ESTUDO DE CASO: A UTILIZAÇÃO DE BIOMODELO NO PLANEJAMENTO DE ÓRTESE PARA TRATAMENTO DE LAMINITE BOVINA

Transcrição

1 ESTUDO DE CASO: A UTILIZAÇÃO DE BIOMODELO NO PLANEJAMENTO DE ÓRTESE PARA TRATAMENTO DE LAMINITE BOVINA M. A. R. dos Santos 1, R. C. Tokimatsu 2, T. L. E. Treichel 3 1 Departamento de Design de Interiores, Universidade de Rio Verde UniRV, Rio Verde-GO, 2 Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual Paulista - UNESP Julio de Mesquita Filho, Ilha Solteira-SP, 3 Departamento de Medicina Veterinaria, Universidade de Rio Verde UniRV, Rio Verde-GO. 1 Rua dos Apinajés, QD7, LT7, Parq. Das Laranjeiras Prol., CEP , Rio Verde GO, Brasil, marcelorozan@gmail.com RESUMO Nos dias atuais, a laminite é considerada uma das principais patologias mundiais que atacam os rebanhos bovinos. Esse tipo de problema ocorre quando as estruturas das paredes dos cascos inflamam, ocorrendo dores, mudança de postura, falta de alimentação e claudicação. Esta patologia apresenta uma grande perda econômica na pecuária na área de rebanho leiteiro devido o animal diminuir sua produção ou até mesmo sendo necessário sacrificá-lo. O objetivo desta pesquisa é desenvolver um biomodelo personalizado do casco de um bovino utilizando a tecnologia de engenharia reversa e manufatura aditiva para auxiliar no planejamento de órteses para o tratamento de laminite. O resultado desta pesquisa foi a digitalização de um casco bovino e a criação de um biomodelo, utilizando as técnicas engenharia reversa e manufatura aditiva para auxiliar no desenvolvimento de órteses personalizadas com intuito de ajudar na aplicação dos medicamentos, não permitindo o contato direto do casco com a superfície. Palavras-chave: Biomodelo, Manufatura aditiva, Engenharia reversa, Laminite, Poda bovina. INTRODUÇÃO A laminite é um processo inflamatório das lâminas do cório que leva a disrupção da função derme/epiderme e mal-formação da camada córnea. Esta patologia é uma das causas de manqueira em vacas leiteiras que causado prejuízos à produção. E este fator é um dos que mais incentivam a pesquisa em todo mundo. As consequências da laminite são alterações de cor dos apêndices córneos, lesões da linha branca, erosões no talão, hemorragias na sola entre outros (1). 8706

2 A laminite pode ocorrer devido o excesso de peso sendo apoiado sobre um membro e associada a claudicação aguda de grau variável que envolve um membro ou mais com a laminite (2,3). A busca de novas tecnologias para promover agilidade no processo de produção e na fabricação como a Engenharia Reversa e a Manufatura Aditiva tem contribuído muito nos dias atuais Engenharia Reversa (ER), é uma tecnologia que diminui os ciclos de produção dos produtos (4,5). A ER duplica um modelo existente através de uma varredura digital e reconstrói a geometria da peça digitalizada sem ter nenhum processo de ferramenta ou programa de desenho assistido por computador (CAD). A ER digitaliza um modelo físico existente reconstruindo virtualmente, podendo ser salvo em um arquivo para ser modelado posteriormente (5,6). A Manufatura Aditiva (MA) possui mais de 20 sistemas no mercado de produção por adição e todas elas se baseiam no mesmo princípio de fabricação por camadas planas a partir de um biomodelo virtual. A fabricação por adição de camadas permite construir geometrias complexas sem o auxílio de ferramentas como moldes. Os processos de produção pela MA são baseados em Líquido, Sólido e Pó (7,8). As órteses são dispositivos criados para auxiliar um membro que necessite de suporte ou disfunção. Pode ser aplicado externamente ou internamente ao segmento corpóreo (9). O objetivo desta pesquisa é utilizar as tecnologias de ER e MA para desenvolver um biomodelo personalizado do casco de um bovino e modelar órteses personalizadas para auxiliar no tratamento da laminite, permitindo fazer aplicação de medicamento no casco e evitando que o mesmo tenha contato com a superfície terrestre. MATERIAIS E MÉTODOS Para o desenvolvimento do projeto, será utilizado o aparelho celular da marca Samsung SM-J&30G com processador 1.6 GHz Octa Core, tela de 5.5, câmera traseira com resolução de 13.0 MP, memória RAM 3 GB e memória interna de 64 GB, sistema operacional Androide 7.0 e resolução de gravação de vídeo FHD (1920 x 30 Fps. Após retirar as imagens da câmera pelo equipamento definido, será utilizado o programa livre chamado 3DF Zephy Free para desenvolver a ER pela técnica de fotogrametria. Este programa possui a capacidade de converter imagens 8707

3 de foto 2D e criar um biomodelo tridimensional virtual. O programa cria uma densidade de pontos e depois faz a triangulação entre eles para montar superfícies tridimensionais do objeto fotografado. Para o desenvolvimento de modelagem, remoção de artefatos indesejável, ajustes de correção e escala será utilizado um programa livre chamado Meshmixer e que foi desenvolvido pela empresa Autodesk, a versão ser utilizada do programa é a Para dividir o Biomodelo em camadas e imprimi-lo em uma impressão 3D, será utilizado um programa livre chamado Repetier-Host que possui um mecanismo de fatiamento interno. Este programa foi desenvolvido pela Hot-World GmbH & Co. Kg e a versão a ser utilizada será (C). Para a produção do biomodelo físico e as órteses para estudo da laminite será utilizado a impressora 3d Prusa I3 que utiliza a técnica de Fusão e Deposição de Material. Este equipamento fabrica o modelo virtual utilizando o sistema de produção por adição de camadas. Todos os processos desenvolvidos nesta metodologia serão feitos em um Notebook da Marca Dell, modelo Inspiron 15R 7520 SpecialEdition. Esta máquina possui tela FullHD (1080p) de 15,6, seu processador é Intel Core i7-3612qm 2.10GHz - 3 Geração dos Processadores Intel. Sua memória é de 8gb, e seu HD possui 1Terabyte de armazenamento, sua placa de vídeo é dedicada AMD Handeon HD7730M com 2048Mb. O sistema Operacional é Windows 10 PRO. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para o desenvolvimento do projeto, inicialmente foi preciso escolher um modelo físico para desenvolver os estudos e criar um biomodelo virtual. Como escolha de objeto, foi definido um casco bovino que será utilizado para o desenvolvimento de um biomodelo virtual através da técnica de ER utilizando o método de fotogrametria. A Figura 01 ilustra o modelo escolhido para a criação do biomodelo virtual. 8708

4 Figura 01 Modelo físico de um casco bovino utilizado para criação de um biomodelo virtual O primeiro passo do projeto, foi tirar 50 fotos em torno do casco no sentido de 360 mantendo sempre o objeto ao centro. A distância média de cada fotografia foi de 30 cm e a posição da câmera do celular foi na posição vertical. Após esse primeiro procedimento foi importado todas as imagens para o programa 3DF Zephy Free para o desenvolvimento do processo de ER utilizando a técnica de fotogrametria. A Figura 02 ilustra a importação das imagens para o programa para iniciar a criação da densidade de pontos utilizando o comando dense point. Figura 02 Criação de nuvem de pontos através das fotografias 8709

5 Como segundo passo, através do comando triangulated mesh, foi realizado o processamento desses pontos para criação de malhas triangulares por toda superfície do modelo, desta forma é possível ver claramente a volumetria e a textura tridimensional do biomodelo virtual criado, conforme a Figura 03. Figura 03 Processamento de superfícies triangulares através da densidade de pontos No terceiro passo, foi criado a textura da superfície utilizando o comando textured mesh e a limpeza dos artefatos soltos. Esse processo fixa a textura da foto sobre a superfície triangular criada anteriormente. A Figura 04 mostra a superfície criada. Figura 04 Textura aplicada sobre a triangulação da superfície No quarto passo, o arquivo criado pela técnica de ER foi exportado para uma extensão STL (Structured Triangular Languagem) para ser aberto no programa 8710

6 Meshmixer da empresa Autodesk e assim ser modelado. Neste programa foram removidas as partes não utilizadas e foi corrigida as imperfeições geradas na superfície. A Figura 05 ilustra o biomodelo virtual sendo importado para a realização dos ajustes necessários. Figura 05 Modelagem do biomodelo e correção de rugosidade da superfície Como quinto passo, depois de realizar todo o processo de correção da superfície e ajuste foi preciso preparar o biomodelo virtual para ser exportado para o programa Repetir-Host, é neste programa que o modelo tridimensional será dividido em diversas camadas para realizar a produção por adição. A Figura 06 ilustra o biomodelo já no programa de fatiamento pronto para ser segmentado em camadas para impressão por MA. Figura 06 Biomodelo importado no programa Repetier-Host para ser segmentado em camadas 8711

7 Por fim, o sexto e último passo, para a produção do biomodelo foi configurado no programa Repetir-Host a criação de suportes para sustentar as superfícies em balanço do modelo e também determinado uma altura de 0.25 mm para cada camada de impressão. O Bico de extrusão possui uma saída de 0.4 mm de diâmetro e é próprio para utilizar o filamento de polímero 1.74 mm de diâmetro. A temperatura de extrusão do bico foi programada com 240 C com uma mesa aquecida de 90 C para manter o objeto impresso e fixo na superfície da mesa de trabalho, evitando assim o efeito de descolagem (warp). O polímero escolhido para a produção do Biomodelo foi o Poli (tereftalato de etileno) - PET, modificado com Glycol G, esse polímero é conhecido como PETG. Figura 07 Ilustra o fatiamento feito pelo programa Repetir-Host aguardando o comando de executar a impressão. Figura 07 Fatiamento configurado pronto para executar a impressão Após toda configuração e programação realizada de forma digital, o Biomodelo virtual foi produzido utilizando a técnica de Fusão e Deposição de Material FDM pela impressora 3D Prusa I3. Esta impressora utiliza uma mesa aquecida de suporte para fabricação e se movimenta no sentido X e Y. A partir destes movimentos o bico de extrusão vai derretendo um filamento e fundindo camada por camada no sentido Z programado pelo software Repetir-Host até finalizar toda a altura do biomodelo. A Figura 08 ilustra a construção do biomodelo físico pela técnica de FDM. 8712

8 Figura 08 Impressão 3D do biomodelo físico pela Manufatura Aditiva Depois de fabricado, é possível analisar e comparar a volumetria do biomodelo com o modelo original. A Figura 09, ilustra a superfície do casco do modelo original (a) com o mesmo valor de 42 mm medido no biomodelo físico fabricado pela técnica de Manufatura Aditiva (b). (a) Figura 09 Modelo original de um casco de boi (a) e Biomodelo físico fabricado (b) (b) Depois de produzir o biomodelo, foi modelado dois tipos de órtese para o desenvolvimento e estudo para o tratamento da patologia laminite. O propósito dos dois modelos foi verificar se é possível criar uma órtese aonde possa ser calçado no 8713

9 casco do animal e fazer a aplicação dos medicamentos necessário, evitando que o casco tenha contato direto com o piso. Para a modelagem das órteses seguindo a mesma anatomia do biomodelo, foi utilizado o mesmo programa de modelagem Meshmixer. A Figura 10 e 11 ilustra parte do desenvolvimento da modelagem das órteses no programa. Figura 10 Protótipo de órtese separada Figura 11 Protótipo do modelo de órtese inteira Após a impressão das órteses pela técnica de MA, foi possível testá-las tanto no biomodelo produzido quanto no modelo original e o resultado do encaixe das órteses nos moldes foram satisfatórios permitindo tanto a aplicação dos medicamentos que 8714

10 serão definidos pelos profissionais da área da Medicina Veterinária como também, as órteses não deixam o casco ter contato direto com a superfície do terreno. Figura 12 Resultado da aplicação das órteses no biomodelo e modelo original CONCLUSÃO Através das tecnologias de Engenharia Reversa e Manufatura Aditiva, foi possível desenvolver um biomodelo de um casco bovino utilizando um modelo existente e criar a partir dele, diversos protótipos de órteses para estudar, analisar e auxiliar nas possibilidades do tratamento da laminite. O biomodelo apresentou uma volumetria compatível com o modelo original e os protótipos de órteses encaixaram perfeitamente. As órteses produzidas pela técnica de Manufatura Aditiva permitiram a aplicação do medicamento necessário para o tratamento da Laminite evitando o contato direto do casco com a superfície do terreno. 8715

11 AGRADECIMENTOS A Universidade de Rio Verde UniRV em apoiar e incentivar a pesquisa deste projeto e a Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho Unesp pelo apoio, auxílio e dedicação para a conclusão deste projeto. REFERÊNCIAS 1. FERREIRA, P. M. et al. Custo e resultados do tratamento de seqüelas de laminite bovina&58; relato de 112 casos em vacas em lactação no sistema free-stall. Arquivo Brasileiro de Medicina Veterinária e Zootecnia, v. 56, n. 5, p , BELKNAP, J. K.; PARKS, A. Lameness in the extremities: the foot. BAXTER, GM Adams & Stashak's lameness in horses, v. 6, p , ROSS, Michael W.; DYSON, Sue J. Diagnosis and Management of Lameness in the Horse-E-Book. Elsevier Health Sciences, RAJA, V.; FERNANDES, K. J. (Ed.) Reverse engineering: an industrial perspective. London: Springer Science & Business Media, ISBN SOKOVIC, M.; KOPAC, J. RE (reverse engineering) as necessary phase by rapid product development. Journal of Materials Processing Technology, v. 175, n. 1, p , ISSN LIN, Y.-P.; WANG, C.-T.; DAI, K.-R. Reverse engineering in CAD model reconstruction of customized artificial joint. Medical Engineering & Physics, London, v. 27, n. 2, p , ISSN Disponível em: < Acesso em: 23 ago VOLPATO, N. Prototipagem rápida: tecnologias e aplicações. São Paulo: Edgard Blucher, CANCIGLIERI JUNIOR, O.; SELHORST JUNIOR, A.; SANT ANNA, Â. M. O. Método de decisão dos processos de prototipagem rápida na concepção de novos produtos. Gestão & Produção, São Carlos, v. 22, p , ISSN X. Disponível em: < Acesso em: 23 ago CARVALHO, J. A. Órteses: um recurso terapêutico complementar. Barueri: Manole, ISBN

12 CASE STUDY: THE USE OF BIOMODEL IN THE ORTHODOUS PLANNING FOR THE TREATMENT OF BOVINE LAMINITE M. A. R. dos Santos 1, R. C. Tokimatsu 2, T. L. E. Treichel 3 1 Department of Interior Design, Rio Verde University UniRV, Rio Verde - GO, 2 Department of Mechanical Engineering, Paulista Public University - UNESP Julio de Mesquita Filho, Ilha Solteira-SP, 3 Department of Veterinary Medicine, University of Rio Verde UniRV, Rio Verde - GO. 1 marcelorozan@gmail.com ABSTRACT Nowadays, laminitis is considered one of the main worldwide diseases that affect cattle herds. This type of problem occurs when the structures of the walls of the hoofs inflame, occurring pains, change of posture, lack of feeding and lameness. This pathology presents a great economic loss in the cattle ranch in the area of dairy herd because the animal diminishes its production or even being necessary to sacrifice it. The objective of this research is to develop a customized biomodel of a bovine hull using reverse engineering and additive manufacturing technology to aid in the planning of orthoses for the treatment of laminitis. The result of this research was the digitization of a bovine hull and the creation of a biomodel, using the techniques reverse engineering and additive manufacture to assist in the development of customized orthoses with the purpose of assisting the application of the medications, not allowing the direct contact of the hull with the surface. Keywords: Biomodel, Additive manufacturing, Reverse engineering, Laminitis, Bovine Pruning. 8717