ZBondTM90 Resina Prototipagem Rápida
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Biomodelos em impressora tridimensional para ortopedia Cristiane B. L. Ulbrich 1 , Flavio Ulbrich 1 , Barbara C. Nunes 2 , Cecilia A. C. Zavaglia 1 1 INCT Biofabris, Depto. Engenharia Mecânica, Univ. Estadual de Campinas, Campinas (SP), Brasil 2 3M do Brasil, Sumaré (SP), Brasil E-mail: [email protected] Resumo. O uso da prototipagem rápida na ortopedia torna-se cada vez mais uma prática frequente. Uma de suas aplicações é a simulação do procedimento cirúrgico em tamanho real pela equipe médica. Assim, é possível avaliar a complexidade do caso, propondo um planejamento da cirurgia mais eficiente. Esse artigo tem como objetivo mostrar como o uso dos biomodelos confeccionados em prototipagem rápida pode auxiliar no planejamento cirúrgico de membros inferiores e superiores, como os encontrados nos casos de raquitismo. Utilizando- se desses modelos, a equipe médica pode simular nos próprios protótipos ações cotidianas de uma cirurgia, como corte do material, ajuste por pinos, etc. Neste artigo será apresentado uma comparação entre diferentes resinas que, ao serem aplicadas no biomodelo, conferem características singulares no que se refere ao corte e a resistência do protótipo para a simulação em tamanho real de um caso de ortopedia. Palavras-chave: Prototipagem rápida, ortopedia, cianoacrilato 1. INTRODUÇÃO A prototipagem rápida é uma tecnologia que permite a construção de modelos físicos a partir de um modelo CAD 3D. É uma tecnologia que surgiu para o desenvolvimento de produtos da indústria de bens de consumo, sendo capaz de reproduzir fisicamente um modelo virtual em vários tipos de materiais. Aplicada à área biomédica, envolve a associação de três tecnologias: a aquisição de imagens biomédicas, o
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Excelente trabalho sobre "o uso da prototipagem rápida na ortopedia torna-se cada vez mais uma prática frequente. Uma de suas aplicações é a simulação do procedimento cirúrgico em tamanho real pela equipe médica. Assim, é possível avaliar a complexidade do caso, propondo um planejamento da cirurgia mais eficiente. Esse artigo tem como objetivo mostrar como o uso dos biomodelos confeccionados em prototipagem rápida pode auxiliar no planejamento cirúrgico de membros inferiores e superiores, como os encontrados nos casos de raquitismo. Utilizando-se desses modelos, a equipe médica pode simular nos próprios protótipos ações cotidianas de uma cirurgia, como corte do material, ajuste por pinos, etc. Neste artigo será apresentado uma comparação entre diferentes resinas que, ao serem aplicadas no biomodelo, conferem características singulares no que se refere ao corte e a resistência do protótipo para a simulação em tamanho real de um caso de ortopedia."
Transcript of ZBondTM90 Resina Prototipagem Rápida
Biomodelos em impressora tridimensional para ortopedia
Cristiane B. L. Ulbrich1, Flavio Ulbrich1, Barbara C. Nunes2, Cecilia A. C. Zavaglia1
1INCT Biofabris, Depto. Engenharia Mecânica, Univ. Estadual de Campinas, Campinas (SP), Brasil 23M do Brasil, Sumaré (SP), Brasil
E-mail: [email protected]
Resumo. O uso da prototipagem rápida na ortopedia torna-se cada vez mais uma prática frequente. Uma de suas aplicações é a simulação do procedimento cirúrgico em tamanho real pela equipe médica. Assim, é possível avaliar a complexidade do caso, propondo um planejamento da cirurgia mais eficiente. Esse artigo tem como objetivo mostrar como o uso dos biomodelos confeccionados em prototipagem rápida pode auxiliar no planejamento cirúrgico de membros inferiores e superiores, como os encontrados nos casos de raquitismo. Utilizando-se desses modelos, a equipe médica pode simular nos próprios protótipos ações cotidianas de uma cirurgia, como corte do material, ajuste por pinos, etc. Neste artigo será apresentado uma comparação entre diferentes resinas que, ao serem aplicadas no biomodelo, conferem características singulares no que se refere ao corte e a resistência do protótipo para a simulação em tamanho real de um caso de ortopedia.
Palavras-chave: Prototipagem rápida, ortopedia, cianoacrilato
1. INTRODUÇÃO
A prototipagem rápida é uma tecnologia que permite a construção de modelos físicos a partir de um modelo CAD 3D. É uma tecnologia que surgiu para o desenvolvimento de produtos da indústria de bens de consumo, sendo capaz de reproduzir fisicamente um modelo virtual em vários tipos de materiais.
Aplicada à área biomédica, envolve a associação de três tecnologias: a aquisição de imagens biomédicas, o tratamento adequado a estas imagens por sistemas computacionais específicos e a prototipagem rápida propriamente dita.
As imagens obtidas por tomografia computadorizada ou ressonância magnética, após adequadamente tratadas, geram arquivos que podem ser reconhecidos pelos equipamentos de prototipagem rápida, sendo possível construir fisicamente modelos que reproduzem a anatomia humana (Ulbrich, 2007).
Além de reproduzir a geometria de partes do corpo humano, a prototipagem rápida tem como uma de suas aplicações a confecção de biomodelos para planejamento cirúrgico. Uma das técnicas utilizadas para este tipo de aplicação é a tecnologia de prototipagem rápida por impressão tridimensional (3DP) (Volpato, 2007).
Utilizando-se desses modelos, a equipe médica pode simular nos próprios prótotipos ações cotidianas de uma cirurgia, como corte do material e ajuste por pinos.
Este artigo procurou retratar como o uso de diferentes resinas a base de cianoacrilato podem conferir características singulares ao que se refere ao corte e a resistência do protótipo para a simulação em tamanho real de um caso de ortopedia.
1.1 Conceituação
O princípio de funcionamento do processo de impressão tridimensional é descrito como a técnica que se refere a uma classe inteira de equipamentos que usam a tecnologia de jato de tinta (figura 1). Os protótipos são construídos sobre uma plataforma situada num recipiente preenchido com pó à base de gesso ou amido. Um cabeçote de impressão por jato de tinta imprime seletivamente um líquido aglomerante que liga o pó nas áreas desejadas. O pó que continua solto permanece na plataforma para dar suporte ao protótipo que vai sendo formado. A plataforma é ligeiramente abaixada, adiciona-se uma nova camada de pó e o processo é repetido (Souza e Ulbrich, 2009).
Figura 1: Funcionamento da impressão tridimensional (Souza e Ulbrich, 2009)
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Um protótipo em gesso é constituído basicamente por materiais como substrato de gesso e aglomerante, recebendo uma camada externa de cianoacrilato.
Tendo em vista a necessidade de construir protótipos que possam ser utilizados na criação de biomodelos para planejamento cirúrgico, mais especificamente para aplicação na ortopedia, os modelos da figura 2 (parte de um fêmur e cubos de 1cm3) foram confeccionados no processo de impressão tridimensional, equipamento modelo Zprinter 510 da Z Corporation, material ZP130 (gesso).
O estudo proposto concentra-se na composição da resina aplicada após a construção do protótipo cuja base é o cianoacrilato. O objetivo é mostrar como diferentes tipos de resinas podem gerar camadas mais espessas ou mais finas de acordo com sua composição. Desta forma, foram avaliadas as seguintes resinas: ZBondtm90, Tekbond725, CA40 e PR100.
Figura 2: Protótipos confeccionados em gesso antes da aplicação de cianoacrilato
Após receber a camada externa de resina, cada protótipo foi submetido a análise visual através de imagens geradas por um Microscópio Eletrônico de Varredura, equipamento ilustrado na figura 3, modelo Inspect S50 da empresa FEI.
Figura 3: Equipamento MEV utilizado na avaliação das amostras
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
As quatro resinas avaliadas (ZBondtm90, Tekbond725, CA40 e PR100) tem como principal característica o fato de serem adesivos instantâneos e de baixa viscosidade. A tabela 1 ilustra as amostras avaliadas.
ZBondtm90 Adesivo instantâneo de baixa viscosidade da Z CorporationTekbond725 Adesivo instantâneo de baixa viscosidade da TekbondCA40 Adesivo instantâneo de baixa viscosidade da 3MPR100 Adesivo instantâneo de baixa viscosidade da 3M
Tabela 1: Amostras de cianoacrilato analisadas
3.1 Resina ZBondtm90 da Z Corporation
A figura 4 ilustra a superfície de uma peça com a resina ZBond tm90 que é o material recomendado pelo fabricante no processo de pós-processamento dos protótipos criados por impressão tridimensional. Este é um adesivo instantâneo de baixa viscosidade a base de cianoacrilato de etil, monocomponente de polimerização espontânea por ação da umidade ambiente (Z Corporation, 2012).
Figura 4: Superfície de uma peça com a resina ZBondtm90, com aumento na foto de 50x sendo (a) a camada externa e (b) um corte mostrando a parte interna da amostra
3.2 Resina 725 da Tekbond
Este adesivo é recomendado principalmente para colagens que necessitam de alta velocidade de cura. O produto é ideal para adesão por capilaridade por possuir baixa viscosidade (Tekbond, 2012). A figura 5 ilustra as imagens obtidas pelo MEV da peça recoberta com esta resina.
Como resultado, pode-se observar que a figura 5.a ilustra a penetração do adesivo instantâneo numa vista em corte da amostra. Já a figura 5.b mostra a camada externa formada pela resina. Os adesivos instantâneos apresentam baixa viscosidade, portanto formam uma fina camada externa como é verificado nas figuras 5.c, 5.d e 5.e. A camada de cianoacrilato propriamente dita pode ser visualizada na figura 5.f.
Portanto, na imagem analisada, a amostra apresenta resultado similar ao ZBond, conforme esperado, apresentando um núcleo sem a total penetração do cianoacrilato, apenas criando uma fina camada externa. No caso de biomodelos para ortopedia esta característica faz com que os protótipos sejam frágeis e quebradiços quando são cortados num ensaio de simulação de planejamento cirúrgico (conforme esperado).
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figura 5: Superfície de uma peça revestida com o cianoacrilato 725 da Tekbond com aumento de 100x, 150x, 300x, 500x e 3.000x
3.3 Resina CA40 da 3M
Este adesivo instantâneo é recomendado para uso em metais, plásticos e borracha. Oferece os seguintes benefícios: rápida cura (10 segundos), grande adesão, muito resistente ao cisalhamento, boa estética, fácil aplicação, boa adesão a superfícies difíceis de unir como alumínio e vinil flexível. Sua viscosidade é de 2 -10 centipoise. A figura 6 ilustra as imagens obtidas pelo MEV de uma peça revestida com essa resina.
Como resultado, pode-se observar que a figura 6.a ilustra a penetração do adesivo instantâneo numa vista em corte da amostra. A figura 6.b mostra a camada externa formada pela resina. Este adesivo instantâneo também apresenta baixa viscosidade e, portanto, também forma uma fina camada externa (6.c, 6.d e 6.e). A resina de cianoacrilato pode ser visualizada na figura 6.f.
Portanto, na imagem analisada, a amostra também apresenta resultados similares ao ZBond e ao Tekbond, conforme esperado, apresentando um núcleo sem a total penetração do cianoacrilato, apenas criando uma fina camada externa. Continuam sendo modelos frágeis e quebradiços ao serem cortados na simulação de planejamento cirúrgico (conforme esperado).
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figura 6: Superfície de uma peça revestida com o cianoacrilato CA40 da 3M com aumento de 100x, 150x, 300x, 500x, 1.000x e 3.000x
3.4 Resina PR100 da 3M
Este adesivo instantâneo é recomendado para aplicações gerais. Oferece os seguintes benefícios: cura rápida (10 a 30 segundos), recomendado para peças plásticas. Sua viscosidade é de 80 - 120 centipoise. A figura 7 ilustra as imagens obtidas pelo MEV da peça revestida com essa resina.
Como resultado, pode-se observar que a figura 7.a ilustra uma camada externa em uma quina do protótipo com adesivo instantâneo que parece mais espessa que as demais amostras até então. A figura 7.b mostra a camada externa formada pela resina. Este cianoacrilato apresenta uma viscosidade maior e, portanto, forma uma camada externa mais grossa que pode ser visualizada na fratura da amostra (figura 7.c) e também nas figuras 7.d, 7.e 7.f.
Portanto, na imagem analisada, a amostra apresenta uma camada externa mais espessa que pode trazer mais rigidez ao protótipo quando cortado na simulação de planejamento cirúrgico.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figura 7: Superfície de uma peça revestida com o cianoacrilato PR100 da 3M com aumento de 70x, 100x, 150x, 300x, 1.000x e 3.000x
4. CONCLUSÕES
Este artigo procurou retratar como o uso de diferentes resinas a base de cianoacrilato podem conferir características singulares ao que se refere ao corte e a resistência do protótipo para a simulação em tamanho real de um caso de ortopedia.
Comumente, os protótipos gerados por impressão tridimensional para planejamento cirúrgico são resinados com adesivos instantâneos e de baixa viscosidade. Contudo, estas resinas, formam uma fina camada externa, tendo seu interior uma configuração frágil e quebradiça que dificulta a simulação de cortes num planejamento cirúrgico. Foi o que ocorreu com as resinas ZBondtm90, Tekbond725, CA40 que são adesivos instantâneos de baixa viscosidade.
Já resinas com menor tempo de cura e maior viscosidade, como a PR100, conferem ao protótipo uma camada externa mais resistente que permite um melhor corte para a simulação de protótipos em tamanho real para casos de raquitismo, por exemplo, aplicados na ortopedia.
AGRADECIMENTOS
Os autores deixam registrados aqui os agradecimentos ao INCT Biofabris (Unicamp) pelo apoio na execução dos corpos de prova e a 3M do Brasil pelo fornecimento das amostras das resinas.
REFERÊNCIAS
Souza, A. F.; Ulbrich C.B.L. (2009) “Engenharia integrada por computador e sistemas CAD/CAM/CNC - princípios e aplicações”. São Paulo: Artliber Editora, 336p.Volpato N. et al. (2007), “Prototipagem Rápida: Tecnologias e aplicações”. São Paulo: Edgard Blücher, 244 p.Z Corporation (2012), “Material Safety Data Sheet – Zbondtm90”Tekbond (2012), “Material Safety Data Sheet – Tekbond725”3M (2012), “Material Safety Data Sheet e Boletim Técnico – CA-40 e PR100”
Biomodels in three-dimensional printer for orthopedics
Cristiane B. L. Ulbrich1, Flavio Ulbrich1, Barbara C. Nunes2, Cecilia A. C. Zavaglia1
1INCT Biofabris, Departament of Mechanical Engineering, Unicamp, Campinas (SP), Brasil 23M do Brasil, Sumaré (SP), Brasil
E-mail: [email protected]
Abstract. The use of rapid prototyping in orthopedics is becoming increasingly common practice. One of its applications is to simulate the surgical procedure in actual size by the medical team. Thus, it is possible to assess the complexity of the case by proposing a more efficient planning of surgery. This article aims to show how the use of mandible models made of rapid prototyping can assist in surgical planning of upper and lower limbs, like those found in cases of rickets. Using these models, the medical team can own prototypes simulate the daily actions of surgery, such as cutting the material, setting pin, etc. This paper deals with a comparison of different resins which, when applied in biomodel confer unique characteristics to the case to the court and the resistance of the prototype simulation for the actual size of a case of orthopedics.
Keywords: Rapid Prototype, orthopedics, cyanoacrylate
