15Julho/Agosto 2009 Ferramental

JOVANI CASTELAN -LÍRIO SCHAEFFER -

ANDERSON DALEFFE -

jovani.castelan@satc.edu.brschaefer@ufrgs.br

anderson.daleffe@satc.edu.br

Desenvolvimento de produtospersonalizados através de estampagem

incremental para aplicações na medicina ortopédica

O desenvolvimento de órteses metálicas para pacientes com problemas ortopédicos nos membrossuperiores e inferiores e de próteses para vítimas de traumatismo craniano são processos de precisão.

Para fabricar estes produtos individuais é utilizada a estampagem incremental, processo de conformaçãomecânica que permite obter produtos sem a utilização de moldes e matrizes, normalmente utilizados emprocessos de estampagem tradicionais.

Na economia globalizada atual,o campo da indústria da transfor-mação sofreu importantes modifi-cações na demanda de mercado.Palavras e expressões como diferen-ciação, redução de custos, minimi-zação do ciclo concepção-produ-ção, encurtamento do ciclo de vida(mas também manufatura susten-tável) permeiam as estratégias cor-porativas atuais [1].

Estas expressões conduzem a al-terações produtivas, com a necessi-dade de pequenos lotes e algumasvezes unitários, onde os consumi-dores exigem alterações constantesnas características geométricas doproduto [2, 3]. Por outro lado,aspectos estéticos, ergonômicos epossibilidade de customização deprodutos aumentam sua importân-cia na indústria [2]. O novo desafiodas empresas, então, é ter a capa-cidade de oferecer novos produtos,utilizando o mínimo

ou seja, diminuindo o tempogasto entre a concepção, desenvol-vimento, fabricação e comercializa-ção do produto final, pré-seriados

time-to-mar-

keting,

(produtos em fase de teste) ouprotótipos [4].

Para atender este novo requisitode fabricação, a estampagem incre-mental de chapas

se mostra uma alter-nativa viável. Neste processo a de-formação da chapa é feita em váriasetapas através de uma ferramentaesférica ou semi-esférica, comanda-da por um equipamento CNC, sema necessidade de ferramental espe-cífico (moldes e matrizes), possibi-

(ISF - Incremental

Sheet Forming)

to

tf

�

�

Chapa metálica planaRotação da

ferramenta

EquipamentoPlaca de aperto posterior

Suporte de fixação

(Placa de aperto superior)

Ferramenta

de estampagem

Região de fixação da chapa

Raio da ferramenta

Configuração intermediária

Figura 1- Representação esquemática da ISF [6]

litando a produção de pequenasséries de peças com baixo custo deprodução [5]. Na figura 1 é apre-sentada a estampagem incremen-tal de ponto simples

que éuma das modalidades da estam-pagem incremental e que utilizaapenas uma ferramenta de confor-mação, sem qualquer suporte in-ferior.

Na estampagem incremental, aferramenta de perfil genérico (haste

(SPIF - Single

Point Incremental Forming),

cilíndrica ou cilindro-cônica e pontaesférica ou semi-esférica) produzuma deformação plástica local deforma progressiva, aumentando aconformabilidade da chapa, quan-do comparada com os processosconvencionais de estampagem [7].

Como em todo processo, pode-se elencar vantagens e desvanta-gens, em termos técnicos, econô-micos e comerciais.

Assim, a ISF apresenta comovantagens [1, 8]:

a) redução do tempo deb) flexibilidade;c) incremento da característica de

conformabilidade;d) dispensa o uso de ferramentas

especializadas;e) máquinas CNC convencionais

(centros de usinagem 3 eixos);f) possibilidade de estampagem

de peças de dimensões variadas;g) acabamento superficial pode ser

melhorado com o uso de lubri-ficantes e;

h) operação é livre de ruídos in-tensos

A redução do tempo de prepa-ração de máquina ou é alcan-çada já que para diferentes peças épossível utilizar as mesmas ferra-mentas, o mesmo dispositivo pren-sa-chapas e os mesmos zeramentosdos sistemas de coordenadas. A fle-xibilidade vem com a parametriza-ção do processo, onde uma alte-ração na geometria do modeloCAD da peça reflete, imediata-mente, na programação CAM e,consequentemente, nos códigos“G ” que irão comandar o equi-pamento CNC, responsável pelodeslocamento da ferramenta sobrea chapa.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

setup ;

.

setup

1

2

3

4

5

Já o tamanho da peça estam-pada é limitado pelas dimensões enão pela capacidade (potência) damáquina, uma vez que as forças deestampagem não aumentam deacordo com as dimensões da peça,devido à pequena e constante áreada zona de contato, provocada pe-lo passo incremental da ferramenta.

A maior conformabilidade é ob-servada em peças geradas atravésda ISF, atingindo profundidadesmaiores do que as peças obtidaspor processos convencionais. Aspequenas zonas de deformaçãoplástica e a natureza incremental doprocesso contribuem para o au-mento desta propriedade, tornan-do mais fácil a deformação [8].

De outro lado, o processo apre-senta as seguintes desvantagens[1]:

a) tempo muito alto para estampara peça, limitando sua viabilidadecomercial a pequenos lotes(maior desvantagem);

b) baixa conformidade dimensio-nal e geométrica entre a peçaestampada e o modelo CAD,devido ao retorno elástico e aoacúmulo de tensões residuaisque acabam deformando a cha-pa, embora existam algoritmosem desenvolvimento para com-pensar este problema;

c) ângulos de parede próximos a90º necessitam de várias etapasintermediárias de estampagem;

d) dependendo da geometria pro-duzida, as regiões externas dachapa que não sofrem a ação dopunção se deformam após o re-laxamento dos fixadores (devidoao retorno elástico), causandodiscrepâncias dimensionais equalidade superficial [2].

Essa última desvantagem torna-

ria a estampagem incremental umprocesso não adequado para a ma-nufatura de peças de precisão apu-rada. Essa não-adequação pode serreduzida utilizando diferentes es-tratégias de movimentação de fer-ramenta e alterando outros parâ-metros do processo, como o ta-manho e velocidade da ferramenta,discretização do caminho da ferra-menta, ou seja, do incremento ver-tical e utilizando tipos diferentes delubrificantes [9].

De acordo com as característicastécnicas apresentadas, fica evidenteque a ISF se aplica principalmente apequenos lotes, peças especiais,protótipos e produtos personaliza-dos. Sendo assim, a medicina orto-pédica , se torna uma área de gran-de importância para a ISF, já que asdiferenças antropométricas entreos indivíduos são naturais e cadaum necessita de produto com ca-racterísticas próprias, melhorandosua performance e sua usabilidade[2, 10].

Na área da medicina ortopédica,as lesões causadas por fraturas, lu-xações, sub-luxações ou entorsesnos membros inferiores são co-

APLICAÇÕES

6

7

1

2

3

4

5

6

7

Setup: tempo de preparação. São as tarefas ne-

cessárias e relativas às atividades de preparação

de um equipamento, desde o momento em que se

tenha completado a última peça boa do lote an-

terior até o momento em que se tenha feito a pri-

meira peça boa do lote posterior.

CNC: do inglês Computer Numerical Control,

que significa comando numérico computadori-

zado.

CAD: do inglês Computer Aided Design, significa

projeto assistido por computador.

CAM: do inglês Computer Aided Manufacturing,

significa fabricação assistida por computador.

Código G: linguagem de programação de má-

quinas operatrizes com comando numérico com-

putadorizado.

Ortopedia: é a especialidade médica que se ocu-

pa da prevenção e correção de deformidades do

corpo humano.

Antropometria: processo ou técnica de mensu-

ração do corpo humano ou de suas várias partes.

muns. A utilização de órteses , tam-bém designadas por suportes orto-pédicos, pode servir tanto para pre-venção quanto para recuperaçãofuncional das articulações. Umapesquisa [11] apresenta os tipos delesões do tornozelo, diagnóstico etratamentos possíveis. Suportandoaté cinco vezes o peso do própriocorpo durante uma corrida, o fun-cionamento adequado do tornoze-lo depende principalmente do ali-nhamento e perfeito encaixe entreas partes ósseas móveis, unidas porligamentos fibrosos.

Como exemplo de tratamentospreventivos, temos a utilização debotas ortopédicas, cuja função érestabelecer o alinhamento normaldas partes ósseas e ligamentos quecompõe os pés, tornozelos e joe-lhos. Acessórios como talas e supor-tes podem ser utilizados para imo-bilização total ou parcial de ummembro que necessita recuperarsua função, sem causar dor.

As órteses, portanto, tem utili-zação temporária, são fixadas ex-ternamente e não substituem par-tes do corpo. Já as próteses sãopeças permanentes, podem ser ex-ternas ou internas e são utilizadaspara substituir partes do corpo per-didas por amputações de membros(mãos, braços e pernas) ou destrui-ção de partes ósseas do crânio,complicações que ocorrem comfrequência em acidentes de trân-sito.

Tanto em um caso como emoutro, a finalidade da estampagemincremental é gerar peças que seadéquem perfeitamente a cada pa-ciente, considerando as diferençasantropométricas entre os indiví-duos. Além disso, o processo demanufatura da órtese ou prótese

8

9

PRÓTESES E ÓRTESES

deve ser rápido e ter baixos custos,devido à natureza emergencial doproblema médico e para possibilitarsua aplicação a um maior númerode pessoas.

Um estudo descreve a manufa-tura de um suporte para tornozelo[2]. A idéia básica consiste naquiloque o autor define como

no qual o ciclo inicia e ter-mina no corpo do paciente, como éapresentado na figura 2.

O ciclo inicia com o escanea-mento tridimensional a , semnenhuma dor ou desconforto parao paciente. Esse escaneamento ad-quire os dados geométricos do tor-nozelo do paciente em formato di-gital, gerando uma “nuvem depontos”, com a qual é possívelobter uma superfície 3D, ou seja,um modelo CAD do tornozelo. Omodelo CAD então é utilizado porum sistema CAD/CAM para geraros códigos que irão comandar amáquina CNC. A chapa metálicaserá deformada de acordo com atrajetória descrita pela ferramenta epelos parâmetros configurados nosistema CAD/CAM. A peça produ-zida é novamente escaneada e acomparação entre a peça real e omodelo gerado no início do pro-cesso é feita em um sistema CAD.

ESTUDOS DE CASO

“round

design ”,

laser

10

11

Scaner laser

Modelo

real

Modelo virtual

Produto final

Modelo CAD

Desenho do suporte

para tornozelo

Interface CAD/CAM

Figura 2 - Ciclo de desenvolvimento deproduto [2]

O ciclo completo de engenhariareversa foi realizado a fim de adqui-rir a geometria do membro do pa-ciente e utilizar esta informação nafase de manufatura para assegurar amelhor correspondência entre o su-porte obtido e o corpo do paciente.A trajetória da ferramenta de es-tampagem é gerada automatica-mente por um CAD/CAM(conforme a figura 3), muito embo-ra alguns parâmetros tenham queser experimentados e ajustados pa-ra obter um produto de melhorqualidade.

Consegue-se assim, com a peçaobtida, substituir o uso de camadasespessas de preenchimento (gesso)

software12

8

9

10

11

12

Órtese: refere-se unicamente aos aparelhos ou

dispositivos ortopédicos de uso provisório, desti-

nados a alinhar, prevenir ou corrigir

deformidades ou melhorar a função das partes

móveis do corpo. Exemplo: O aparelho dentário

ortodôntico é uma órtese pois corrige a

deformidade da arcada dentária (orto = reto,

correto) [12].

Prótese: é um componente artificial que tem por

finalidade suprir necessidades e funções de indi-

víduos sequelados por amputações, traumáticas

ou não. Exemplo: A dentadura ou um implante

dentário é uma prótese pois substitui o órgão ou

sua função (substitui os dentes) [12].

Round design: do inglês, round = redondo e

design = projeto, desenho. Neste caso, significa

projeto cíclico.

Laser: do inglês, significa ight mplification by

timulated mission of adiation, ou seja, Am-

plificação da Luz por Emissão Estimulada de

Radiação [12].

Software: ou programa de computador, é uma

sequência de instruções a serem seguidas e/ou

executadas, na manipulação, redirecionamento

ou modificação de um dado/informação.

L A

S E R

Figura 3 - Trajetória 3D da ferramenta [2]

por um suporte altamente custo-mizado, com o menor espaçamen-to possível entre este e o tornozelo[10].

A estampagem incremental nes-te caso, se torna o candidato natu-ral uma vez que o uso de ferra-mentas específicas (moldes e ma-trizes) foi absolutamente rejeitado,considerando a necessidade desomente um produto.

A estampagem da chapa é rea-lizada em um centro de usinagemde 3 eixos, utilizando uma ferra-menta com ponta semi-esférica,com a trajetória gerada automati-camente por um sistema CAD/-CAM.

A geometria 3D obtida é divi-dida em duas partes, estampadasseparadamente. Após a estampa-gem, a geometria final de cada par-te é extraída da chapa original (cor-tada com ou jato d'água) e,finalmente, as duas partes obtidassão unidas para compor a órtesefinal que, neste caso, destina-se aum tornozelo.

Devido à característica incre-mental, se confirma a idéia de“aplicação localizada de tensão”,fazendo com que cada ponto dedeformação da chapa sofra a ten-são total de deformação, derivadaem incrementos progressivos. Estaparticularidade resulta em umgrande incremento da caracterís-tica de conformabilidade, quandocomparada com os processos tra-dicionais de estampagem [11].

Em outro estudo de caso, aquestão central é a precisão di-mensional da peça obtida. Confor-me mostrado na figura 4, foi pro-duzida uma placa craniana, de geo-metria complexa, utilizada em ci-rurgias para reconstrução do crânio[5].

Neste caso, a precisão é neces-

laser

Figura 4 - Modelo CAD da prótese craniana [5]

sária para possibilitar o correto en-caixe da prótese no crânio rema-nescente do paciente, sem ressaltosnem folgas. No processo de estam-pagem, o perfil da prótese foi esten-dido para um hemisfério.

Um cuidado especial foi obser-vado na transição entre a placa cra-niana e a sua extensão. Os requi-sitos de precisão dimensional po-dem ser divididos em duas regiões:o contorno e o centro da placa.Diferentes estratégias foram aplica-das, visando obter a melhor corres-pondência entre o modelo original(obtido a partir do escaneamentodo crânio do paciente) e a chapaestampada. Em um dos testes, fo-ram utilizados os padrões do

CAD/CAM pré-ajustados. Odesvio máximo foi de –0,4 a+1,4mm e a figura 5 mostra que amaior parte deste desvio se situoupróximo das bordas da placa, en-quanto a região central ficou seme-lhante ao perfil do modelo original.Os melhores resultados foram ob-tidos com a trajetória helicoidal da

soft-

ware

Figura 5 - As regiões escuras indicam adiscrepância geométrica entre o modeloCAD original e o obtido [5]

Ferramenta de conformação (HSS ponta semi-

esférica lisa, sem arestas de corte)

120.000,00

8.000,00

3.500,00

1.300,00

120,00

120,00

70,00

80,00

5.700,00

12.000,00Scanner 3D (digitalizador tridimensional)

Computador ( )Workstation

Software CAD

Software CAM

TOTAL

Equipamento

Máquina-ferramenta CNC (Centro de

usinagem 3 eixos)

Dispositivo prensa-chapas

Ponto de apoio inferior (molde usinado em

madeira MDF ou poliuretano PU - custo por

unidade manufaturada)

Fresa de topo HSS para desbaste do molde

diâmetro 10 mm

Fresa HSS ponta semi-esférica diâmetro 10 mm

150.890,00

Custo R$

Tabela 1 - Custos totais de implantação

ferramenta, aplicada de fora paradentro, obtendo desvios de 0 a+0,3mm.

Através da análise dos estudosde caso, é possível estabelecer osequipamentos, as etapas e os cus-tos de implantação para desenvol-ver um projeto de produtos orto-pédicos manufaturados a partir daestampagem incremental.

Para a realização destas etapas(descritas no item Estudos de Ca-so), são listados na tabela 1 e visu-alizados na figura 6 os equipa-mentos e necessários. Oscustos médios apresentados foramobtidos através de consultas portelefone, correio eletrônico ( )e através das páginas eletrônicas( ) dos fabricantes. No en-tanto, deve-se considerar que esteprojeto leva em conta a adaptaçãode recursos pré-existentes, origina-riamente destinados a aplicaçõesseriadas para a área de usinagem,para a confecção de produtos per-sonalizados. A maior parte dosequipamentos listados é comumem empresas do setor metalúrgico.O 3D, embora não seja tãocomum devido ao seu alto custo, éum dispositivo genérico, utilizado

Requisitos de projeto

softwares

e-mail

web sites

scanner

a

b

c d

Figura 6 - Equipamentos e softwares necessários para o desenvolvimento de produtos ortopédicos:a) scanner 3D; b) software CAD; c) software CAD/CAM e de transmissão (pós-processador) e;d) máquina CNC

para outras aplicações como, porexemplo, reprodução de obras dearte e engenharia reversa. A etapade escaneamento também podeser substituída por uma tomografia,da qual pode se obter um arquivovetorial IGES do membro do pa-ciente. Já o dispositivo prensa-cha-pas e o ponto de apoio inferior sãoespecíficos para o tema proposto e,como se pode verificar, possuembaixo custo, muito inferior aos cus-tos dos demais equipamentos. Aapresentação dos valores, portan-to, é feita apenas como referência,considerando a aquisição total dosequipamentos em um projeto ex-perimental, de caráter social (utili-zado para casos reais) e científico(para aprimoramento tecnológico),fomentado por órgãos governa-mentais ligados à área da saúde.

Em função de o material usadocomo ponto de apoio inferior (ma-triz) oferecer baixa resistência aocorte (MDF ou polímero popular-13

mente conhecido como ),as ferramentas de usinagem podemser utilizadas muitas vezes semapresentar desgaste considerável.Já a ferramenta de conformação,como trabalha com lubrificante emcontato com a chapa, também temalto grau de durabilidade.

O projeto do prensa-chapas foiidealizado considerando como as-pecto primordial a possibilidade deexecução das operações de usina-gem do apoio inferior (matriz) e deestampagem incremental no mes-mo dispositivo, sendo necessáriaapenas a fixação da placa de apertosuperior (para prender a chapa) enão a troca de todo o dispositivo.

Utilizando o mesmo sistema decoordenadas de referência previa-mente estabelecido, é possível rea-lizar as duas operações, com a trocaautomática de ferramentas definidano CAM, contribuindo pa-

cibatool

software

Dispositivo prensa-chapas

ra a flexibilidade e rapidez na exe-cução das peças personalizadas.

Contabilizando apenas os equi-pamentos específicos (dispositivoprensa-chapas e ponto de apoio)temos um custo de R$ 1.420,00. Seconsiderarmos o conforto e a efi-cácia que um produto personali-zado pode trazer na recuperação deuma imperfeição ortopédica, pode-se concluir que o sistema é viável,considerando as limitações que oprocesso de estampagem incre-mental apresenta.

A Faculdade SATC pelo apoiologístico e ao LDTM/UFRGS peloapoio tecnológico.

CONCLUSÕES

AGRADECIMENTOS

Figura 7 - Projeto do dispositivo prensa chapas

13MDF: do inglês, significa edium- ensity iber-

board e é um material derivado da madeira. A

designação correta em português é placa de fibra

de madeira de média densidade. É fabricado

atra-vés da aglutinação de fibras de madeira com

resi-nas sintéticas e outros aditivos. As placas de

ma-deira são coladas umas as outras com resina

e fixadas através de pressão [12].

M d f

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Shape and dimensional accu-

racy in single point incremental forming: state of the art and

future trends

Application of incremental forming process for

high customized medical product manufacturing

Incremental sheet metal forming process for pure

titanium denture plate

Asymetric

two points incremental forming: Improving surface quality and

geometric accuracy by tool path optimization.

Achievable accuracy in single point incremental

forming: case studies

Theory of

single incremental forming

Evaluation of the maximum slope angle of simple geometries

carried out by incremental forming process.

Asymmetric single point incremental forming of sheet metal

Forming strategies

and Process Modeling for CNC Incremental Sheet Forming

Ankle Fractures

Improvement of formability for the incre-

mental sheet metal forming process

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Jovani Castelan

Lírio Schaeffer

Anderson Daleffe

Licenciado em Desenho pela UDESC e Mestre em Engenharia pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas,Metalúrgica e de Materiais da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Pesquisador/professor da Faculdade SATC, atuando nasáreas de CAD/CAM e .

- Engenheiro Mecânico pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e Doutor na área de Conformação pelaUniversidade Técnica de Aachen na Alemanha (RWTH). Coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) do Centro deTecnologia da Escola de Engenharia da UFRGS. Pesquisador na área de Mecânica, Metalurgia e Materiais do CNPq, professor das disciplinas deprocessos de fabricação por conformação mecânica e vinculado ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica, Minas e Energiada UFRGS. Autor de vários livros sobre conformação mecânica.

Tecnólogo em Eletromecânica pela Faculdade SATC e Mestre em Engenharia pelo Programa de Pós-Graduação emEngenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Pesquisador/professor da FaculdadeSATC, atuando nas áreas de usinagem CNC e processos de fabricação.

-

design

-