Implantes Osseos TPMS: Introducao as Superficies Minimas Triplamente Periodicas e Aplicacoes

1 Introdução 11 Definição de TPMS Na geometria estruturas mínimas são definidas como superfícies média zero uma superfície que minimiza localmente sua área ou seja a soma das curvas em cada ponto é nula Elas são igualmente convexas e côncavas em todos os pontos e são assim chamadas porque dada uma curva de limite fixa a área de uma superfície mínima é extrema em relação a outras superfícies com o mesmo limite 1 As estruturas mínimas triplamente periódicas TPMSs são superfícies mínimas que se repetem em três dimensões Elas foram descobertas por Schwarz em 1865 e seus estudos foram continuados pelo aluno Neovius em 1883 As quatro primeiras estruturas foram denominadas Schwarz primitiva P Schwarz diamante D e Neovius N A superfície giroide G foi descrita por Schoen em 1970 23 A ocorrência de geometrias de superfície mínimas em tecidos biológicos in vivo como em conchas de besouros gorgulhos escamas de asas de borboletas e esqueletos de crustáceos sugere ainda mais sua utilidade no design de scaffolds biocompatíveis 1 Figura 1 Superfícies mínimas triplamente periódicas 12 Aplicações Um implante ósseo é um dos dispositivos médicos mais usados no setor de saúde A engenharia de tecido usa biotecnologia e biomateriais para reparo ou substituição de tecido humano danificado Cirurgias de revisão são muito comuns para reparo de implantes soltos a razão mais comum para o afrouxamento do implante é a reabsorção óssea devido à blindagem de tensão 4 O implante ósseo divide a capacidade de carga com o osso após ser implantado no corpo e a estrutura porosa ajuda a reduzir a rigidez dos implantes e fornece um espaço mais aberto para o crescimento ósseo auxiliando na cicatrização óssea e alta osseointegração A fabricação de alta precisão de scaffolds com base na principal vantagem de scaffolds de superfície mínima é a estrutura de célula aberta considerada para facilitar a migração e vitalização celular mantendo um alto grau de rigidez estrutural O uso de TPMS em designs de implantes ósseos pode mitigar os efeitos de blindagem de estresse causados pelos implantes convencionais 56 Nesse projeto testamos diferentes parâmetros de impressão da TPMS a fim de produzir uma prótese de quadril região do trocânter no fêmur com o menor uso de material e menor tempo possível visando diminuir custos de produção e possibilitar que o material seja usado em laboratórios de pesquisa da universidade em projetos de iniciação científica com menor orçamento acelerando assim os estudos sobre o uso da estrutura em implantes ósseos 13 Escolha de material Em seu estudo Vijayavenkataraman utiliza Alumina Al2O3 como material na impressora Lithoz CeraFab 8500 uma impressora cerâmica que usa tecnologia de fabricação de cerâmica baseada em litografia LCM para imprimir estruturas SchwarzP as mais adequadas para esse estudo 9 Visando possibilitar que pesquisas sejam realizadas em projetos de iniciação científica foi identificado o material biocompatível FibreTuff que pode ser usado em impressoras 3d convencionais como as encontradas em laboratórios na UFABC A impressão 3D do FibreTuff pode produzir uma construção celular com porosidade FibreTuff é biocompatível não reabsorvível no corpo ao contrário do PLA de ácido polilático bioreabsorvível O material FibreTuff é adequado para uso na investigação mecânica de estruturas ósseas porosas 7 14 Papéis e responsabilidades do estudo 141 Akiko Moura Hanashiro escolha e definição da estrutura escolhida introdução e determinação dos parâmetros ótimos 142 Nicole Souza de Lemos planejamento do processo e planejamento experimental determinação de custos diretos e indiretos 143 Eliane Nakanishi programação e setup da máquina para impressão de modelo de exemplo apresentado em sala de aula criação do vídeo reels e conclusão 2 Planejamento do processo e planejamento experimental 21 Planejamento do processo A crescente complexidade dos produtos têm exigido das empresas alterações no processo de desenvolvimento principalmente visando reduzir o tempo dos processos e aumentar a qualidade e a competitividade dos produtos Estas alterações envolvem aspectos de gestão do processo mas também o emprego de novas técnicas e ferramentas de análise simulação e otimização de componentes e sistemas de produto VOLPATO 2017 Neste sentido a manufatura aditiva additive manufacturing AM ou apenas impressão 3D tridimensional apresentase como processo de fabricação vantajoso para as empresas que buscam alcançar a concorrência A manufatura aditiva é um processo de fabricação por meio da adição sucessiva de material na forma de camadas derivada de informações fornecidas diretamente de uma representação geométrica computacional 3D originado de um sistema CAD computeraided design da peça A peça escolhida deste estudo está representada na Figura X com apoio do software Auto Fusion 360 8 Desenho da peça no Fusion360 Download do arquivo em STL Importação do arquivo STL no software Cura No Cura definir espessura das camadas e densidade da peça Fatiar a peça e salvar o arquivo Gcode Importar arquivo Gcode na impressora Figura 3 Peça escolhida no arquivo STL schwarzpblock60stl Formato de Arquivo de Geometria de Mosaico Padrão 53 MB A seguir temos o roteiro com as etapas que devem ser seguidas para a preparação da manufatura da peça Tabela 1 Roteiro do Processo Peça número 1 Material Fibretuff N Operação 1 Alterar arquivo para STL 2 Determinar o número de malhas da peça 3 Realizar o planejamento de processo 4 Realizar o planejamento experimental 5 Realizar as simulações no software CURA 6 Consultar referências 7 Determinar parâmetros otimizados 8 Custo de fabricação De forma simplificada o fluxograma abaixo define as etapas do ciclo de manufatura aditiva antes do processamento da peça Figura 4 Fluxograma do ciclo de manufatura antes da impressão Fonte Autores 22 Planejamento Experimental Para o Design de Experimentos Design of Experiments DoE selecionamos um modelo experimental isto é o método que será estudado e aplicado na fabricação Utilizase o modelo fatorial completo apresentado durante as aulas da disciplina de Sistemas CAM No método são definidos fatores ou seja variáveis que serão estudadas o fator de resposta variável que é influenciada por eles e os níveis ou seja a quantidade de diferentes valores atribuídos aos fatores Para descobrir quantos experimentos serão necessários aplicase a fórmula do método Quantidade de experimentos NF R Sendo N expressa pela quantidade de níveis definidos para um fator F a quantidade de fatores e R as réplicas desejadas para cada combinação Para a execução dos testes analisouse dois fatores mais comuns do processo a espessura da camada em milímetros e a densidade da peça em porcentagem A espessura é um parâmetro importante uma vez que seu valor pode influenciar na qualidade da peça por exemplo pode interferir na precisão da forma e curvas dependendo da geometria desejada e consequentemente gera Figura 2 Peça escolhida no software Auto Fusion 360 Fonte Auto Fusion 360 Seguindo as etapas do ciclo de manufatura aditiva o processo seguinte é a obtenção do modelo geométrico 3D num formato específico que seja compatível com os softwares e máquinas de AM ou seja é necessário gerar um arquivo detentor da malha de triângulos associada à geometria da peça em um padrão adequado para este estudo o escolhido foi o STL STereoLithography Dessa forma o modelo STL é inserido no software CURA para o processo de fatiamento eletrônico o efeito escada em superfícies que se esperam curvas mais sutis A densidade ou Infil é a definição do preenchimento da peça ela pode interferir nas propriedades mecânicas da peça no peso tempo e custo do processo Na sequência a tabela 2 explica os fatores e níveis utilizados inicialmente e depois a tabela com as combinações aleatorizadas considerando 3 repetições totalizando 12 experimentos Tabela 2 Fatores e Níveis Iniciais do Experimento Espessura camada mm Densidade 0025 60 0075 90 Tabela 3 Experimentos ordenados aleatoriamente Ordem Espessura camada mm Densidade 1 0075 60 2 0025 90 3 0025 90 4 0025 90 5 0075 90 6 0025 90 7 0075 60 8 0075 60 9 0025 60 10 0025 90 11 0075 60 12 0075 60 23 Determinação dos parâmetros ótimos do processo via simulação no sistema CAM Foram realizadas quatro simulações no software fatiador Cura a fim de medir a quantidade de material e tempo de impressão ao variar a espessura das camadas 0025mm e 0075mm e também o preenchimento 60 e 90 como indicado na figura 5 Os valores de massa e tempo foram registrados na tabela 4 Tabela 4 Volume de material e tempo de impressão para cada simulação Espessura camada mm Densidade Material g Tempo de impressão min 0025 60 1 76 0075 90 1 39 0025 90 1 76 0075 60 1 39 Tabela 5 Relação entre fatores Dbaixa Dalta Espbaixa 76 76 Espalta 39 39 Tabela 6 Interação e efeito entre fatores Efeito espessura 0 Efeito densidade 37 Interação EspDen 0 Após cálculo da interação pelo método fatorial completo concluise que os parâmetros otimizados para o plano experimental proposto é seguir com a maior espessura 0075 mm e menor densidade 60 O fator densidade indicador da variável resposta nos aponta para uma interação com a densidade ou seja é mais viável para o estudo realizar a produção com a menor quantidade de material menos denso em cada camada e em menor tempo Figura 7 Simulação de fatiamento no Cura imagem 1 com 0025mm e 60 imagem 2 com 0075mm e 60 imagem 3 com 0025mm e 90 e imagem 4 com 0075mm e 90 24 Programação e setup da máquina para impressão de modelo de exemplo apresentado em sala de aula 241 Programação A programação envolve a utilização de uma impressora 3D a mais comum é do tipo FDM que é Fusion Deposition Modeling e em algumas delas já é possível observar um parâmetro que interfere na superfície do produto Existem impressoras 3D FDM com resoluções diferentes onde o diâmetro do bico injetor varia e muitas vezes não atinge um diâmetro fino o suficiente para um acabamento específico o que impede de realizar algumas impressões com detalhes de traços mais finos Porém há outro tipo de impressão 3D que é por SLA chamado estereolitografia que possui uma resina líquida em que ela emite luz na resina em um ponto específico que vai endurecer A vantagem desse tipo de impressão em relação a FDM é possuir uma resolução muito maior entretanto é mais caro Quanto a influência na superfície do produto temos a velocidade de impressão quanto menor melhor a qualidade Além do mais existe a espessura das camadas que é utilizado na impressão FDM reduzindo a espessura da camada se obtém um visual mais liso uma qualidade da superfície melhor Em contrapartida o tempo da impressão aumenta Há também outros parâmetros como a grossura da parede que pode evitar a influência visual do infill nas paredes do objeto Além da temperatura de cada material a qualidade do filamento evitando umidade e procurando uma boa estabilidade dimensional Além de parâmetros físicos da máquina como manutenção desgaste e etc Se faz necessário um arquivo em STL arquivo que define a malha associada à geometria da peça e deve ser compatível com as máquinas de manufatura aditiva Depois é preciso ter o setup da máquina o envio do arquivo com o modelo tridimensional para a máquina e a execução do processo de fabricação em camadas Para finalizar requer o acabamento da peça Envolve a remoção do material de suporte a remoção de filamentos extras tratamentos térmicos e talvez outros processos e acabamentos estéticos como pintura ao fim do processamento da peça O arquivo foi obtido em STL de um repositório aberto após isso ocorreu a preparação para a mesa de impressão na qual configuramos adequadamente Figura 8 Print da peça contendo material de suporte com configuração de rotação e tamanho antes de ser enviada para a impressão Fonte Imagem enviado pelo técnico do laboratório Figura 9 Print da peça com configuração de rotação e tamanho antes de ser enviada para a impressão Relatório da impressora ABSplusTM P430 contendo as propriedades mecânicas térmicas e elétricas Print do relatório da impressora 3D utilizada ABSplus P430 Print do relatório da impressora 3D utilizada ABSplus P430 ELECTRICAL PROPERTIES4 TEST METHOD VALUE RANGE Volume Resistivity ASTM D257 26x1015 50x1016 ohmcm Dielectric Constant ASTM D15098 23 285 Dissipation Factor ASTM D15098 00046 00053 Dielectric Strength ASTM D14909 Method A XZ Orientation 130 Vmil Dielectric Strength ASTM D14909 Method A ZX Orientation 290 Vmil Print do relatório da impressora 3D utilizada ABSplus P430 242 Setup da máquina O setup da máquina inclui Abastecimento de material na Impressora 3D 4 min Conexão da Impressora com o Software Impressora 3D 1 min Limpeza da Mesa Impressora 3D 1 min Calibração automática da mesa e cabeçote Impressora 3D 3 min Aquecimento da mesa e extrusor 8 min Transferência do arquivo STL e parametrização da peça no Software 2 min Definição dos parâmetros de impressão velocidade densidade espessura da camada e orientação da peça Software 3 min Simulação da Impressão 1 min Impressão da Peça 230 min Remoção do Suporte Base 3min Remoção dos filamentos rebarbas 3 min Figura 10 Fluxograma do Setup da impressora 3D Setup da Impressora 3D Inserir o Cartão de MemóriaSD com o Código G Filamento Adequado Preparar a Mesa da Máquina Selecionar o Código G da peça escolhida Aquecimento da Mesa Nivelamento da mesa e Calibração do Bico extrusor Aquecimento da bico extrusor Impressão Figura 11 Peça real impressa na máquina O processo de impressão do modelo foi registrado em vídeo e está disponível no link httpsbitly3JIQjRT 3 Determinação dos custos diretos de fabricação O experimento tem como objetivo testar não só as alterações dos parâmetros mas também a resistência do material proposto no estudo em que a peça foi referenciada Dessa forma o objetivo dos custos de fabricação são apenas experimentais e A peça impressa no material simulado é feita de filamento de bioativo nomeado no mercado como FibreTuff Em uma pesquisa de mercado em bobinas de 500g no tamanho de 175 mm custam US 400 7 Existem diversos fatores limitantes para o cálculo do custo direto de fabricação O grupo escolheu fazer o número máximo de peças usando como fator o 500g de FibreTuff Na configuração final da máquina cada impressão do molde gastava 1g do filamento ou seja é possível produzir em média 450 peças considerando as possíveis perdas de material cavaco Sendo assim para fins de pesquisa e testes na cotação atual do dólar US 511 o valor em real seria R204400 o que na visão do grupo seria viável para iniciar pesquisas com essa peça para projetos de pesquisa da área da biomédica na UFABC por exemplo 4 Conclusão e próximos passos Cada vez mais há complexidade de produtos e isso tem exigido das empresas alterações no processo de desenvolvimento principalmente visando reduzir o tempo dos processos e aumentar a qualidade e a competitividade dos produtos A manufatura aditiva tem um enorme potencial na aplicação da demanda de peças de alta complexidade em estruturas A aplicação do processo de soldagem na manufatura aditiva faz com que os conhecimentos na área sejam de alta relevância no começo do desenrolar dessa técnica de manufatura dessa forma ocorre a evolução mais dinâmica do processo Vale lembrar que determinar a sequência certa de deposição promove a garantia da geometria do componente e possui reflexo em suas propriedades normalmente é preciso ter um tratamento térmico para formação contínua e correta da estrutura Logo é imprescindível entender a relação dos acontecimentos que envolvem a combinação de todos os materiais na manufatura aditiva com intuito de mapear tudo que pode ocorrer no processo nesse caso imprimindo implantes ósseos Considerando que os estudos sobre o uso de TPMSs em implantes ósseos ainda são recentes conseguimos através da variação de material acelerar o processo de pesquisa possibilitando que projetos com menor orçamento realizem impressão das estruturas e realizem os testes necessários acerca dessa temática Além de estudos sobre a resistência do material proposto é necessário também realização de mais testes de biocompatibilidade como dissolução e bioatividade para que de fato seja utilizado na medicina 5 Referências bibliográficas 1 Yan Chunze Hao Liang Yang Lei Hussein Ahmed Young Philippe Li Zhaoqing Li Yan 2021 Design of TPMS structures 2 Han L Che S 2018 An Overview of Materials with Triply Periodic Minimal Surfaces and Related Geometry From Biological Structures to SelfAssembled Systems Advanced Materials 3017 1705708 3 A H Schoen Infinite Periodic Minimal Surfaces Without Self Intersections NASA Technical Report D5541 NASA USA 1970 4 J Shi J Yang L Zhu L Li Z Li and X Wang A Porous Scaffold Design Method for Bone Tissue Engineering Using Triply Periodic Minimal Surfaces in IEEE Access vol 6 pp 10151022 2018 5 R Huiskes H Weinans B Van Rietbergen The relationship between stress shielding and bone resorption around total hip stems and the effects of flexible materials Clin Orthop Relat Res 274 1 1992 124134 6 S Vijayavenkataraman L Zhang S Zhang JY Hsi Fuh WF Lu Triply periodic minimal surfaces sheet scaffolds for tissue engineering applications an optimization approach toward biomimetic scaffold design ACS Applied Bio Materials 1 2 2018 259269 7 Bioactive FibreTuff Filament Where to bu Disponível em httpsfibretuffuswheretobuyfibretufftextBioactive20FibreTuff20FilamenttextLimited20quantities20in20500g20spoolsUniversity20has20validated20these20findings Acesso em 02Ago2022 8 How to Generate Triply Periodic Minimal Surface Structures Disponível em httpswwwinstructablescomHowtoGenerateTriplyPeriodicMinimalSurfaceSt Acesso em 02Ago2022 9 S Vijayavenkataraman L Y Kuan W F Lu 3Dprinted ceramic triply periodic minimal surface structures for design of functionally graded bone implants Materials Design Volume 191 2020 10 VOLPATO Neri Manufatura aditiva tecnologias e aplicações da impressão 3D livro eletrônico Neri Volpato São Paulo Blucher 2012 Versão do CopySpider 211 Relatório gerado por dudavaleriolimahotmailcom Modo web normal Arquivos Termos comuns Similaridade Sistemas CAM Projeto final pdf X httpsnyuscholarsnyueduenpublicationstriplyperiodicminimalsurfacessheetscaffoldsfortissueengin 21 068 Sistemas CAM Projeto final pdf X httpspubmedncbinlmnihgov1728998 23 064 Sistemas CAM Projeto final pdf X httpspubmedncbinlmnihgov35016376 22 062 Sistemas CAM Projeto final pdf X httpsnyuscholarsnyueduenpublications3dprintedceramictriplyperiodicminimalsurfacestructuresfor 15 049 Sistemas CAM Projeto final pdf X httpsenwikipediaorgwikiTriplyperiodicminimalsurface 12 034 Sistemas CAM Projeto final pdf X httpsfacstaffsusquedubrakkeevolverexamplesperiodicperiodichtml 7 016 Sistemas CAM Projeto final pdf X httpswwwsciencedirectcomsciencearticlepiiS0096300316306038 2 007 Arquivos com problema de download httpwwwabeproorgbrbibliotecaTNSTO342175540108pdf Não foi possível baixar o arquivo É recomendável baixar o arquivo manualmente e realizar a análise em conluio Um contra todos HTTP response code 301 30 httpswwwresearchgatenetpublication326657192TriplyPeriodicMinimalSurfacesSheetScaffoldsforTissueEngineeringApplicationsAnOptimizationApproachtowardBiomimeticScaffoldDesign Não foi possível baixar o arquivo É recomendável baixar o arquivo manualmente e realizar a análise em conluio Um contra todos Erro Parece que o documento não existe ou não pode ser acessado HTTP response code 403 Server returned HTTP response code 403 for URL httpswwwresearchgatenetpublication326657192TriplyPeriodicMinimalSurfacesSheetScaffoldsforTissueEngineeringApplicationsAnOptimizationApproachtowardBiomimeticScaffoldDesign httpspubsacsorgdoi101021acsabm8b00052 Não foi possível baixar o arquivo É recomendável baixar o arquivo manualmente e realizar a análise em conluio Um contra todos Erro Parece que o site desse link está indisponível no momento HTTP response code 503 Server returned HTTP response code 503 for URL httpspubsacsorgdoi101021acsabm8b00052 Relatório gerado por CopySpider Software 20220809 233719