A UTILIZAÇÃO DAS TECNOLOGIAS ENGENHARIA REVERSA E MANUFATURA ADITIVA PARA CONFECÇÃO DE IMOBILIZADORES ORTOPÉDICOS

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1 A UTILIZAÇÃO DAS TECNOLOGIAS ENGENHARIA REVERSA E MANUFATURA ADITIVA PARA CONFECÇÃO DE IMOBILIZADORES ORTOPÉDICOS Marcelo A. R. Dos Santos¹, Ruís C. Tokimatsu 2 1 Dep. De Engenharia Mecânica, Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Ilha Solteira (SP), Brasil. marcelorozan@gmail.com 2 Dep. De Engenharia Mecânica, Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Ilha Solteira (SP), Brasil. ruisctok@gmail.com Resumo. Em busca de uma qualidade de vida melhor, as pessoas portadoras de necessidades especiais e que tenham dificuldades ou limitações em suas atividades diárias, a Engenharia de Reabilitação vem buscando cada vez mais, melhorias através de novas tecnologias para que elas possam ter sua vida mais dinâmica e com mais qualidade de vida. O objetivo desta pesquisa é utilizar tecnologias como Manufatura Aditiva e Engenharia Reversa para inovar e proporcionar produtos com mais rapidez, mais resistência mecânica e qualidade, possuindo medidas personalizadas e com um custo mais acessível à população. Foi possível concluir com esta pesquisa o desenvolvimento de uma órtese personalizada utilizando a tecnologia de Engenharia Reversa para a digitalização em três dimensões do membro superior afetado e confeccionado uma órtese personalizada através da tecnologia de Manufatura Aditiva pela técnica de Fusão e Deposição de Material utilizando como matéria prima poli (ácido-láctico) biodegradável. Palavras-chave: Imobilizadores ortopédicos, Manufatura aditiva, Engenharia reversa, Órteses. 1. INTRODUÇÃO Atualmente as empresas buscam por produtos altamente competitivos com tempo de entrega rápida. Devido a essas expectativas e para atender esses clientes as empresas tem investido em tecnologias como Engenharia Reversa (RE Reverse Engineering). A Engenharia Reversa é uma tecnologia capaz de reduzir os ciclos de produção no desenvolvimento de produtos, Raja e Fernandes (2007); Sokovic e Kopac (2006). Através do processo de Adição, na década de 1980, uma nova técnica foi desenvolvida utilizando fusão por camadas, desta forma foi mais rápido a produção de produtos. Hoje existem no mercado atual, mais de vinte tipos de técnicas por fusão de camadas, elas são chamadas de Manufatura Aditiva (AM Additive Manufacturing). Segundo Volpato (2007), esta tecnologia permite confeccionar produtos, objetos, protótipos e peças em três dimensões diretamente utilizando um modelo tridimensional. Esses modelos produzidos, são feitos rapidamente mesmo possuindo geometrias complexas ou simples. Na área da Ortopedia, o desenvolvimento de órteses personalizadas tem um custo muito alto devido as técnicas e moldes utilizados, desta forma, a produção destas órteses a uma classe média/baixa acaba sendo inviável. Segundo Carvalho (2006), as órteses são dispositivos criados com a finalidade de proporcionar aos pacientes, melhorias podendo ser aplicadas externamente ao segmento corpóreo ou que necessitem de suportes ou disfunção. Para que os pacientes tenham acessos a dispositivos mais confortáveis, pensando no bem-estar, na funcionalidade e na renda que esse público atinge, a pesquisa tem como objetivo produzir um dispositivo imobilizador personalizado e que atendam todos esses parâmetros. Irá analisar o membro digitalizado tridimensionalmente pela tecnologia Engenharia Reversa e depois será confeccionado uma órtese pela tecnologia de Manufatura Aditiva utilizando o processo de Fusão e Deposição de Material (FDM). 65

2 Verificar também se o dispositivo produzido personalizado proporciona um encaixe adequado permitindo um conforto melhor ao paciente. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Para a criação do imobilizador ortopédico personalizado será utilizado a tecnologia de Engenharia Reversa pela sequência básica de Várudy et al. (1997), conforme a Fig. 1 Figura 1 - Sequencia básica das fases de engenharia reversa para geometrias adaptado de Várudy et al. (1997) O processo de captura de pontos será feito através da tecnologia Engenharia Reversa utilizando a técnica Tempo de Voo. Este processo é feito por um dispositivo ótico ativo de nome Kinect One desenvolvido pela empresa Microsoft para utilização no Console Xbox One. Devido ser um aparelho para o uso de jogos, foi utilizado um adaptador para que o dispositivo possa ser conectado no computador conforme Fig. 2. Figura 2 Aparelho Kinect One e adaptador para conexão em computador Para o processamento dos pontos captados, segmentação e montagem de superfície, será utilizado a versão livre do programa Kscan3D conforme Fig

3 Figura 3 Programa Kscan 3D versão livre utilizado para processamento dos pontos captados pela Engenharia Reversa Para criação do design tridimensional, limpeza dos artefatos indesejáveis e modelagem, o programa a ser utilizado será o Meshmixer versão 3.2. Esse programa foi desenvolvido pela empresa Autodesk e também é um programa livre. A Fig. 4 ilustra a interface da tela do programa. Figura 4 Programa Meshmixer utilizado para modelagem e limpeza dos objetos digitalizados tridimensionais Para a confecção do imobilizador será utilizado a Impressora 3D Prusa I3, esta impressora foi montada propriamente para confecção do imobilizador através de um kit de montagem que já vem com todas as peças e acessórios para montagem, conforme Fig

4 Figura 5 Impressora 3D Prusa I3 com técnica Fusão e Deposição de Material - FDM A impressora já vem com um programa livre chamado Repetier-Host. Este programa é responsável por fatiar em camadas o desenho tridimensional elaborado pela técnica de Engenharia Reversa e convertê-lo para a impressora 3D através da linguagem gcode, a Fig. 6 ilustra a interface do programa Repetier-Host. Figura 6 Programa Repetier-Host utilizado para fatiar objeto tridimensional para impressão 3D Todos os processos computacionais desenvolvidos nesta pesquisa serão feitos em um Notebook da Marca Dell, modelo Inspiron 15R 7520 Special Edition. Esta máquina possui tela FullHD 1080 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 1 Terabyte de 68

5 armazenamento, sua placa de vídeo é dedicada AMD Handeon HD7730M com 2048Mb. O sistema operacional é Windows 10 PRO. Figura 7 Notebook da marca Dell Inspiron utilizado na produção do imobilizador ortopédico. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Para a confecção de um imobilizador ortopédico, primeiramente foi definido a região facial. O membro a ser imobilizado será o nariz, que através do programa Kscan 3D foi feito a captura dos pontos da face do paciente pela técnica de Engenharia Reversa tempo de voo. O dispositivo utilizado para essa captura é o Kinect One desenvolvido pela empresa Microsoft. Essa captura ocorre através de duas câmeras sendo uma de infravermelho capaz de reconhecer os movimentos e profundidade do objeto. A Fig. 8 ilustra o processo já feito de captura dos pontos pelo aparelho e depois transferido em malhas pelo programa Kscan 3D. Figura 8 Programa Kscan 3D responsável em captar os pontos digitalizados pelo aparelho Kinect One e processar em malhas a superfície 69

6 Após o término da digitalização, o arquivo construído pelo programa Kscan 3D foi exportado em extensão Structured Triangular Languagem (STL). Este arquivo foi importado para o programa Meshmixer 3.2 aonde todos os processos de limpeza dos artefatos indesejáveis capturados foram feitos, e tendo como início, a modelagem do imobilizador na face do paciente, conforme a Fig. 9 ilustra. Figura 9 Modelagem do imobilizador ortopédico no programa Meshmixer 3.2 Depois que toda a modelagem e ajustes foram feitos, foi necessário analisar os encaixes do imobilizador personalizado construído, com o modelo tridimensional digitalizado. A Fig. 10 ilustra a conexão do imobilizador personalizado com o modelo tridimensional. Figura 10 Análise de encaixe do imobilizador personalizado com a região facial escolhida A partir do projeto analisado, o arquivo foi exportado para impressora 3D Prusa I3 e assim feito a Manufatura Aditiva do imobilizador ortopédico personalizado. A órtese foi confeccionada pelo material poli (ácido-láctico) PLA, esse material é biodegradável, disponível no mercado atual em diversas cores. O intuito deste projeto é de mostrar as diversas possibilidades de confeccionar modelos de órteses e deixar claro que a produção de produtos feitos pela Engenharia Reversa e Manufatura Aditiva são vários, bastando identificar as necessidades e aplicar as técnicas, desta forma será possível ter um avanço na construção de aparelhos ortopédicos personalizados e de fácil acesso a todos. 70

7 4. CONCLUSÃO Conclui-se que o método de Engenharia Reversa tempo de voo utilizado na digitalização de membros que necessitam de imobilizadores ortopédico é possível. Através da Engenharia Reversa, os protótipos são personalizados para cada paciente, assim os imobilizadores são mais confortáveis e não tem problema com mau posicionamento na imobilização. Com o auxílio da técnica Manufatura Aditiva para confecção das órteses, a agilidade acaba sendo maior e os produtos são impressos diretamente a partir de um modelo tridimensional, dispensando moldes entre outras etapas na produção convencional. A matéria prima acaba tendo maior resistência mecânica permitindo modelar os imobilizadores com um design mais arrojados e também sendo possível confeccionar modelos mais leves, mais higiênicos e com geometrias mais complexas. Este estudo abre novas portas para que outras pesquisas possam ser feitas utilizando a Engenharia Reversa e Manufatura Aditiva em conjunto para o desenvolvimento de imobilizadores personalizados ou até mesmo qualquer outro dispositivo ortopédico que auxilia o corpo humano. A Fig. 11 ilustra a conclusão do imobilizador confeccionado pelas técnicas de Engenharia Reversa e Manufatura Aditiva. Figura 11 Aplicação do imobilizador ortopédico personalizado feito pelas técnicas Engenharia Reversa e Manufatura Aditiva AGRADECIMENTOS Agradecemos a Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho pelo apoio deste projeto. As nossas famílias por sempre estarem presentes e aos amigos e colegas pela força. REFERÊNCIAS Carvalho, J. A. (2006), Órteses: um recurso terapêutico complementar, 1 ed., Manole, Barueri Raja, V.; Fernandes, K. J. (2007), Reverse engineering: an industrial perspective, 1 ed., Springer Science & Business Media, London. Sokovic, M.; Kopac, J. (2006), RE (reverse engineering) as necessary phase by rapid product development, Journal of Materials Processing Technology, 175, 1, Várudy, T. et al. (1997), Reverse engineering of geometric modelsreverse engineering of geometric models an introduction. Computer-Aided Design, 29, 4, , San Diego. Volpato, N. (2007), Prototipagem rápida: tecnologias e aplicações, 1 ed., Edgard Blucher, São Paulo. 71

8 THE USE OF REVERSE ENGINEERING AND ADDITIVE MANUFATURING TECHNOLOGIES FOR ORTOPEDIC IMMOBILIZERS Marcelo A. R. Dos Santos¹, Ruís C. Tokimatsu 2 1 Dep. De Engenharia Mecânica, Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Ilha Solteira (SP), Brasil. marcelorozan@gmail.com 2 Dep. De Engenharia Mecânica, Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Ilha Solteira (SP), Brasil. ruisctok@gmail.com Abstract. In search of a better quality of life, people with special needs and who have difficulties or limitations in their daily activities, Rehabilitation Engineering has been seeking more and more, improvements through new technologies so that they can have a more dynamic life And with more quality of life. The objective of this research is to use technologies such as Additive Manufacturing and Reverse Engineering to innovate and provide products with more speed, more mechanical resistance and quality, having customized measures and with a more accessible cost to the population. It was possible to conclude with this research the development of a customized orthosis using Reverse Engineering technology to digitalize the upper limb affected and made a customized orthosis using Additive Manufacturing technology using the technique of Material Fusion and Deposition using as material Biodegradable poly (lactic acid). Keywords: Orthopedic immobilizers, Additive manufacturing, Reverse engineering, Orthotics. 72