UTILIZAÇÃO DE TECNOLOGIAS CAD/CAM E PROTOTIPAGEM RÁPIDA NA ENGENHARIA MÉDICA

Jovani Castelan Faculdade SATC

jovani.castelan@satc.edu.br

Daniel Fritzen Faculdade SATC

daniel. fritzen@satc.edu.br

Resumo

O objetivo é demonstrar as aplicações das tecnologias CAD/CAM para o projeto e desenvolvimento de implantes manufaturados a partir de chapas de titânio biomédico. Para a eficiência do processo, várias competências e habilidades são requeridas ao projetista. A visualização, manipulação e edição de modelos 3D em formato digital e em protótipos físicos é indispensável; conhecimentos oriundos da geometria descritiva também são necessários para a elaboração de projeções planificadas, projeções de superfícies, planos auxiliares de projeção, planos de corte e localização de objetos por meio de coordenadas tridimensionais. Além disso, o projetista deve ter habilidades específicas de manipulação de softwares CAD/CAM, impressoras 3D e conhecimento de processos de fabricação, em particular a usinagem e a estampagem de chapas. Palavras-chave: engenharia médica, CAD/CAM, prototipagem rápida, titânio, implantes.

Abstract

Keywords: medical engineer, CAD/CAM, rapid prototyping, titanium,

implants.

1 Introdução

As tecnologias CAD/CAM já estão incorporadas no dia a dia dos cursos de

arquitetura, engenharia e design das universidades. No início dos anos 1990, estas

tecnologias começaram a ser utilizadas também para a área médica, na manipulação

de imagens e conversão destas em arquivos vetoriais tridimensionais. A partir de uma

tomografia computadorizada é possível obter um modelo físico, fabricado por

prototipagem rápida (ou rapid prototyping - RP). A prototipagem rápida (RP) refere-

se a um grupo de emergentes tecnologias para a fabricação de objectos físicos

diretamente dos arquivos CAD de peças e produtos de várias áreas: médica,

objetos artísticos, jóias, peças mecânicas (JEE e SACHS, 2000).

Os modelos físicos formados por RP auxiliam o médico a planejar

antecipadamente a cirurgia e prever diagnósticos, dando condições para aumentar sua

eficiência na tarefa e diminuindo o tempo de cirurgia, beneficiando também o paciente

(D'URSO et al, 1999).

O planejamento antecipado da cirurgia e a fabricação customizada de implantes

são benefícios importantes oportunizados pela utilização das ferramentas CAD/CAM

na área médica. Os implantes são recursos utilizados para recomposição da superfície

de proteção do cérebro e para recuperação estética do paciente. As lesões do crânio

podem ocorrer por: choques mecânicos – principalmente acidentes automobilísticos,

procedimentos de descompressão e em situações em que é necessário a remoção de

tecido ósseo por ocorrência de tumores. Singare et al (2004), Hou et al (2012), Wang,

et al (2012) mostram a utilização das tecnologias CAD/CAM e RP para a recuperação

funcional e estética de uma mandíbula; Santiago, Lara e Sandoval (2011), relatam um

estudo de caso da recuperação de um traumatismo craniano severo.

2 Etapas de desenvolvimento

SUN e LAL (2002), desenvolveram um fluxograma que ilustra as etapas para a

reconstrução tridimensional de tecidos utilizando recursos CAD/CAM. Algumas das

sequências descritas neste fluxograma foram utilizadas. Entretanto, diversas etapas

foram atualizadas e modificadas de acordo com as necessidades específicas deste

trabalho.

Nesta seção são registradas as etapas de desenvolvimento dos implantes de

titânio, desde o exame de tomografia computadorizada até a descontaminação e

preparação para a implantação da prótese no corpo do paciente, enfatizando os

recursos de CAD 3D, CAM e de prototipagem rápida utilizados.

2.1 Etapa 1: transformação de imagens TC em vetor 3D

Nesta etapa é feita a obtenção do grupo de imagens DICOM referentes às seções

longitudinais do crânio do paciente. Quanto menor for o espaçamento entre as seções,

maior a quantidade de imagens e maior será a definição do sólido 3D na etapa de

conversão. A figura 1 mostra o sólido 3D gerado pelo software livre Invesalius1 a partir

das imagens DICOM (PORTAL, 2012).

Este sólido 3D pode ser exportado para um arquivo vetorial 3D extensão STL, que

pode ser manipulado por alguns softwares CAD 3D, como o 3D Studio Max, por

exemplo.

Figura 1. Tela do Invesalius, com o arquivo vetorial 3D gerado pela composição das imagens DICOM.

1 InVesalius é um software público para área de saúde que visa auxiliar o diagnóstico e o planejamento

cirúrgico. A partir de imagens em duas dimensões (2D) obtidas através de equipamentos de tomografia

computadorizada ou ressonância magnética, o programa permite criar modelos virtuais em três dimensões

(3D) correspondentes às estruturas anatômicas dos pacientes em acompanhamento médico. O software

tem demonstrado grande versatilidade e vem contribuindo com diversas áreas dentre as quais medicina,

odontologia, veterinária, arqueologia e engenharia. O programa foi desenvolvido pelo antigo CenPRA

atual CTI(Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer), unidade do Ministério da Ciência e

Tecnologia (MCT), através das linguagens de programação Python e C++. Atualmente opera em GNU

Linux (Ubuntu, Fedora e OpenSuse já foram testados) e Windows (XP e Vista), sendo que é licenciado

pela CC-GNU GPL (Licença Pública Geral) versão 2 (em português).

2.2 Etapa 2: edição do STL no 3D Studio Max

No 3D Studio Max, é possível realizar edições no arquivo STL, como

transladar/girar o objeto, para posiciona-lo corretamente nos eixos coordenados XYZ.

Além disso, faz-se o corte de partes excedentes e o aumento de faces componentes

da superfície (figura 2). As partes excedentes são removidas pelo recurso de

Coumpound objects que elimina partes comuns a dois objetos sobrepostos. Partes

excedentes são regiões do objeto que estão longe do defeito a ser recuperado. Como

neste caso o defeito encontra-se na região do lobo frontal (testa), a região do STL

abaixo dos olhos foi eliminada, posicionando um prisma retangular neste nível,

fazendo o papel de plano de corte. Este procedimento facilita a visualização e

aumenta o desempenho do software (tempo de regeneração das imagens).

O aumento do número de faces componentes é realizado por meio do recurso

Turbosmooth. Quanto maior o número de faces, mais suave e definida se torna a

superfície. Entretanto, o tempo de regeneração e manipulação desta superfície neste e

nos demais softwares CAD/CAM aumenta consideravelmente. A figura 2 mostra a

evolução da resolução da superfície 3D realizada neste estudo.

Figura 2. Aumento da resolução da superfície 3D: a) superfície original; b,c,d) parâmetro iterations do recurso turbosmoth setado para 1, 2 e 3

respectivamente.

a b

c d

A utilização do 3D Studio Max é necessária pois o Solidworks tem capacidade de

leitura de arquivos STL, mas não de edição, impedindo operações básicas como

transladar/girar, corte/extrusão e geração de novas superfícies adjacentes as já

existentes. Finalizadas estas operações no 3D Studio Max, o arquivo STL é exportado

no formato ACIS-SAT, que é legível e editável no Solidworks.

2.3 Etapa 3: Modelagem da superfície de estampagem e do implante no

Solidworks

O Solidworks é uma solução CAD desenvolvida e comercializada pela empresa

Dassault Systems, sediada em Vélizy, França. Atende os setores industrial, médico,

científico, educacional, tecnológico e de transportes. A justificativa de utilização desta

ferramenta se dá pelos número de recursos de modelagem e pela precisão dos

recursos de translação e giração – operações necessárias à preparação do modelo

para as etapas posteriores de usinagem e conformação. O trabalho aqui apresentado

foi realizado em uma versão educacional adquirida pela instituição onde o projeto foi

desenvolvido (Faculdade SATC, Criciúma/SC).

No Solidworks primeiramente é feita a importação do arquivo ACIS-SAT gerado no

3D Studio Max. Dependendo do número de faces, o processo pode demorar alguns

minutos. Neste estudo de caso, o modelo SAT do crânio apresentava 19.427 faces,

necessitando aproximadamente de 2 minutos para a abertura do arquivo2. O arquivo

SAT é aberto no ambiente de montagem, sendo necessário seu salvamento no

formato de peça do Solidworks (SLDPRT). A figura 3 mostra o modelo 3D do crânio já

em formato de peça (arquivo único).

2 Desempenho obtido em um computador DELL Ultrabook XPS 421, Core i5, Memória 8GB, com placa

de vídeo NVIDIA Geforce GT630M 1 GB.

Figura 3. Leitura e conversão do arquivo STL para edição no software SolidWorks, em formato de peça única.

Neste ponto é necessário cortar novamente partes excedentes, resumindo o

modelo à superfície de chapa que será estampada posteriormente. Dependendo da

localização do trauma, a criação de planos auxiliares é necessária e também a giração

e translação da superfície para o plano frontal de referência. Particularmente nesta

etapa, conhecimentos prévios de geometria descritiva são necessários para poder

criar planos e rotacionar objetos de forma precisa e eficiente. O procedimento de

criação de planos auxiliares, giração e translação para o plano frontal consiste em

nada mais do que colocar os limites (perímetro) desta superfície em verdadeira

grandeza (VG).

Figura 4. (A) Criação do plano auxiliar secante – plano 2 - para definir a superfície de estampagem; (B) Resultado do corte; (C) Rotação e posicionamento no plano

frontal, colocando o perímetro da superfície em verdadeira grandeza.

Com o posicionamento correto da superfície de estampagem3, inicia-se a

modelagem da superfície de preenchimento4, que corresponde à área faltante do

crânio, a qual denominaremos de “implante”. Para gerar a superfície de

preenchimento, é necessário desenhar uma spline5 3D fechada, coincidente com o

perímetro da região craniana remanescente. Além da spline, é necessário desenhar

uma linha guia, que afetará a curvatura do implante. Esta curvatura é definida de

acordo com a continuidade do crânio, procurando reconstruir a curvatura original do

crânio sadio. A figura 5 mostra o preenchimento da região vazia pelo implante.

3 Área da chapa de titânio puro que sofrerá a ação da ferramenta e se deformará conforme o modelo CAD

correspondente. 4 Área da chapa deformada que será recortada desta, formando a peça final (implante), que passará ainda

por processo de lixamento de arestas, lavagem e descontaminação. 5 Um spline é uma curva definida matematicamente por dois ou mais pontos de controle. Os pontos de

controle que ficam na curva são chamados de nós. Cada nó tem segmentos auxiliares que podem ser

manipulados, alterando a tangência e continuidade do segmento.

A

B

C

Figura 5. Geração da superfície de preenchimento (implante), com utilização de

linha-guia.

2.4 Etapa 4: Desenvolvimento dos programas de usinagem do molde

inferior e estampagem da chapa de titânio

Com os modelos CAD 3D da superfície de estampagem e do implante definidos,

inicia-se a etapa de geração de programas de usinagem, utilizando a tecnologia CAM

– Computer Aided Manufacturing. A Faculdade SATC tem cópias educacionais

licenciadas do software EdgeCAM, utilizado para realizar esta etapa.

O EdgeCAM é um software destinado originalmente à área da indústria de

transformação metal-mecânica e a um processo de fabricação específico: a usinagem

de metais. Porém, no processo de desenvolvimento do implante de chapa de titânio, o

EdgeCAM foi utilizado para duas finalidades diferentes: a) usinagem do suporte

inferior e b) estampagem incremental do implante. O suporte inferior (figura 6),

fabricado em polímero6 é utilizado como suporte, para dar maior sustentação ao

formato da chapa.

6 Polímero PN 651 com as seguintes características: densidade de 700Kg/m3; dureza Shore D 68;

resitência à compressão de 25 N/mm² (dados do fabricante)

Linha guia

Perfil fechado 3D para geração de

superfície

Superfície de preenchimento

Figura 6. Suporte de apoio inferior, fabricado em polímero

A etapa ‘b’ consiste na estampagem incremental da chapa de titânio. Neste

processo é utilizada uma ferramenta de perfil genérico (haste cilíndrica ou cilindro-

cônica e ponta esférica ou semi-esférica) sem arestas de corte, utilizada para deformar

aos poucos a chapa, em movimentos coordenados XYZ. Estes movimentos produzem

uma deformação plástica e localizada, em uma pequena região da chapa. Esta região

muda de acordo com a movimentação da ferramenta sobre a chapa (Emmens e Van

Den Boogaard, 2009). Dessa forma, a deformação ocorre de maneira progressiva,

aumentando a conformabilidade da chapa, quando comparada com os processos

convencionais de estampagem (Martins, et al. 2008). A figura 7 ilustra este processo.

Figura 7. Descrição do processo de estampagem incremental

A principal vantagem deste processo em relação à estampagem

tradicional é o custo para a fabricação dos produtos, já que não é necessário a

utilização de moldes específicos. Peças de diferentes formatos podem ser

criadas utilizando o mesmo ferramental, alterando-se apenas o desenho inicial.

Assim, peças únicas e exclusivas, como obras de arte e implantes médicos

podem ser produzidas com custos bem menores.

2.4.1. Usinagem do suporte inferior

O EdgeCAM permite similar os processos de usinagem e gerar os

programas CNC7, composto por códigos “G”, que comandam a máquina CNC,

por meio de coordenadas XYZ. A figura 8 mostra o ambiente de trabalho do

programa, com a representação do suporte inferior (molde de P.U.), a região de

estampagem da chapa de titânio e a região de recorte (implante de titânio).

Figura 8. Ambiente de trabalho do software EdgeCAM. A parte destacada

corresponde ao formato da peça final (implante de titânio)

Na figura 9 é mostrada a simulação da usinagem do suporte inferior,

juntamente com as ferramentas utilizadas: no desbaste foi utilizada uma fresa

7 Comando Numérico Computadorizado – tecnologia desenvolvida na década de 1950, que permite

controlar máquinas-ferramenta por meio de códigos e comandos de computador.

Molde de P.U.

Região de

estampagem

Região

recortada

(implante de

titânio)

de ponta reta (endmill) diâmetro 10mm; no acabamento foi utilizada uma fresa

de ponta arredondada (ball nose) também com diâmetro de 10 mm.

Figura 9. Simulação das etapas de usinagem de desbaste (a) e acabamento (b) do suporte inferior, com as respectivas ferramentas.

2.4.2 Estampagem e recorte do implante de chapa de titânio

Após a confecção do molde, segue-se com a etapa de estampagem e recorte

da chapa de titânio. O mesmo programa de acabamento do suporte inferior é utilizado

para a conformação da chapa, utilizando uma ferramenta diferente, de ponta esférica,

produzida em titânio puro, sem arestas de corte. À medida que a ferramenta desliza

sobre a chapa, em movimentos helicoidais interpolados, vai conformando-a no formato

desejado. A última etapa é a operação de recorte, que destaca o formato do implante

da chapa conformada (figura 10).

Figura 10. Simulação dos processos de conformação da chapa de titânio e recorte

do implante.

2.5 Fabricação do implante

a b

Com as simulações prontas, são gerados os programas e transmitidos à máquina

CNC para realizar as operações. A figura 11 mostra o processo de estampagem

incremental da chapa de titânio em andamento.

Figura 11. Estampagem incremental da chapa de titânio

2.6 Prototipagem rápida do crânio – parte remanescente Com o produto final recortado da chapa estampada, parte-se para a prototipagem

rápida do modelo do crânio defeituoso, para possibilitar o planejamento antecipado da

cirurgia e avaliar os resultados estéticos e funcionais do implante. Esta etapa ainda

não foi executada. Para a prototipagem rápida será utilizada a impressora 3D Cliver

CL1, disponível no laboratório de manufatura da Faculdade SATC. A figura 12 mostra

um exemplo de como ficará o modelo impresso em polímero ABS, com o implante

montado sobre a região afetada (trauma).

Figura 12. Montagem do modelo do crânio defeituoso e o implante, produzidos em polímero, em uma impressora 3D (Interplast, 2012).

3 Conclusões

A utilização das tecnologias CAD/CAM e prototipagem rápida na área médica

possibilitam avanços importantes, tanto para o médico quanto para o paciente. O

planejamento antecipado permite a diminuição do tempo de cirurgia e melhores

resultados estéticos e funcionais. A diminuição do tempo implica em uma recuperação

mais rápida do paciente; a eficiência estética-funcional permite um ajuste satisfatório

entre implante e osso, sem espaços vazios, interferências, protuberâncias ou

cavidades indesejadas. Além disso, a eficiência do implante não depende da

habilidade do cirurgião e sim da qualidade dos arquivos de tomografia originais e dos

processos subsequentes, relacionados a modelagem CAD e programações de

usinagem, conformação e recorte do implante. A possibilidade de produzir um

implante personalizado, de baixo custo, permite que pessoas com poucos recursos

econômicos tenham acesso a esta tecnologia. Para se ter uma idéia, em processos

tradicionais de fabricação de implantes, que utilizam ferramental específico, o custo de

um implante fica entre 90.000,00 e R$ 120.000,00 (cento e vinte mil reais). O processo

aqui descrito tem um custo aproximado entre 3.000,00 e 4.000,00, considerando-se a

utilização de máquina já existente (centro de usinagem CNC). Dentro deste valor estão

listados: ferramenta e chapa de titânio, suporte inferior, dispositivo de fixação (prensa

chapas), ferramentas de usinagem (fresas) e processo de limpeza e descontaminação

do implante.

Referências

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