INFLUÊNCIA DO TIPO DE AGENTE INFILTRANTE NA RESISTÊNCIA MECÂNICA DE COMPONENTES DE GESSO PRODUZIDOS POR IMPRESSÃO TRIDIMENSIONAL 3DP PARA BIOMODELOS

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INFLUÊNCIA DO TIPO DE AGENTE INFILTRANTE NA

RESISTÊNCIA MECÂNICA DE COMPONENTES DE GESSO

PRODUZIDOS POR IMPRESSÃO TRIDIMENSIONAL 3DP PARA

BIOMODELOS

Silvia T. Mello1, Nicolas C. Sales 1, Ruis C. Tokimatsu 1

1_{Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira (SP), Brasil} silviateixmello@gmail.com

Resumo. A manufatura aditiva atua no setor biomédico, produzindo biomodelos, que auxiliam médicos e pacientes em diversas atividades inovadoras. Neste artigo, adotou-se a tecnologia de manufatura aditiva impressão tridimensional 3DP para estudar como diferentes agentes infiltrantes influenciam no acréscimo de densidade e resistência mecânica de amostras feitas de componentes de gesso e constituídas de corpos de prova cilíndricos e retangulares, que simulam biomodelos. Para isto, foram aplicados quatro tipos de adesivos à base de etilcianocrilato e um à base de epóxi nas amostras durante o pós-processamento, obtendo-se um melhor resultado para o adesivo de cianocrilato de baixíssima viscosidade, capaz de provocar maiores variações de densidade às amostras, além de ganhos de resistência de 908% para corpos de prova cilíndricos e 367% para corpos de prova retangulares.

Palavras-chave: 3DP, Biomodelos, Pós-processamento, Cianocrilato, Epóxi.

1. INTRODUÇÃO

A manufatura aditiva surgiu em meados dos anos 80, com o propósito inédito de desenvolver produtos industriais e de consumo, sendo capaz de reproduzir fisicamente um modelo virtual em vários tipos de materiais [9].

Existem diversas áreas de aplicação da manufatura aditiva, mas uma das mais inovadoras é área biomédica, capaz de gerar uma interface de áreas como computação, engenharia e medicina. O produto desta técnica é o biomodelo, isto é, um modelo físico que reproduz fielmente os órgãos da anatomia humana [4].

Os biomodelos são obtidos a partir de imagens de tomografia computadorizada e ressonância magnética [10], podendo ser utilizados com objetivos didáticos, no diagnóstico precoce de doenças e no tratamento de deformidades, facilitando também a comunicação entre profissional e paciente [5]. Outra vantagem é a simulação de cirurgias complicadas, onde o uso do biomodelo no planejamento tende a reduzir o tempo de todo o procedimento cirúrgico, bem como a diminuição no custo global de tratamento [6,7].

Dentre algumas tecnologias utilizadas para produzir biomodelos, destacamos a impressão tridimensional, ou 3DP, na qual as peças são produzidas por aposição de camadas de pó à base de gesso, unidos por um fluido aglutinante denominado binder, e tem como vantagens o custo mais baixo e um menor intervalo de tempo de confecção dos biomodelos, quando comparada a outras tecnologias da manufatura aditiva [1,8].

No entanto, as peças fabricadas precisam de um pós-processamento, para adquirirem um aspecto superficial satisfatório e um aumento de resistência [9]. Para garantir este pós-processamento, as fabricantes das impressoras normalmente recomendam aplicações superficiais de resinas diversas, capazes de infiltrarem nas peças, garantindo-lhes resistência.

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2. MATERIAIS E MÉTODOS

O propósito deste artigo foi de confeccionar diversas amostras através da tecnologia 3DP, para posteriormente serem tratadas com variações distintas de agentes infiltrantes, aplicados durante o pós-processamento, de modo a obter a melhor combinação para compor biomodelos.

Para isto, foram manufaturadas sessenta amostras pela impressora ProJet® 160 (Fig. 1), constituídas por material em pó à base de gesso Visijet® PXLTM CORE (Sulfato de Cálcio hemi-hidratado) e pelo binder VisiJet® PXLTM_{Clear, sendo todos os produtos citados} anteriormente da marca 3D SYSTEMS.

Figura 1 – Impressora 3DP ProJet® 160, 3D SYSTEMS (GC3M/DEM/FEIS/UNESP). Estas amostras constituem-se de trinta corpos de prova retangulares (6x4x40mm) e trinta corpos de prova cilíndricos (Ø7x14mm) (Fig. 2), utilizados para obter as resistências mecânicas médias dos corpos de prova antes (verdes) e depois do pós-processamento, através de ensaios de compressão [3] e flexão [2], respectivamente, realizados pelo equipamento universal de ensaios mecânicos 810 FlexTest, marca MTS (Fig. 3), para efeito comparativo do aumento das resistências.

Figura 2 – Modelos dos corpos de prova utilizados.

14° Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO 5ª Edição do Workshop de Biomateriais, Engenharia de Tecidos e Orgãos Artificiais - OBI

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Figura 3 - Equipamento universal 810 FlexTest, MTS (LEM/DEMM-FEM/UNICAMP): (a) Ensaio de compressão; (b) Ensaio de tração;

As amostras foram organizadas em seis condições, sendo uma condição com corpos de prova retangulares e cilíndricos verdes, isto é, sem pós-processamento, e as demais condições com corpos de prova retangulares e cilíndricos a serem cobertos superficialmente por agentes infiltrantes, sendo quatro tipos de adesivos de cianocrilato e um de epóxi. Os adesivos foram aplicados às amostras numa temperatura média de 25 ºC. Na tabela 1, encontram-se descritos todos os adesivos utilizados por condição, com suas respectivas especificações.

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Tabela 1 – Adesivos utilizados.

Condição Nome Comercial Base Viscosidade (cP) Marca V5 ADESIVO INSTANTÂNEO MULTIUSO 721 Etilcianocrilato 3 a 5 TEKBOND® V60 ADESIVO INSTANTÂNEO MULTIUSO 725 Etilcianocrilato 40 a 60 TEKBOND® V120 ADESIVO INSTANTÂNEO MULTIUSO 793 Etilcianocrilato 80 a 120 TEKBOND® V1800 ADESIVO INSTANTÂNEO MULTIUSO 200 Etilcianocrilato 1400 a 1800 TEKBOND® V25000 Super Epóxi ADESIVO LÍQUIDO Epóxi 18000 a 25000 TEKBOND®

Também foram obtidas as massas e as dimensões de todas os corpos de prova, com a balança eletrônica BD-650, marca INSTRUTHERM e com o paquímetro digital 100.170, marca DIGIMESS, respectivamente, antes e depois do pós-processamento, para comparação das variações de densidades.

A Figura 4 descreve o esquema de execução adotado para o pós-processamento das amostras.

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Figura 4 – Esquema da execução do pós-processamento dos corpos de prova.

Por último, foram feitas imagens por microscopia eletrônica de varredura (MEV), pelo microscópio EVO LS15, marca Zeiss (Fig. 5), para caracterização das amostras.

Figura 5 – Microscópio EVO LS15, Zeiss (DFQ/FEIS/UNESP).

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3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

CARACTERIZAÇÃO POR IMAGENS MEV

Na Figura 6, estão agrupadas imagens das superfícies dos corpos de prova retangulares, sendo Fig. 6a o corpo de prova verde, Fig. 6b condição V5, Fig. 6c condição V60, Fig. 6d condição V120, Fig. 6e condição V1800 e Fig. 6f condição V25000.

Todos os adesivos foram capazes de unir as partículas soltas na superfície dos corpos de prova, envolvendo-os totalmente numa espécie de película, conferindo-lhes um aspecto superficial satisfatório, evitando assim a alta desagregação de detritos, muito comum aos manufaturados por 3DP antes de receberem o pós-processamento.

Figura 6 – Vista da supefície dos corpos de prova no MEV, com aumento nominal de 40x: (a) Verde; (b) Condição V5; (c) Condição V60; (d) Condição V120; (e) Condição V1800;

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Já na Figura 7, constam imagens das laterais dos corpos de prova, organizadas na mesma ordem das imagens superficiais anteriores. Estas imagens revelaram as camadas justapostas, evidenciando o sentido de construção dos corpos de prova.

O corpo de prova verde realçou a irregularidade nas camadas, onde estas não coincidiram perfeitamente, mais uma particularidade da tecnologia 3DP.

Assim como nas superfícies dos corpos de prova, todos os adesivos foram capazes de envolver completamente as laterais do corpo de prova numa película, agregando-lhes uma textura microscopicamente mais estável.

Figura 7 – Vista lateral dos corpos de prova no MEV, com aumento nominal de 40x: (a) Verde; (b) Condição V5; (c) Condição V60; (d) Condição V120; (e) Condição V1800;

(f) Condição V25000;

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Na Figura 8, estão agrupadas imagens das fraturas dos corpos de prova. A cor clara representa o alcance de penetração dos adesivos em direção ao centro do corpo de prova. Esta penetração se deu por meio do preenchimento de vazios, evidentes no corpo de prova verde.

Observou-se ainda que, à medida que a viscosidade aumenta, a penetração diminui. Porém, não houve penetração para a condição V25000, devido a altíssima viscosidade do adesivo de epóxi, o que o impossibilitou de penetrar nos poros das superfícies, laterais e vazios ao longo do centro do corpo de prova. Esta ocorrência conferiu uma espécie de envoltória espessa ao corpo de prova.

As médias das penetrações e da envoltória dos adesivos nos corpos de prova podem ser vistas na tabela 2.

Figura 8 – Vista das fraturas dos corpos de prova no MEV, com aumento nominal de 40x: (a) Verde; (b) Condição V5; (c) Condição V60; (d) Condição V120; (e) Condição V1800;

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Tabela 2 – Média das penetrações e da envoltória dos adesivos nos corpos de prova.

Condição Penetração (mm) Envoltória (mm)

V5

1,5 ± 0,08

-V60

0,9 ± 0,05

-V120

0,5 ± 0,09

-V1800

0,3 ± 0,05

-V25000

-

0,3 ± 0,08

DENSIDADES E RESISTÊNCIAS MECÂNICAS

Os dados médios obtidos para as amostras pertencentes a cada condição podem ser vistos na tabela 3.

Esta tabela indica variações significativas de densidades para todos as condições. Contudo, atribui-se as maiores variações aos adesivos de viscosidades mais baixas.

Em termos de variação dimensional das amostras, observou-se que as condições com viscosidades elevadas tendem a ganhar volume tanto quanto as condições de viscosidades mais baixas, devido à baixa penetração e consequente concentração dos adesivos na superfície.

Quanto às resistências médias à compressão e à flexão das amostras, notou-se um acréscimo de grande proporção de resistência conforme a viscosidade dos adesivos aplicados diminui.

As figuras 9 e 10 proporcionam uma leitura mais compreensiva das variações de densidades médias e dos ganhos de resistências médias das amostras por condição.

Tabela 3 – Variações das densidades e resistências mecânicas médias para os dois tipos de amostras.

COMPR. MÁXIMA

Antes Depois Antes Depois Antes Depois (MPa)

VERDE 0,7 ± 0,0 - 0,52 ± 0,01 - 1,30 ± 0,07 - 2,78 ± 0,85 V5 0,7 ± 0,0 0,8 ± 0,0 0,51 ± 0,01 0,55 ± 0,01 1,32 ± 0,09 1,53 ± 0,09 28,01 ± 1,25 V60 0,7 ± 0,0 0,8 ± 0,0 0,52 ± 0,00 0,54 ± 0,01 1,35 ± 0,01 1,48 ± 0,03 19,91 ± 0,86 V120 0,7 ± 0,0 0,8 ± 0,0 0,52 ± 0,01 0,53 ± 0,01 1,34 ± 0,03 1,51 ± 0,04 16,09 ± 1,21 V1800 0,7 ± 0,0 0,8 ± 0,0 0,51 ± 0,02 0,56 ± 0,01 1,33 ± 0,03 1,44 ± 0,03 9,92 ± 1,44 V25000 0,7 ± 0,0 0,8 ± 0,0 0,52 ± 0,01 0,56 ± 0,02 1,36 ± 0,02 1,43 ± 0,05 4,57 ± 0,61 DENSIDADE (g/cm³) VOLUME (cm³) MASSA (g) AMOSTRAS CILÍNDRICAS Con dição FLEXÃO MÁXIMA

Antes Depois Antes Depois Antes Depois (MPa)

VERDE 1,2 ± 0,0 - 0,96 ± 0,02 - 1,29 ± 0,03 - 0,36 ± 0,05 V5 1,2 ± 0,0 1,5 ± 0,0 0,97 ± 0,01 1,00 ± 0,02 1,28 ± 0,06 1,54 ± 0,07 1,68 ± 0,23 V60 1,3 ± 0,0 1,5 ± 0,0 0,96 ± 0,01 0,99 ± 0,02 1,32 ± 0,05 1,51 ± 0,02 1,35 ± 0,12 V120 1,3 ± 0,0 1,5 ± 0,0 0,97 ± 0,01 1,03 ± 0,02 1,30 ± 0,05 1,42 ± 0,05 1,15 ± 0,09 V1800 1,2 ± 0,0 1,4 ± 0,1 0,96 ± 0,02 1,01 ± 0,03 1,29 ± 0,03 1,41 ± 0,05 0,96 ± 0,10 AMOSTRAS RETANGULARES

MASSA (g) VOLUME (cm³) DENSIDADE (g/cm³)

Con dição

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Figura 9 – Médias das variações de densidades das amostras por condição.

Figura 10 – Ganhos de resistências médias das amostras por condição

4. CONCLUSÕES

Através da análise minuciosa de imagens, observou-se que todos os adesivos conferem um acabamento razoável às amostras, melhorando a textura dos corpos de prova, possibilitando então uma manipulação sem o desprendimento de resíduos. Além disso, as imagens das fraturas na Fig. 8 e a tabela 2 confirmaram a capacidade de penetração e preenchimento de vazios para cada condição, onde a condição V6 leva maior vantagem.

Quanto às variações de densidades, constatou-se que o adesivo da condição V6 tornou as amostras mais densas, com um acréscimo de densidade de 16% para as amostras cilíndricas e 20% para as retangulares. Entretanto, a variação dimensional é muito semelhante entre as condições, pois os adesivos de baixa viscosidade adquirem um volume interno, ao passo que os adesivos de alta viscosidade se agregam ao redor de todo o corpo de prova.

Em termos de resistência mecânica à compressão e a flexão, mais uma vez, a condição V6 se destacou, garantindo aumentos de 908% de resistência às amostras cilíndricas e 367% às amostras retangulares.

Portanto, conclui-se que o adesivo de cianocrilato pertencente a condição V6, de baixíssima viscosidade, confere maior resistência e aumento de densidade às amostras, com uma variação interna de volume, o que torna o produto final bem mais próximo de suas dimensões pré-determinadas, diferentemente dos adesivos de viscosidade elevada, e, por estes

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motivos, torna-se o agente infiltrante ideal para conceber o pós-processamento de um biomodelo feito à base gesso pela tecnologia 3DP.

AGRADECIMENTOS

REFERÊNCIAS

[1] Ashley, S. (1991), “Rapid prototyping systems. Mech Eng, vol 113, n.4, p. 34-43.

[2] ASTM C1161-13 (2013), “Standard Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature”, ASTM International, West Conshohocken, PA.

[3] ASTM C1424-10 (2010), “Standard Test Method for Monotonic Compressive Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature”, ASTM International, West Conshohocken, PA.

[4] Breitling, R. et al. (2010), “Biomodel Engineering – from Structure to Behavior”. Transactions on Computational Systems Biology XII. vol 5945.

[5] James, W. J. et al. (1998), “Correction of congenital malar hypoplasia using stereolithography for presurgical planning”. J. oral & Maxillof. Surg., Philadelphia, PA., vol 56, n. 4, p. 512-7.

[6] Peckitt, N. S. (1999), “Stereoscopic lithography: customized titanium implants in orofacial reconstruction”. Brit. J. oral Maxillof. Surg., Edinburgh, v. 37, n. 5, p. 353-69.

[7] Sailer, H. F. et al. (1998), “The value of stereolithographic models for preoperative diagnosis of craniofacial deformities and planning of surgical corrections”. Int. J. oral Maxillof. Surg., Copenhagen, v. 27, n. 5, p. 327-33.

[8] Silva, D. et al. (2008), “Dimensional error in selective laser sintering and 3D-printing of models for craniomaxillary anatomy reconstruction”. Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery, vol 36, n.8, 443-449. [9] Volpato, N. et al. (2007), “Prototipagem Rápida: Tecnologias e aplicações”. São Paulo: Edgard Blücher, 244

p.

[10] Utiyama, B. et al. (2014), Construção de biomodelos por impressão 3D para uso na prática clínica: Experiência do Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia”, XXIV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, Uberlândia, 316-319

INFLUENCE OF THE TYPE OF INFILTRANT AGENT IN THE

MECHANICAL RESISTANCE OF THREE-DIMENSIONAL PRINTED

GYPSUM COMPONENTS FOR BIOMODELS

Silvia T. Mello1, Nicolas C. Sales 1, Ruis C. Tokimatsu 1

1_{Departament of Mechanical Engineering, São Paulo State University, Ilha Solteira (SP), Brazil,} silviateixmello@gmail.com

Abstract. The additive manufacturing operates in the biomedical sector, producing biomodels, which assist physicians and patients in various innovative activities. In this article, 3DP three-dimensional printing additive technology was adopted to study how different infiltrating agents influence the increase in density and mechanical strength of samples composed of gypsum-like and made up of cylindrical and rectangular specimens that simulate biomodels. For this, four types of ethylcyanoacrylate and one epoxy-based adhesives were applied to the samples during the post-processing, obtaining a better result for the cyanoacrylate adhesive of very low viscosity, capable of causing greater density variations in the samples, besides the resistance gains of 908% for cylindrical specimens and 367% for rectangular specimens.

Palavras-chave: 3DP, Biomodels, Post-processing, Cyanoacrylate, Epoxy.

Ao CNPq; Ao DEM e DFQ/FEIS/UNESP; Ao DEMM/UNICAMP;

À FAPESP; Ao INCT – biofabris; À TEKBOND;