ANÁLISE ECONÔMICA DA APLICAÇÃO DE MONOFILAMENTOS DE ABS E PLA NO DESENVOLVIMENTO DE PRÓTESES COM IMPRESSÃO 3D PARA MEMBROS SUPERIORES ECONOMIC ANALYSIS OF THE APPLICATION OF ABS AND PLA FILAMENTS IN THE DEVELOPMENT OF PROSTHESIS WITH 3D PRINTING FOR UPPER LIMB Alexandre Ziger Roeder (UNISOCIESC) alexandre@archneer.com Janaina Lisi Leite Howarth (UNISOCIESC) janaina.leite@sociesc.com.br Letícia Willner (CATÓLICA SC) leticia@archneer.com Palova Santos Balzer (UNISOCIESC) palova@sociesc.com.br Rosineide Junkes Lussoli (UNISOCIESC) rosi@sociesc.com.br Resumo: Devido ao elevado custo de próteses disponíveis, seu acesso se torna muito restrito. Em paralelo a isso a manufatura aditiva tem ganho destaque em solução de fabricação de objetos com custos reduzidos. A presente pesquisa visou verificar a viabilidade econômicas da produção de próteses com impressão 3D. A metodologia utilizada consistiu em duas etapas, a primeira voltada a apresentação de soluções de próteses mecânicas para diferentes condições de amputação ou má formação do membro superior. A segunda etapa consistiu em quantificar o custo de material necessário para produção dessas próteses. Essa pesquisa apresentou a viabilidade da redução do preço de prótese mecânica quando produzidas com de modelagem por fusão e deposição utilizando filamentos PLA e ABS. Este apresentou ser 33,17% mais barato que o filamento de PLA, porém mesmo com essa diferença de preço entre os materiais, ambos podem ser adotados como soluções com custo reduzido para produção de próteses. Palavras-chave: Manufatura aditiva; Tecnologia assistiva; Modelagem por fusão e deposição; Próteses de membros superiores; Prototipagem rápida. Abstract: Due to the high cost of prosthetics available, your access is very restricted. In parallel to this, the additive manufacturing has gained featured in the manufacturing of objects with reduced costs. The present research aimed at verifying the economic feasibility of the production of prosthetics with 3D printing. The methodology used consisted of two steps, the first one focused on the presentation of mechanical prosthesis solutions for different conditions of amputation or malformation of the upper limb. The second step consisted in quantifying the cost of material needed to produce these prostheses. This research presented the feasibility of reducing the price of mechanical prosthesis when produced with Fused Deposition Modeling using PLA and ABS filaments. The ABS presented to be 33.17% cheaper than the PLA filament, but even with this price difference between the materials, both can be adopted the solutions with reduced cost to produce prostheses. Keywords: Additive manufacturing; Assistive technology; Fused deposition modeling; Upper limb prostheses; Rapid prototyping.
1. Introdução A tecnologia que tem se tornado capaz de inovar os processos produtivos, modificando as estratégias de produção empregadas atualmente é denominada de manufatura aditiva. Essa tecnologia tem sido empregada em situações que necessita de alta flexibilidade e custo baixo para a produção, sua principal característica é a economia de materiais e redução das etapas do processo de fabricação (GIORDANO; ZANCUL; RODRIGUES, 2016). Sendo assim, a manufatura aditiva tornou-se a solução para que os projetistas possam tornar físicos seus objetos, facilitando testes e demonstrações. De acordo com The Economist (2012), esses avanços tecnológicos proporcionados por essa tecnologia podem resultar em uma nova revolução industrial. Diferente das soluções usualmente empregadas essa não envolve escalas mínimas de produção para viabilizar sua utilização. Segundo Ponticelli e Suski (2017), para confecção de componentes e protótipos de plástico, entre todos os processos presentes de manufatura aditiva, três se destacam, sendo eles: Estereoligrafia (SLA): O pioneiro, cujo princípio é a polimerização de uma resina por laser; Sinterização seletiva a laser (SLS): Fabrica objetos fundindo partículas de pó de termoplásticos com feixes de laser; Modelagem por fusão e deposição (FDM): Seu funcionamento é através da extrusão e deposição de filamentos de termoplásticos aquecidos. Em paralelo a isso Zuniga et al. (2015) afirma que nas últimas duas décadas ocorreu uma elevação no número de nascimento de crianças com deficiência congênita ou tiveram nos membros superiores alguma amputação traumática. Juntamente com isso, surge o fato de que a maioria das próteses não se adaptam ao crescimento dos membros das crianças, gerando a necessidade de constantes ajustes ou substituição. Dentre a população brasileira com deficiência física, quase 6% tem ausência de um membro superior, conforme censo de 2010. A mão humana, é o membro superior mais utilizado, sendo uma ferramenta fundamental para a manipulação de alimentos e objetos. A amputação ou má formação deste, por acidentes ou de maneira congênita, compromete o nível de autonomia do indivíduo. A substituição desse membro por prótese encontra obstáculos, desde o psicológico, financeiro, ergonômicos entre outros. As próteses convencionais no mercado são muito onerosas, porém com a inovação tecnológica da manufatura aditiva, a produção de próteses torna-se mais acessível devido ao seu custo e também facilita eventuais reparos. Além do baixo custo do sistema de impressão 3D, as próteses podem estimular seus usuários de maneira lúdica influenciando na autoestima das crianças. Todavia, o desenvolvimento dessas próteses é complexo pois são características que essa devem contemplar: resistência mecânica elevada, estrutura funcional e baixo peso. Nessas condições a disponibilidade de tais próteses com custo acessível é baixo. Uma solução que pode oferecer essa redução de custo é por meio da impressão 3D, sendo possível desenvolver próteses que possam suprimir o membro perdido (KUNKEL; BARNA, 2014) A utilização de prótese visa a melhor inclusão dessas crianças à sociedade, aumentando sua autonomia em relação a tarefas simples do cotidiano. As próteses infantis são onerosas devido ao rápido crescimento de seu corpo o que inutiliza rapidamente seus componentes, 2
inviabilizando financeiramente a troca periódica das próteses convencionais. Considerando a importância do custo de fabricação para viabilizar sua utilização, o oneroso custo para aquisição de próteses e a necessidade periódica de substituição de elementos da mesma para crianças, esse artigo verifica a viabilidade de utilização dessa tecnologia para que se torne mais acessível o acesso a essas próteses. Cada método tem seus diferenciais, desde propriedades que podem ser obtidas, materiais que podem ser utilizados e soluções geométricas que podem ser empregadas. A solução escolhida para realizar as análises foi a FDM. A atual pesquisa verifica soluções e custos de próteses mecânica confeccionadas com PLA e ABS. O propósito é fornecer o movimento de garra através de um sistema de tração mecânica de tirantes, ou seja, fechar e abrir a mão da prótese por meio das articulações que o membro superior possui. 2. Justificativa De acordo com e-nable Community Foundation (ECF) (2017), milhões de pessoas por todo o mundo vivem com perda de membros e não tem acesso a próteses. Nessas condições, elaboração de próteses ultraleves e ergonômicas proporcionaria aos usuários autonomia para realizar diversas atividades com maior facilidade. Atualmente existem diversos modelos virtuais de próteses disponibilizadas gratuitamente, podendo ser adaptadas para a necessidade de cada paciente. Com isso, proporcionaria o alcance de próteses com custos reduzidos no âmbito de projeto por se tratar de necessidades apenas de adaptações e não de criação completa. As próteses infantis exigem um tamanho reduzido, maior resistência mecânica e menor massa e essas características são possíveis ao utilizar materiais termoplásticos (ABS e PLA, por exemplo) através da impressão 3D, diminuindo também seu custo. A utilização de próteses ensina o usuário novas formas para se realizar atividades cotidianas, proporcionando a reabilitação do mesmo em um curto espaço de tempo. A simplicidade, baixo custo e a elevada agilidade da tecnologia modelagem por fusão e deposição proporciona produção de elementos complexos com custos relativamente baixo. A grande variedade de materiais possíveis a serem utilizados e a ampla gama de cores proporciona além da solução de geometrias complexas a possibilidade de customização do produto final justifica tal escolha. 3. Metodologia A abordagem metodológica foi dividida em duas etapas distintas. A primeira consistiu em verificar as diversas condições dos membros que existem e apontar as possíveis soluções de próteses mecânicas. A segunda etapa consistiu em quantificar o consumo de material termoplástico necessários para a confecção dos modelos propostos na etapa anterior. A primeira etapa consistiu em analisar as possíveis situações de ausência dos membros superiores, e suas respectivas soluções de próteses possíveis de serem modeladas por fusão e deposição. Com as soluções de próteses mecânicas encontradas para cada situação de articulação dos membros, foi escolhido um dos modelos de cada solução de prótese e transformado o modelo 3D para STL permitindo estimar o consumo de material no fatiamento e tempo de impressão utilizados para a segunda etapa, desse modo foram atribuídas algumas propriedades de impressão, sendo elas: Número de camadas: 2; 3
Preenchimento: 10%; Altura de cada camada: 0,20mm. Para essas mesmas soluções e com o mesmo projeto STL podem-se obter diferenciadas características, desde modificando a temperatura de extrusão até mesmo modificar o desempenho mecânico em função do posicionamento do objeto. Porém, esse artigo não tem como objetivo adentrar nessas questões mesmo admitindo sua existência e elevada relevância. Os tamanhos das próteses consideradas para essas análises foram da simulação de situação de tamanho de uma criança de 8 anos. Todavia, é valido ressaltar que devido a elevada variação de situações de formações físicas dos membros existentes, é sempre necessário além de apontar a solução para cada caso, realizar ajustes finos que ofereçam ergonomia e funcionalidade ao usuário. Para transformar o volume de filamento utilizado em custo final foi necessário pesquisar os preços de filamento em 6 empresas, dados obtidos de suas respectivas lojas virtuais em abril de 2017. A escolha das empresas representadas foi aleatória. Como esse artigo não tem a mínima finalidade comercial, foi optado de manter em sigilo os nomes das empresas analisadas, sendo assim elas foram nomeadas ficticiamente de Empresa A, B, C, D, E, F. 4. Resultados Este capítulo apresenta a análise e discussão dos resultados obtidos em cada etapa. Nesse sentido o primeiro tópico desse capítulo abrange a demonstração de situações de membros ausentes e suas delimitações de articulações. 4.1 Primeira Etapa As soluções existentes de próteses variam conforme estética necessária, ponto de amputação do usuário, funcionalidade e o modo de operação, podendo ser mioelétricas ou mecânico. Em função do sistema de ativação do tracionamento de próteses mecânica ser em função das articulações do membro superior, a Figura 1 demonstra as possíveis restrições de articulações relacionadas com o grau de membro superior ausente. Figura 1 - Esquematização de membros ausentes Fonte: Os autores (2017) 4
A solução de uma prótese deve considerar o nível em que a parte do corpo se faz ausente, conforme as indicações das letras das situações demonstradas na Figura 1 são: a) Condição A: Ausência/má formação do polegar, consiste na situação de que se tem todas as articulações, porém o polegar se faz ausente parcialmente ou por completo. b) Condição B: Ausência/má formação dos demais dedos, é o caso em que se tem alguma ausência parcial ou total de um ou mais dos demais dedos, podendo conforme situação ser impresso separadamente os respectivos dedos e serem acoplados. Em situações parciais, pode esse ser feito uma prótese com o formato desse membro e encaixado no respectivo local. Em casos de amputação total a solução consiste no acoplamento desse dedo completo em uma luva que preenchera toda a mão e assim permitirá a interação de tal prótese com os demais dedos. A Figura 2 e Figura 3 demonstram soluções para tais condições. Figura 2 - Prótese Dedo Parcial (Knick Finger) Fonte: e-nable (2016) Figura 3 - Prótese Dedo com Luva (Owen Replacement Finger) Fonte: e-nable (2015) Caso nenhuma dessas das soluções apresentadas ofereça eficientemente a condição de garra, deve-se analisar a viabilidade de utilização da prótese representada para Condição C. c) Condição C: Ausência/má formação da mão parcial, é a situação em que já não se tem sem auxílio de próteses a condição de garra, ou seja, fechar e abrir a mão. Essa condição é a que mesmo sem total formação do membro da mão ainda apresenta a articulação do punho e após esse uma parte óssea o suficiente para articular uma prótese. Sendo assim, a solução consiste em encaixar e prender uma prótese mecânica de mão no antebraço e logo após da articulação do punho. Portanto, quando for realizado a articulação no punho simultaneamente será tracionado os elásticos da prótese e a mesma realizara a função de garra. Na Figura 4 as próteses (b, c, d, e, f, g, h e i) demonstram exemplos com esse princípio de funcionamento descrito. A prótese (a) é uma solução encontrada para a condição de não ter a articulação do 5
pulso funcional, podendo ser acoplado diferentes tipos de encaixes na prótese para realizar as atividades como porta copos e porta baralho. Figura 4 - Protese Mecânica Mão (Articulação Pulso) Fonte: Adaptado de e-nable (2016) Os seus respectivos projetos virtuais são disponibilizados gratuitamente pelo e- NABLE, com isso pode-se adaptar a sua geometria para a necessidade a ser suprida ou até mesmo realizar personalizações. Seus respectivos nomes dessas próteses apresentadas na Figura 4 são: a) PYTHON HAND; b) RAPTOR RELOADED; c) OSPREY HAND; d) TALON; 6
e) CYBORG BEAST; f) PHOENIX HAND; g) RAPTOR; h) ODY HAND; i) FLEXY HAND; j) K-1 HAND. Caso a parte óssea do membro não apresente tamanho suficiente para utilizar tais próteses ou a articulação não seja suficiente, é valido testar a prótese PYTHON HAND ou soluções de próteses da Condição D. d) Condição D: Ausência/má formação do antebraço, é o caso em que não se tem a articulação do punho total ou limitada, todavia ainda consegue-se articular o cotovelo e após esse, uma parte óssea o suficiente para articular uma prótese. Dentre as soluções existentes mecanicamente é o modelo mais complexo, seu princípio de funcionamento é parecido com o do anterior, porém seu tracionamento é realizado em função da articulação do cotovelo. A prótese é presa no braço e a parte articulada no antebraço, conforme ocorre a articulação do cotovelo o acionamento de função de garra ocorre. A Figura 5 demonstra a Rit Arm e Unlimbited Arm que são próteses com esse sistema de funcionamento. Figura 5 - Prótese Mecânica com Antebraço (Articulação Cotovelo) Fonte: Adaptado de e-nable (2016) e) Condição E: Ausência/má formação do membro acima do cotovelo, para essa condição não foi encontrado nenhuma solução de prótese mecânica que utilize unicamente a articulação desse braço. Apenas estão disponíveis, para esse caso, as mecânicas com sistema de tração acoplado no outro do braço, porém necessitam de diversos ajustes, treinamento e com adaptação complexa. Outra solução é a utilização de prótese mioelétrica que apresentam custo extremamente elevado podendo ultrapassar R$250.000,00. 4.2 Segunda Etapa O resultado da pesquisa nacional de preço de comercialização do quilo de PLA e ABS realizada em 6 lojas virtuais, de empresas que comercializam filamentos, gerou um gráfico e 7
tabela que estão representados na Figura 6. Figura 6 Pesquisa de Preços de Filamentos Preço R$ 160,00 R$ 140,00 R$ 120,00 R$ 100,00 R$ 80,00 R$ 60,00 R$ 40,00 R$ 20,00 R$ 0,00 EMPRESA A EMPRESA B EMPRESA C EMPRESA D EMPRESA E EMPRESA F Empresa A Empresa B Empresa C Empresa D Empresa E Empresa F 1Kg Filamento PLA R$ 129,90 R$ 120,00 R$ 129,90 R$ 144,00 R$ 129,90 R$ 147,33 1Kg Filamento ABS R$ 119,90 R$ 85,00 R$ 85,00 R$ 129,90 R$ 113,66 Fonte: Os autores (2017) Conforme demonstra Figura 6, o menor preço encontrado é o da Empresa B sendo R$120,00 o preço do filamento em PLA e R$85,00 o preço do ABS. Não foi considerado preço de frete devido a possibilidade de retirar direto na loja. Portanto, para efeito de composição de custo do filamento será considerado como custo do material o da Empresa B. Para a determinação do preço foi escolhido as cores básicas, que em todas as lojas não interferiam de preço a variação dessas cores. Nem todas as empresas apresentavam as duas opções de diâmetro de filamentos de 1,75mm ou 3,00mm, mas as que apresentavam não interferia no preço do kg. A condição ficticia de pagamento para todas elas foi a mesma, pagamento a vista. Em função desse arquivo para impressão obtido com essas propriedades, foi gerado uma tabela demonstrando o consumo de material em função de cada solução de próteses representados na Figura 7. 8
Figura 7 - Demonstração do Consumo de Materiais Material Necessário (Gramas) 400,00 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 16,86 70,17 Knick Finger (Condição B) 126,29 Python Hand 112,59 Reloaded 78,04 K-1 Hand 358,55 Rit Arm (Condição D) Consumo de Material 16,86 70,17 126,29 112,59 78,04 358,55 Fonte: Os autores (2017) Esse consumo se diz respeito a todos os elementos impressos em FDM, ou seja, estrutura da prótese e seus respectivos encaixes. Por questões da característica desse sistema de impressão, os componentes das próteses são impressos em partes com esperas de encaixes, para que a montagem seja feita com acoplamento a seco. A Figura 8 demonstra o tempo necessário para a impressão total dos elementos dessa prótese com as constantes estabelecidas. Figura 8 - Demonstração do Tempo de Impressão Tempo de Impressão (Horas) 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 2,33 7,75 Knick Finger (Condição B) Python Hand 15,30 14,50 Reloaded 12,50 K-1 Hand 36,74 Rit Arm (Condição D) Tempo de Impressão 2,33 7,75 15,30 14,50 12,50 36,74 Fonte: Os autores (2017) Conforme demonstra Figura 7 e Figura 8, quanto menor o grau de articulação do membro superior maior será o consumo de material e tempo de impressão dos elementos das 9
próteses. Isso se justifica devido a maior complexidade e tamanho das soluções de próteses necessárias. Existem variações de gasto entre os modelos para soluções semelhantes, todavia o que influência nisso são os aspectos geométricos. Com esses dados levantados e considerando o menor preço de filamento encontrado no mercado, foi possivel realizar o custo de materia prima gasta para a impressão de tais próteses. É valido ressaltar que o custo final da prótese compoem o revestimento, materiais de encaixe e material de tração, todavia a pesquisa se direcionou somente a esse preço que é o maior dentre os demais. Tais valores estão representados na Figura 9. Figura 9 - Demonstração do Preço de Materiais para Confecção da Prótese Material Necessário (Gramas) R$45,00 R$40,00 R$35,00 R$30,00 R$25,00 R$20,00 R$15,00 R$10,00 R$5,00 R$0,00 Knick Finger (Condição B) Python Hand Reloaded K-1 Hand Rit Arm (Condição D) Filamento ABS R$1,35 R$5,61 R$10,10 R$9,01 R$6,24 R$28,68 Filamento PLA R$2,02 R$8,42 R$15,15 R$13,51 R$9,36 R$43,03 Fonte: Os autores (2017) Conforme Figura 9, ficou perceptivel o quanto é baixo o custo de filamento para confeccionar a prótese com modelagem por fusão e deposição. Nessas condições, se torna fácil atender a necessidade de várias pessoas com um custo baixo diferente da maioria das soluções disponíveis no mercado com um custo tão elevado. 5. Considerações Finais A técnica de impressão de próteses mecânicas para membros superiores por modelagem por fusão e deposição superiores demonstrou ser uma solução eficiente e barata tanto para ABS quanto para PLA. Pode-se constatar pelos resultados obtidos que o custo de material impresso, das soluções utilizadas, que o custo referente ao filamento de ABS é 33, 17% mais barato que o filamento de PLA, porém ambos se demonstraram soluções com custo reduzido. Nessas condições verificou-se que em aspectos financeiros é viável a utilização desse sistema de manufatura aditiva para fins de tecnologia assistiva. Apesar de outros fatores comporem o custo final da prótese pode-se afirmar que o custo é bem inferior aos disponíveis no mercado com outras tecnologias. Quanto a facilidade desse sistema, pode-se enfatizar que em necessidades de substituição de elementos basta imprimir as peças isoladamente. Todavia, existem casos em que as próteses mecânicas não apresentam soluções viáveis para crianças. Porém o fator que interfere nessa inviabilidade é a composição do projeto dos 10
componentes (tirantes) e não de alguma restrição de produção da impressão 3D. Sendo assim, a impressão 3D pode ser utilizada como ferramenta para baratear o custo das próteses e ajudar a combater essa atual realidade da falta de acessibilidade a essas por questões econômicas. Referências GIORDANO, Caio Mezzeti; DE SENZI ZANCUL, Eduardo; RODRIGUES, Vinícius Picanço. Análise dos custos da produção por manufatura aditiva em comparação a métodos convencionais. Revista Produção Online, v. 16, n. 2, p. 499-523, 2016. KUNKEL, Maria Elizete; BARNA, Mark Alexander. Modificações estruturais e de desempenho de um protótipo de prótese de mão mecânica feita por impressão 3D. In: IV ENCONTRO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA-2014. 2014. PONTICELLI, Claudiomar; SUSKI, Cássio Aurélio. O avanço do desenvolvimento de produtos através da engenharia reversa. Revista da UNIFEBE, v. 1, n. 8, p. 159-171, 2017. ZUNIGA, J. et al. Cyborg beast: a low-cost 3d-printed prosthetic hand for children with upper-limb differences. BMC research notes, Springer, v. 8, n. 1, p. 1 9, 2015. 11