Sendo assim, este trabalho foi baseado na composição de 94 Vol.% de gesso em pó, 5 Vol.% de ligante e 1 Vol.% de agente higroscópico recomendada por Meira (2013). O ligante utilizado neste trabalho foi o Álcool Polivinílico (PV), que atua como um aglomerante das pequenas partículas de gesso, e o agente higroscópico utilizado foi o Carboximetilcelulose (CMC), que atua como um absorvente de excesso de água. Os materiais utilizados para a preparação da matéria-prima nacional foram: Gesso em pó da marca Ingenor, Álcool Polivinílico (PV) da marca NEON, Carboximetilcelulose (CMC) da marca Synth, Peneira granulométrica de #150 mesh da marca Granutest, Pistilo e almofariz cerámicos, alança digital G8000 da marca GEHK, Prensa isostática da marca utoclave Engineers e Moinho analítico M20 Universal da marca Iko. O gesso vendido comercialmente possui tamanhos de partículas menores do que o gesso utilizado para prototipagem rápida, pois o processo que o transforma em pó necessita de um rigoroso controle, devido a suas diversas aplicações de acabamento na construção civil, na fabricação de moldes para odontologia, entre outros. Sendo assim, o pó de gesso foi compactado utilizando uma prensa isostática a uma pressão de 30 MPa, para posteriormente ser moído manualmente utilizando um pistilo e almofariz de cerâmica, com o objetivo de se obter pó de gesso no tamanho de partículas em torno de 0.105mm, que são aproximadamente a espessura das camadas prototipadas. Para isso o pó de gesso recém moído foi peneirado e as partículas que não passaram pela abertura da malha foram moídas novamente. O mesmo procedimento foi utilizado para as partículas de PV, mas não é possível moer as partículas manualmente, logo foi necessário a utilização de um moinho analítico. Em seguida, as partículas de gesso e PV que passaram pela abertura da peneira de #150 e o CMC que já se encontra na forma física desejada foram pesados em uma balança digital nas proporções da composição desejada. mistura a seco foi realizada dentro de um vasilhame. Caracterização das Matérias-primas Para a caracterização dos pós foram realizadas análises por meio de técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), a fim de verificar a morfologia dos grãos. s imagens das amostras de pós foram obtidas através do equipamento EVO LS15 Zeiss localizado no Laboratório Multiusuário de Microscopia Eletrônica de Varredura da FE/IS UNESP. O material importado ZP 131 utilizado neste estudo foi produzido pela empresa Zcorporation e gentilmente cedido pelo Instituto Nacional de iofabricação (INCT IOFRIS) da Universidade Estadual de Campinas (UNICMP). lgumas informações sobre a composição podem ser vistas na tabela 1.

4 Confecção das mostras s amostras foram produzidas por meio da técnica de impressão tridimensional, utilizando o equipamento ZPrinter 310 PLUS da empresa ZCorporation, localizada no INCT-IOFRIS UNICMP. Figura 4 apresenta a imagem do equipamento e o princípio de funcionamento da técnica 3DPrinter. Parâmetros de processo e algumas características da máquina, estão apresentados na tabela 2. Foram obtidos 60 corpos de prova nas dimensões: 6x4x40mm (flexão) e Ø7x14mm (compressão) segundo as normas C e C respectivamente para o material importado e mais 60 para o material nacional. Impressora ZPrinter 310 Plus e seu princípio de funcionamento (adaptado de VOLPTO et al, 2007). Tabela 2 - Parâmetros e características da máquina ZPrinter 360 Plus (Fonte: ZPrinter 310 Plus Hardware Manual). Cor Monocromática Resolução 300x450 dpi Velocidade de impressão vertical 25 mm/h Dimensões do reservatório de impressão 203x254x203 mm Formatos de arquivos para impressão STL, VRML, PLY, 3DS, ZPR Dimensões do equipamento 74x86x109 cm Espessura de camada 0,089 0,203 mm Tolerância dimensional dos prototipados ±1,0% ou ± mm Segundo Meira (2013), o binder (aglutinante) utilizado para a fabricação dos prototipados, composto de agentes reativos, emolientes, lubrificantes e estabilizantes (90 Vol.% de água destilada, 5 Vol.% de álcool isopropilico, 4,5 Vol.% de glicerina e 0,5 Vol.% de extran) atende satisfatoriamente para a realização deste trabalho. Caracterização das mostras Para a caracterização das amostras obtidas, foram realizadas análises por meio da técnica Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) com a finalidade de verificar a superfície e a porosidade dos materiais. Foram realizados ensaios de compressão e flexão em três pontos para a caracterização mecânica dos prototipados utilizando o equipamento MTS 810 localizado no Laboratório de Ensaios Mecânicos do DEM/FEM da UNICMP. Para as análises físicas de densidade e fidelidade dimensional foram utilizadas uma balança de precisão S5500C Marconi localizada no laboratório de Convecção natural e escoamento bifásico da FE/IS UNESP e um paquímetro da marca Mitutoyo. RESULTDOS E DISCUSSÃO Caracterização das Matérias Primas figura 5 mostra os aspectos da matéria prima importada observada através da microscopia eletrônica de varredura.

5 Figura 5 Partículas da matéria-prima importada observadas por microscopia eletrônica de varredura. ) com aumento de 500x e ) com aumento de 5000x (utor Próprio). Observa-se que as partículas não possuem uma geometria definida, inclusive não possuem uma forma arredondada, como também estão distribuídas em majoritariamente em partículas pequenas e algumas outras maiores. Segundo Zavaglia (2011), a nálises feitas no material importado pelo Prof. Carlos lberto Fortulan da EESC- USP comprovaram que a geometria das partículas não é arredondada, porém apresentam uma distribuição granulométrica bimodal em torno de 10µm e 50µm, característica que proporciona promover uma boa fluidez e bom empacotamento das partículas após a prototipagem. Segundo udding (2013) o tamanho das partículas do material importado está distribuído entre 0,4µm e 120µm, e com uma média de 46,33µm. figura 6 mostra os aspectos da matéria prima nacional observada através da microscopia eletrônica de varredura. Figura 6 - Partículas da matéria-prima nacional observadas por microscopia eletrônica de varredura. ) com aumento de 500x e ) com aumento de 5000x (utor Próprio). Verifica-se que as partículas não possuem geometria arredondada e em sua grande maioria são compostas por um aglomerado de partículas pequenas ou partículas grandes junto a outras menores. O ligante presente neste composto, aglomerou as pequenas partículas do gesso, aumentando assim o contato da água na fabricação das camadas. Caracterização Mecânica das mostras tabela 3 mostra as médias e os desvios dos resultados obtidos nos ensaios de compressão e flexão, como também as variações dimensionais na condição sem cola e a tabela 4 mostra as médias de densidade das amostras.

6 Tabela 3 Médias e desvios dos resultados obtidos nos ensaios de compressão e flexão das amostras na condição sem cola (utor Próprio). Ensaio de Compressão Ensaio de Flexão Matéria- Tensão Prima Máxima Diâmetro ltura Comprimento Largura Espessura Tensão Máxima (MPa) (MPa) Importada 7,15±0,05 14,30±0,00 1,87±0,19 40,25±0,06 6,28±0,06 4,12±0,04 1,46±0,21 Nacional 7,12±0,07 14,40±0,00 0,45±0,06 39,97±0,06 6,30±0,03 4,28±0,06 0,64±0,10 Tabela 4 Densidade média das amostras prototipadas na condição sem cola (utor Próprio). Matéria-prima Densidade (g/cm³) Importado 1,162 Nacional 0,794 Segundo Meira (2013) a resistência à flexão media com desvio padrão de prototipados a base de gesso com ligante Polivinil urtiral (PV), na granulometria entre 200 a 400 mesh, se encontra em torno de 0,205 ±0,045 MPa com densidade média de 0,644 g/cm³. Pode-se observar na tabela 7 que o valor de resistência a flexão médio com desvio padrão para o composto proposto neste trabalho, a base de gesso e ligante Álcool Polivinílico (PV), na granulometria de 150 mesh se encontra em torno de 0,64±0,10 MPa (aproximadamente três vezes maior), valor muito satisfatório, visto que não foi atingido a granulometria recomendada. O ligante escolhido para este trabalho mostrou um desempenho melhor na aglomeração das pequenas partículas de gesso como pode ser visto na figura 6, aumentando assim o contato da água com o gesso, proporcionando uma reação química melhor, consequentemente aumentando a resistência e a densidade dos prototipados. O material nacional proposto neste trabalho não atingiu os valores de resistência mecânica e densidade suficiente para se igualar ao material importado, mas garantiu resistência suficiente para o manuseio das peças, característica determinante para aplicação em biomodelos ou protótipos. s figuras 7 e 8 mostram a região de fratura dos prototipados através da microscopia eletrônica de varredura. Figura 7 Região de fratura do prototipado com matéria-prima importada. ) com aumento de 30x e ) com aumento de 1000x (utor Próprio).

7 Figura 8 Região de fratura do prototipado com matéria-prima nacional. ) com aumento de 30x e ) com aumento de 1000x (utor Próprio). É possível observar grande porosidade nos dois materiais, porém nos prototipados com material importado, após o contato do binder sobre as camadas, os aglomerados ficaram menores e mais uniformes do que os aglomerados no material nacional, aumentando significativamente a sua densidade e resistência mecânica. s figuras 9 e 10 mostram a região da superfície dos prototipados através da microscopia eletrônica de varredura. Figura 9 Região da superfície do prototipado com matéria-prima importada. ) com aumento de 20x e ) com aumento de 500x (utor Próprio). Figura 10 - Região da superfície do prototipado com matéria-prima nacional. ) com aumento de 20x e ) com aumento de 500x (utor Próprio).

8 É possível observar que os prototipados com material importado possuem uma superfície regular e arestas mais bem definidas (não abaulamento dos cantos vivos), por este fato as camadas dos prototipados, quase que por toda sua extensão, tiveram uma espessura mais homogênea e regular, aproximando o valor médio da altura (14,30±0,00 mm) e espessura (4,12±0,04 mm) para o valor das dimensões do projeto virtual (altura igual a 14 mm e espessura igual a 4 mm). CONCLUSÕES Primeiramente, o composto proposto para este trabalho promoveu com sucesso a manufatura de peças e proporcionou resistência mecânica suficiente para o manuseio das mesmas, característica determinante para um material paralelo ao do fabricante, caso contrário seria impossível a retirada dos prototipados da plataforma de impressão. s pequenas partículas do gesso foram aglomeradas com sucesso devido a presença de 5% em peso do ligante PV, que se mostrou mais eficiente do que o ligante PV, proporcionando assim uma reação química melhor entre a agua e o gesso. O material importado possui densidade e resistência mecânica maiores do que o material nacional, porém para a composição do composto nacional foi gasto em torno de R$5,17 por kg, enquanto o material importado custa em torno de 100 vezes mais. grande diferença de custos entre os materiais, demonstram que é possível viabilizar a técnica de impressão tridimensional utilizando materiais paralelos para se obter biomodelos, visto que para a produção da matéria-prima nacional não há necessidade de mão de obra qualificada e utilizando métodos e equipamentos industriais é possível ter um aumento expressivo na produção. GRDECIMENTOS REFERÊNCIS [1] UDDING,.; VNEKER, T. H. J. - NEW STRTEGIES FOR POWDER COMPCTION IN POWDER-SED RPID PROTOTYPING TECHNIQUES VILLE ONLINE T [2] GOUVEI, M. F. PLICÇÃO D PROTOTIPGEM RÁPID NO PLNEJMENTO DE CIRURGIS CRNIOFCIIS F. TESE (DOUTORDO EM ENGENHRI MECÂNIC) FCULDDE DE ENGENHRI MECÂNIC, UNIVERSIDDE ESTDUL DE CMPINS, CMPINS, [3] MEIR, C. R. ET L. DESENVOLVIMENTO DE PÓ À SE DE GESSO E INDER PR PROTOTIPGEM RÁPID. CERÂMIC, SÃO PULO, V. 59, N. 351, P , SEPT VILLE FROM < CCESS ON 31 JULY [4] MIYSHIT, E. R. VLIÇÃO DS TENSÕES ÓSSES GERDS POR PRÓTESE OTURDOR MXILR CLSSE IV DE RMNY POR MEIO D NÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS F. DISSERTÇÃO (MESTRDO EM ODONTOLOGI PRÓTESE UCO MXILO FCIL) - FCULDDE DE ODONTOLOGI, UNIVERSIDDE DE SÃO PULO, SÃO PULO, [5] SILV, G. C., KMINSKI, P. C. PROTOTIPGEM RÁPID PLICD ÀS PEÇS UTILIZDS EM ENSIOS ESTÁTICOS DE EMLGENS PR CONDICIONMENTO E TRNSPORTE DE PEÇS UTOMOTIVS. IN: XVI CONGRESSO E EXPOSIÇÃO INTERNCIONIS D TECNOLOGI D MOILIDDE, SÃO PULO, RSIL, DE NOVEMRO DE 2007, P.1-9. SE TECHNICL PPER SERIES N , [6] VOLPTO, N.; FERREIR, C. V.; SNTOS, J. R. L. PROTOTIPGEM RÁPID: TECNOLOGIS E PLICÇÕES. SÃO PULO: EDGRD LÜCHER, P. [7] ZVGLI, F. C. SÍNTESE, CRCTERIZÇÃO E PROCESSMENTO DE ET FOSFTO TRICÁLCICO PR MNUFTUR DE IMPLNTES PERSONLIZDOS F. DISSERTÇÃO (MESTRDO EM ENGENHRI MECÂNIC) UNIVERSIDDE ESTDUL DE CMPINS CMPINS, SP