Gramado – RS
De 30 de setembro a 2 de outubro de 2014
A DIGITALIZAÇÃO ÓTICA TRIDIMENSIONAL NO DESENVOLVIMENTO DE
PRÓTESES
Letícia Alcará da Silva
Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (UNESP) lehalcara@gmail.com
Prof. Dr. Osmar Vicente Rodrigues
Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (UNESP) osmar@faac.unesp.br
Resumo: Esse artigo apresenta a importância da digitalização ótica tridimensional no desafio de reconstruir o bico de um tucano (Ramphastos
toco), seriamente comprometido por um tiro de arma de fogo. A partir de
um bico dissecado de outro tucano e de vários moldes de gesso, foi possível realizar a digitalização a fim de se obter os arquivos tridimensionais para o desenvolvimento de uma prótese daquele tucano, a partir de tecnologias aditivas de Prototipagem Rápida. A prótese desenvolvida apresentou as características físicas e estéticas necessárias a uma prótese dessa natureza. O seu peso e espessura eram equivalentes ao bico original. Foi notável a compatibilidade geométrica entre a prótese e a parte inferior do bico já existente, que só foi possível graças às tecnologias utilizadas no processo.
Palavras-chave: digitalização 3D, scanner 3D, prótese, tucano, Prototipagem Rápida.
Abstract: This paper presents the importance of 3D scanning in the challenge of rebuilding a toucan’s (Ramphastos toco) bill, fully damaged by a gun shot. From a dissected bill from another toucan and several plaster moulds, it was possible to perform the scanning process in order to obtain the 3D files for the development of a prosthesis by means of additive technologies of Rapid Prototyping. The prosthesis presented both physical and aesthetic characteristics necessary for this nature of application. In addition, weight as well as thickness are both equivalent to the original bill, and the geometric compatibility between the prosthesis and the lower part of the existing bill was remarkable, which was only possible thanks to the technologies used in this process.
Keywords: 3D digitalization, 3D scanner, prosthesis, toucan, Rapid Prototyping.
1. INTRODUÇÃO
Este trabalho foi desenvolvido no Centro Avançado de Desenvolvimento de Produtos - CADEP, com sede no Campus de Bauru, ligado ao Departamento de Design, da Faculdade de Arquitetura, Artes e Comunicação – FAAC, da Universidade Estadual Paulista - UNESP.
Equipado com tecnologias de Prototipagem e Manufatura Rápida, o CADEP apoia o trabalho de docentes, alunos e pesquisadores da UNESP, nas três áreas do conhecimento (exatas, humanas e biológicas), em projetos que envolvam a produção de modelos, protótipos, moldes, ferramentas, dispositivos e séries-piloto de produtos. Além disso, nesse Laboratório também são realizadas pesquisas e experimentos, visando a combinação, e complementação entre as tecnologias convencionais (baseadas na subtração, fundição e conformação de materiais), e aquelas mais recentes (baseadas na adição de materiais). Também são oferecidas consultoria e prestação de serviços em Engenharia Reversa e digitalização ótica tridimensional.
Em parceria com veterinários e biólogos do Parque Zoológico Municipal de Bauru, foi desenvolvida uma prótese da parte superior do bico de um tucano, seriamente comprometida por um tiro de arma de fogo.
Com a intenção de minimizar os efeitos negativos, colaterais e psicológicos para o pássaro, havia sido implantada no tucano, uma prótese improvisada feita com resina de poliéster, sem apresentar, entretanto, as características físicas e estéticas necessárias a uma prótese dessa natureza (Figura 1). E foi nessas condições que o tucano analisado nos foi apresentado, com o desafio que a nova prótese pudesse oferecer características físicas, tais como peso, dimensões, espessura, resistência e forma, o mais próximo possível da parte superior do bico original, além de contribuir para o aumento na qualidade de vida do animal. Estes são, portanto, os objetivos do presente trabalho.
O presente artigo aborda o desenvolvimento de um processo experimental que combina diferentes técnicas de modelagem convencionais com tecnologias de Prototipagem Rápida, com foco na digitalização tridimensional, que foi essencial para a solução deste problema.
Figura 1 – Tucano com a prótese de resina de poliéster.
Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada.
Uma das tecnologias que compõem o CADEP é um sistema de digitalização ótica 3D móvel, marca GOM, modelo ATOS I 2M. Trata-se de um digitalizador 3D, que obtém dados tridimensionais de um objeto de maneira rápida e precisa em função da alta resolução, otimizando não só processos de desenvolvimento de produtos, como também de fabricação, além de melhorar o “workflow” de manufatura, auxiliando o projeto até a fase de manutenção. Esse sistema é auto-monitorado, verificando o status de calibração, precisão de transformação, alterações ambientais e movimento da peça.
Uma tomada de pontos desse equipamento é capaz de obter até dois milhões de pontos, e cada tomada individual é acrescentada ao conjunto de medições anteriores, resultando em uma nuvem densa de pontos (malha poligonal), que pode ser aplicada em Prototipagem e Manufatura Rápida, Controle de Qualidade, Engenharia Reversa ou Inspeção Tridimensional, sem equipamentos adicionais.
No caso da Inspeção Tridimensional, a nuvem de pontos resultante das tomadas durante a digitalização da peça, pode ser comparada com a superfície CAD (computer aided design) referente ao projeto original da peça obtido através de um programa de modelamento, apresentando os desvios existentes entre eles. Além das superfícies, outras grandezas como ângulos e dimensões também podem ser comparados, e gerar relatórios desses desvios.
No projeto para a obtenção do modelo virtual do bico do tucano, foi necessária a confecção de moldes em gesso da parte inferior do tucano analisado, e a parte superior de outro tucano, usado simplesmente como referência e ponto de partida para o trabalho. E essa referência foi um bico dissecado, fornecido pelo próprio Zoológico, a fim de que fosse possível realizar a comparação entre os arquivos tridimensionais gerados.
Figura 2 – Bico dissecado e moldes de gesso.
Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada. 2.1 Materiais e métodos
Os materiais utilizados para o desenvolvimento do projeto foram:
Gesso pedra de uso odontológico, para a confecção dos moldes;
Bico dissecado;
Sistema de digitalização ótica 3D móvel GOM, modelo ATOS I 2M;
Software Rhinoceros e o plug-in paramétrico Grasshopper;
Máquina de prototipagem ZPrinter 650Z;
Softwares ZEdit e ZPrint;
Máquina de prototipagem Envisiontec Ultra.
Software Perfectory e Magics.
Utilizou-se o mesmo método adotado no trabalho de ALENCAR, RODRIGUES, BARATA E BÁRTOLO (2012), que trata da análise de desvios em modelos físicos obtidos por tecnologias aditivas. Ou seja, converter um modelo CAD para extensão STL, e então obter os modelos físicos a partir de tecnologias, verificados tridimensionalmente por meio de digitalização ótica. Estudos sobre o tempo e custos de fabricação, material utilizado, a espessura e número de camadas, consumo de energia e peso, foram considerados no estudo. Assim, o estado atual das tecnologias analisadas trouxe uma compreensão mais ampla sobre os limites, semelhanças, características técnicas e peculiaridades, ampliando a presença das tecnologias aditivas, tanto na Prototipagem Rápida, quanto na Manufatura Rápida.
2.2 Preparo das peças para medição
Para digitalizar uma dada superfície, o ATOS projeta padrões de franjas no objeto durante a gravação da imagem na câmera. Se o contraste da câmera é muito baixo, nenhum ponto 3D pode ser calculado. Foi o que ocorreu com os moldes de gesso – que são muito porosos – e com o próprio bico dissecado, cuja superfície é brilhante, além de uma parte desta estar na cor preta, que não é capturada, pois a cor ideal da superfície para digitalização é a branca e fosca. Para resolver esse problema, foi borrifado na superfície das três peças para medição um revelador composto de partículas brancas suspensas em um solvente de secagem rápida. Ele produz uma camada fina e homogênea, em tom branco fosco, que proporciona um fundo de excelente contraste.
É necessária a aplicação dos adesivos de pontos de referência, que transformam as medições individuais em um arquivo de medição. Os pontos foram distribuídos em comprimento, largura e altura do volume de medição. O sistema do ATOS rastreia cada ponto de referência desde que esteja visível para as câmeras esquerda e direita. Se o sensor localizar três ou mais pontos, o ATOS é capaz de orientar-se sozinho no espaço 3D. Todas as medições são automaticamente orientadas em um sistema comum de coordenada se a medição individual capturar pelo menos três pontos de referência do procedimento de medição. O ATOS identifica os pontos de referência como se isto já fosse conhecido de outras medições.
2.3 Preparo do Scanner para medição
Para essa medição em especial, foram utilizadas as lentes de 250 mm, utilizada para peças de porte médio (aproximadamente 300mm x 300mm). Após a troca das três lentes, o scanner foi devidamente calibrado, estando pronto para o inicio das medições.
Figura 3 - Scanner GOM ATOS 2M.
Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada. 2.4 Escaneamento
As várias partes foram digitalizadas separadamente.
O ATOS captura a superfície com rapidez e imediatamente mostra a vista 3D. São necessárias várias tomadas, pois o sensor somente pode capturar áreas que são vistas a partir das câmeras. Portanto, o sistema imediatamente identifica os pontos de referência assim que eles são capturados pelas câmeras, e os adiciona ao projeto de medição. Cada ponto de referência é enumerado e os próximos pontos serão adicionados ao projeto de medição mais tarde, quando a visão do sensor assim permitir. Nesse caso, as peças foram rotacionadas manualmente em cada uma das tomadas, para a captura de novas áreas.
Alguns cuidados devem ser tomados, como a variação de luz ambiente e o movimento da peça durante a digitalização, pois podem influenciar no resultado final.
Figura 4 – Projeção de franjas no molde de gesso da parte superior do bico. Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada.
Primeiramente, foi digitalizado o molde da parte superior do bico, que possui uma forma mais simplificada. Foram realizados 68 escaneamentos para a obtenção de toda a peça. Em seguida foi realizada a digitalização do molde da parte inferior, o qual exigiu 51 escaneamentos. E por último, para o bico dissecado foram necessárias 33 escaneamentos para a obtenção de toda a geometria.
Figura 5 – Detalhe da projeção de franjas no molde de gesso da parte superior do bico. Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada.
Figura 6 – Software ATOS durante digitalização do molde de gesso.
Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada. 2.5 Poligonização
Com as peças digitalizadas, as medições singulares de cada uma delas estavam então disponíveis como malhas, previamente separadas. Para juntá-las, foi necessária a realização da poligonização.
Durante o processo de poligonização, as malhas de visualização são editadas automaticamente e convertidas em uma única malha de não sobreposição triangular. Dependendo das curvaturas da superfície do objeto, a malha triangular pode apresentar densidades diferentes.
Figura 7 – Malha poligonizada.
Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada. 2.6 Edição das malhas e alinhamento
Devido ao elevado grau de precisão do scanner, é necessária a edição do arquivo para excluir o desnecessário. Com isso, também é possível suavizar, afinar, reparar e criar pontes na malha.
Figura 8 – Arquivo pós-edição das malhas.
Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada.
Após a edição, foi realizado o alinhamento das malhas de cada uma das três peças.
Figura 9 – Peça alinhada.
Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada.
Os três arquivos foram então exportados em extensão STL, a fim de possibilitar a continuidade do trabalho em outros softwares.
Figura 10 – Três peças após digitalização, poligonização, edição e alinhamento. Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada. 2.7 Edição dos arquivos
O próximo passo foi levar os arquivos resultados da digitalização 3D para o software Rhinoceros e o plug-in paramétrico Grasshopper. A partir dos cortes longitudinais da malha poligonal gerada pelo processo de digitalização 3D, bem como das referências geométricas fornecidas pelo bico dissecado, foi possível comparar e adaptar esses dados com aqueles dos modelos em gesso. Foi durante esse processo que foi também utilizado o plug-in paramétrico Grasshopper, para melhorar o controle das curvas e a geração da geometria final da superfície.
Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada. 2.8 O primeiro protótipo e as avaliações
Após a finalização das correções e refinamentos do modelo virtual 3D no software Rhinoceros, foi gerada uma extensão STL desse arquivo, sendo possível então a produção do primeiro protótipo da prótese do bico do tucano por meio de uma tecnologia aditiva baseada em pó, usando a máquina ZPrinter 650Z, da ZCorp. (atualmente 3D Systems), existente no CADEP.
Esse primeiro protótipo físico permitiu avaliar as dimensões e a forma, sendo possível assim conferir o encaixe e a compatibilidade entre a prótese (parte superior do bico) com a parte inferior, já existente.
Figura 12 – Primeiro protótipo.
Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada. 2.9 As correções e o segundo protótipo
As correções necessárias indicadas pelo primeiro protótipo guiaram os ajustes no modelo virtual, e a partir deste, foi então gerado o segundo protótipo, também por uma tecnologia aditiva, mas desta vez baseada na resina, utilizando para isso o equipamento Ultra da Envisiontec, existente no CADEP. Como a resina adotada por essa tecnologia possui 85% das características do plástico de engenharia Acrilonitrila Butadieno Estireno - ABS, segundo o fabricante do equipamento, optou-se então por usar esse protótipo já como a própria prótese, em função de suas características, em especial a boa resistência mecânica.
Figura 13 – Segundo protótipo (final).
Foi aplicado um tratamento superficial na prótese para evitar modificações dimensionais devido à fotosensibilidade do material. Também foi aplicada pelos veterinários do Zoológico uma pintura, para parecer o mais próximo possível do bico real.
Figura 14 – Prótese pós aplicação do tratamento superficial e pintura. Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada. 2.10 Implante da prótese
Durante o processo de implante, a prótese teve que ser adaptada devido a problemas ocasionados por diferenças geométricas entre os moldes usados como referência para a elaboração do modelo CAD e a geometria real do bico.
Figura 15 – Tucano durante a implantação da nova prótese.
Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada.
Figura 16 – Prótese implantada.
Fonte: Elaborado pelos autores, com base na pesquisa realizada. 2.11 Resultados e discussão
A prótese desenvolvida apresentou as características físicas e estéticas necessárias a uma prótese dessa natureza. O seu peso (25g) e espessura (0,7 mm) eram equivalentes ao bico original.
Para permitir o ajuste da prótese na parte remanescente do bico, foi deixada uma parede de 3mm de espessura em sua extremidade anterior que se encaixa na parte remanescente do bico. Além disso, foi notável a compatibilidade geométrica entre a prótese e a parte inferior do bico já existente, que só foi possível graças aos ajustes dimensionais realizados após o primeiro protótipo.
Obviamente, ainda serão necessários novos testes e estudos em maior profundidade no tocante aos esforços estruturais atuando sobre a prótese, a fim de melhor avaliar, por exemplo, o comportamento do material utilizado, suas limitações e capacidades mecânicas, já que a pressão exercida pelo tucano em seu bico pode exigir um material, mecanicamente, ainda mais resistente.
3. CONCLUSÃO
A pesquisa evidencia a importância do uso de tecnologias de escaneamento 3D não só no ramo projetual e industrial, como também no desenvolvimento de próteses médicas e veterinárias, que podem contribuir, significativamente, não só para uma melhor adaptação de indivíduos em relação às suas limitações físicas, mas principalmente para um aumento na qualidade de vidas destes, em sociedade.
Mas do que isso, para o estudo de caso analisado neste trabalho, a implantação da prótese significa, para o tucano, uma minimização dos efeitos negativos (colaterais, psicológicos) oriundos do trauma causado pela perda de parte de seu bico.
A utilização do sistema de digitalização foi de extrema importância, pois somente com sua aplicação foi possível obter a geometria exata para a concepção da prótese. Além disso, a digitalização ótica tridimensional facilitou e agilizou todo o processo, pois uma vez obtida a geometria das peças, foram necessários apenas alguns ajustes para a concepção do primeiro protótipo.
REFERÊNCIAS
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