Processos de Fabricação de Peças de Alta Complexidade de Forma: da Obtenção de Implantes à Concepção de Canecas Inspiradas em Salvador Dali.

Texto

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TÍTULO

Processos de Fabricação de Peças de Alta Complexidade de Forma: da

Obtenção de Implantes à Concepção de Canecas Inspiradas em Salvador Dali.

TITLE

Production Processes of High Complexity Parts: From the Obtainment of

Implantations to the Conception of Mugs Inspired in Salvador Dali.

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TITLE

Production Processes of High Form Complexity Parts: From the Obtainment of Implantations to the Conception of Mugs Inspired in Salvador Dali.

TÍTULO

Processos de Fabricação de Peças de Alta Complexidade de Forma: da

Obtenção de Implantes à Concepção de Canecas Inspiradas em Salvador Dali.

AUTORES

Liciane Sabadin Bertol

Afiliação: UFRGS - Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Escola de Engenharia

Titulação: Engenheira de Materiais Andréa Seadi Guanabara

Afiliação: UFRGS - Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Escola de Engenharia

Titulação: Designer de Produto Wilson Kindlein Júnior

Afiliação: UFRGS - Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Escola de Engenharia

Titulação: Doutor

ENDEREÇO

Av. Osvaldo Aranha, 99/604 - Centro CEP 90035-190

Porto Alegre/RS ndsm@ufrgs.br

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Resumo

Este trabalho tem por objetivo mostrar a metodologia de obtenção de peças de geometria complexa, desde implantes de Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular para próteses de mandíbula até canecas cerâmicas estilizadas inspiradas em Salvador Dali. Para isso, utiliza-se ferramentas como um scanner tridimensional a laser e usinagem CNC. O domínio destas técnicas permite que sejam feitas peças de diferentes materiais e em diferentes formas, independente da área de aplicação.

Essas técnicas oferecem ao projetista a possibilidade de inovação e liberdade para o desenvolvimento de produtos.

Palavras-chave

Usinagem CNC; complexidade formal; design; inovação; processo de fabricação.

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Abstract

The aim of this study is to show a methodology to obtain parts of complex geometry, since implantations in Ultra High Molecular Weight Polyethylene to jaw prosthesis until styling ceramic mugs inspired in Salvador Dali using tools like a 3D Laser Scanner and CNC Milling. The mastering of these techniques allows the production of parts in different materials and different forms, independent of the application area.

These techniques offer to the designer the possibility of innovation and freedom to the development of products.

Key Words

CNC Milling; geometric complexity; design; innovation; production process.

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INTRODUÇÃO

Há um grande interesse, em diversos ramos da ciência aplicada (como na Engenharia e no Design de Produto), em se produzir peças de geometria complexa nos mais diversos materiais, utilizando ferramentas como um scanner tridimensional a laser e usinagem CNC. Esta complexidade abrange várias áreas. A seleção de um material não pode ser feita independentemente da seleção do processo de fabricação, formato da peça e custo agregado. Para isso, é imprescindível a ação coordenada e multidisciplinar entre diversas áreas do conhecimento, como Medicina, Biologia, Engenharia, Ciência dos Materiais, Design, Computação Gráfica, etc.

A prática desta sinergia se constituí em um elemento fundamental no desenvolvimento da inovação, onde os produtos dependem da materialização do objeto (3D) que, por sua vez, tem sua diferenciação nos materiais e processos de fabricação.

Os objetivos deste trabalho compreendem o estudo da possibilidade de utilizar uma fresadora CNC acoplada a um scanner tridimensional a laser para a obtenção de peças com geometria complexa. A usinagem utilizando fresadora CNC será investigada como uma alternativa às técnicas convencionais, uma vez que se pode chegar ao formato desejado diretamente a partir de um bloco do material, utilizando um modelo que pode ser digitalizado e convertido em um arquivo em formato stl. Os casos sob investigação compreendem a fabricação da cavidade articular de uma prótese de mandíbula e canecas com design inovador.

1. MATERIAIS E MÉTODOS

Caso 1. Fabricação da cavidade articular de uma prótese de mandíbula.

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1.1 Implante de UHMWPE

O Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMWPE) vem sendo utilizado largamente como biomaterial, devido à suas propriedades de inerticidade, alta rigidez, boa resistência mecânica, boa resistência à abrasão, alta dureza e baixo coeficiente de atrito. Como material ortopédico, vem sendo utilizado desde 1968.

O UHMWPE não é processável por métodos convencionais, e muito esforço tem sido direcionado no sentido de encontrar técnicas de processamento apropriadas. Praticamente infusível, e com alta viscosidade do fundido, exige métodos alternativos de processamento, como a usinagem.

Este caso estudado compreende a reconstrução da mandíbula de uma paciente, vítima de complicações provocadas por trauma no período pos operatório de uma cirurgia ortognática. A reconstrução de uma porção da mandíbula se fez necessária, para proporcionar a reabilitação funcional e estética para a paciente, juntamente com uma prótese para proteger a cavidade articular contra o atrito com côndilo artificial.

Baseando-se em dados adquiridos por tomografia computadorizada e um adequado sistema CAD CAM, foi construído, pelo processo de sinterização seletiva a laser, um biomodelo do crânio da paciente. Este, que representa uma réplica exata do crânio, permite que seja feito o planejamento da cirurgia e, por ser um modelo físico real, permite que as peças a serem implantadas sejam modeladas de acordo com as necessidades individuais de cada caso. Deve-se integrar aspectos funcionais (proteção, ajuste, forma, resistência mecânica) no design da peça anatômica a ser implantada.

1.1.1 Criação do Modelo a Ser Usinado

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Tendo em mãos o biomodelo do paciente, as partes a ser reconstruídas começaram a ser moldadas. Um modelo da cavidade articular foi produzido, manualmente, em resina epóxi (figura 1). O modelo foi utilizado como referência para a geração do arquivo em 3D, definindo o formato desejado para a cavidade articular.

Figura 1: Modelo da cavidade articular do paciente, modelada manualmente em resina epóxi, com o auxílio de um biomodelo produzido por estereolitografia.

1.1.2 Digitalização do Modelo

O passo seguinte foi a realização da digitalização do modelo confeccionado em resina epóxi, gerando um arquivo digital com as formas da peça. O Scanner 3D utilizado no Laboratório de Design e Seleção de Materiais (figura 2) trabalha movimentando-se no plano dos eixos X e Y, através de controle por comando numérico (CNC). Após ser finalizada a varredura da área superficial de interesse, obtém-se o mapeamento ponto a ponto da superfície do objeto.

Figura 2: Scanner tridimensional a laser utilizado para a digitalização do objeto.

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As informações geradas pelo scanner tridimensional vêm em forma de nuvens de pontos, representando a forma do objeto nas direções x, y e z. Através do arquivo digital pôde-se gerar um arquivo em formato stl, adequado para operações de usinagem. Na figura 3 é mostrada a imagem em formato digital gerada pelo scanner.

Figura 3: Modelo digital obtido através da varredura da peça em resina epóxi pelo scanner tridimensional a laser.

1.1.3 Usinagem da Peça Final

Tendo em mãos um arquivo em formato stl, pode-se realizar a usinagem (figura 4). O procedimento para tal operação foi criado utilizando o software EdgeCam, e o a usinagem foi realizada em duas etapas: desbaste e acabamento. A ferramenta utilizada para o desbaste foi uma fresa de topo de diâmetro 6mm, e para o acabamento uma ferramenta esférica, de diâmetro 2mm. Um objeto sólido 3D foi, então, obtido em UHMWPE. Apoios cilíndricos foram intencionalmente inseridos no programa de usinagem para auxiliar a fixação da peça.

Figura 4: Usinagem da peça final em UHMWPE

Após adequada esterilização com oxietileno, a peça está apta a ser

implantada.

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Caso 2. Canecas com design inovador 2. Caneca Cerâmica

O outro caso que foi abordado para compor este estudo, que trata da obtenção de peças com formas complexas, compreendeu o desenvolvimento de uma caneca com design inovador. No desenvolvimento desta caneca, foi utilizada argila indicada para cerâmica branca para ser empregada com a técnica de suspensão, também chamada barbotina, para obtenção de peças em moldes de gesso ou poliméricos.

Esta caneca em cerâmica foi criada a partir de um estudo formal das obras do pintor Surrealista Salvador Dali, em especifico da obra The Persistence of Memory (1931), ilustrado na Figura 5.

Figura 5 - The Persistence of Memory, 1931 – Salvador

O estilo surrealista de Dali foi escolhido devido à complexidade formal e lúdica de representar os objetos, transformando o cotidiano em algo diferenciado e livre.

Esta peça incorpora em seu design algumas tendências de vida deste século, como a reestruturação de identidade, onde a natureza crescentemente complexa e fragmentada da vida moderna leva a um novo tipo de adaptação externamente dirigida.

Utilizando ainda o estilo Surrealista foi aplicada, através do software ArtCam,

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(a) (b)

Figura 6: Aplicação d

e textura na caneca. a) Visualização no Software ArtCam. b) Textura utilizada, diponível no Banco de Texturas LdSM/UFRGS.

1.2.1 Produção da Matriz

A matriz da peça foi adquirida a partir de um bloco de poliuretano usinado na Fresadora CNC 4 eixos Digimill 3D (figura 7).

F

igura 7: Processo de usinagem da matriz em poliuretano.

1.2.2 Produção dos Moldes em Gesso

Cada molde (figura 8) foi produzido com gesso Beta, nas quantidades de 1kg

para cada forma, diluído em 750 ml de água e vertido em uma caixa de madeira com

a matriz no seu interior. Após a secagem o molde é extraído e recebe acabamento

superficial.

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Figura 8: Molde em gesso, obtido a partir da matriz de poliuretano.

1.2.3 Preparação da Massa

Inicialmente foi realizada a limpeza da argila, retirando sujidades que prejudicariam a qualidade do produto. 500g de argila e 340ml de água foram colocados dentro de um moinho de bolas por centrifuga, juntamente com a metade de seu volume de bolas de alumina. Após uma moagem de 10 minutos, o material foi retirado e peneirado em uma peneira de malha 80 mesh.

Após a limpeza da argila, o material foi levado para a estufa durante 12hs.

Depois da secagem foi preparada a massa cerâmica, onde foi usada a seguinte proporção: 50% de argila, 20% de quartzo, 20% de feldspato e 10% de água.

A argila dá maior plasticidade à massa formada após o processo de colagem. A

presença do quartzo fornece maior resistência mecânica e possibilitam a formação

de uma camada mais espessa na colagem. O pedrisco, constituído principalmente

de feldspato, possui menor ponto de fundição médio e assume o papel de fundente

no processo de sinterização das peças produzidas, unindo as partículas não

fundentes. Todos estes materiais foram colocados juntos no moinho por 40 minutos

para boa homogeneização e moagem. São produtos cerâmicos obtidos através de

argilas quase isentas de óxido de ferro, apresentando cor branca, rósea ou creme

claro quando queimadas a temperaturas usuais de 950 ou 1250°C.

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Consiste em verter uma suspensão (barbotina) num molde de gesso (figura 9), onde permanece até que a água contida na suspensão seja absorvida pelo gesso. Enquanto isso, as partículas sólidas vão se acomodando na superfície do molde, formando a parede da peça. O produto assim formado apresenta uma configuração externa que reproduz a forma interna do molde de gesso.

(a) (b)

Figura 9: Etapas finais do processo: colagem de barbotina e desmoldagem. a) Barbotina sendo vazada no molde de gesso. b) Peça desmoldada.

2. RESULTADOS

2.1 Implante em UHMWPE

Após os processos de moldagem manual em resina epóxi, digitalização 3D a laser e usinagem CNC, chegou-se ao produto final. A peça obtida (figura 10) representa uma cópia fiel do modelo inicial, com a complexidade formal desejada.

Tal complexidade foi fundamental para que a peça estivesse adequada para

implante, encaixasse perfeitamente e tivesse as dimensões exatas da estrutura do

paciente.

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2.2 Caneca cerâmica

Um protótipo da caneca em cerâmica (figura 11) foi produzido pelo processo por colagem de barbotina utilizando a usinagem com fresadora CNC como uma alternativa às técnicas convencionais. Assim, pode-se chegar ao formato desejado diretamente a partir de um bloco do material, utilizando um modelo que pode ser digitalizado e convertido em um arquivo adequado para a prototipagem.

Figura 11: Peça com geometria complexa feita em material cerâmico.

3. CONCLUSÃO

Este trabalho mostra que uma vez dominada a técnica de fabricação de pecas complexas este conhecimento pode ser direcionado para várias aplicações e áreas, introduzindo uma variável inovadora através da complexidade da forma. Nota-se que o domínio do conhecimento da fabricação de peças em formas complexas não inviabiliza a fabricação de partes com formas simplificadas; pelo contrário, uma vez dominada a metodologia para a fabricação com várias reentrâncias e saliências (forma complexa e imbricada) é fácil entender que a fabricação de peças com formas simples passa a ser trivial para quem domina a técnica mais complexa.

Uma vez vencida a barreira da exeqüibilidade destas formas complexas,

torna-se mais fácil o processo de criação. Isso forma um ciclo virtuoso: sabendo-se

como executar peças em forma complexa, dá-se ao projetista uma grande liberdade

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de criação, e tendo-se maior liberdade de criação, desenvolve-se peças com formas mais complexas, colaborando para a inovação.

Portanto, o uso de formas complexas e inovadoras é uma maneira de reforçar uma identidade criativa e uma conseqüente diferenciação do eu num mundo globalizado no caso das canecas inspiradas em Salvador Dali, bem como permite a individualização do produto no caso da produção de uma prótese, com características ergonômicas e dimensões exatas do individuo.

4. REFERÊNCIAS

BUFORD, A. Review of wear mechanisms in hip implants: Paper I – General.

Materials and Design, 2004.

WHITEHOUSE, C. Cold Extrusion and in situ formation of self-blends of UHMWPE Part 1 - Processability and thermal characterization. Polymer, 1999.

SANTOS, P.S. Ciência e Tecnologia de Argilas. Edgard Blücher, 1992.

LI, S. Ultra high molecular weight polyethylene: form Charnley to cross-linked.

Operative Techniques in Orthopaedics, 2001.

KURTZ, M.S. Advances in the processing, sterilization, and crosslinking of ultra-high molecular weight polyethylene for total joint arthroplasty. Biomaterials, 1999.

SOKOVIC, M. RE (reverse engineering) as necessary phase by rapid product development. Journal of Materials Processing Technology, 2005.

FERREIRA J. Integration of reverse engineering and rapid tooling in foundry technology. Journal of Materials Processing Technology, 2003.

CALLISTER, W. Ciência de Engenharia de Materiais: uma Introdução. LTC, 2002.

NORTON, F.H..Introdução à Tecnologia Cerâmica. Edgard Blücher, 1973.

Associação Brasileira de Cerâmica. Disponível em <http:// www.abceram.org.br>

acessado em junho de 2006.

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Referências

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