Desenvolvimento do Processo de Produção de Próteses Crânio-Maxilofaciais por Processos Alternativos à Fundição

Desenvolvimento do processo de produção de próteses crâniomaxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta de Sousa Rocha Dissertação do MIEM Orientador no INEGI: Rui Jorge de Lemos Neto Maria Margarida Fernandes Machado Orientadora na FEUP: Teresa Margarida Guerra Pereira Duarte Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Julho 2014 Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página iii Aos meus Pais e Irmã Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página iv RESUMO A presente dissertação levou a cabo o desenvolvimento de produção de próteses crânio-maxilofaciais à medida (CMF), por processos e tecnologias de fabrico alternativas à fundição. A produção deste tipo de próteses individualizadas permite restaurar funções anatómicas, melhorar o conforto e a aparência do paciente, bem como melhorar a sua qualidade de vida. Estas contribuem para um maior bem-estar físico, psíquico e social do indivíduo, como salienta a organização Mundial de Saúde (OMS). A procura destes produtos hoje em dia levou à motivação para a realização desta dissertação de modo afincado. O trabalho de investigação teve como objetivo principal desenvolver metodologias de fabrico de próteses CMF à medida do paciente. Ao longo deste trabalho foram explorados dois processos de conformação de chapa e malhas metálicas como a estampagem convencional e estampagem incremental (ISF). Estas tecnologias são adequadas à produção de próteses CMF uma vez que permitem processar materiais de espessura reduzida e que exigem uma baixa força de conformação. Para cada um destes processos foram analisados dois casos de estudo de fraturas CMF recorrendo a imagens médicas bidimensionais provenientes de Tomografias Computorizadas (TC), sendo um dos casos disponibilizado pelo Hospital São João do Porto e um outro cedido pela empresa Distrim Sistemas, LDA. Estas imagens médicas foram inicialmente transformadas em modelos virtuais tridimensionais, que facilitaram a realização do projeto de modelação virtual de uma prótese em software CAD 3D. O projeto das próteses foi convertido em ficheiros STL, que por sua vez foram introduzidos numa máquina de estereolitografia com vista à produção dos modelos físicos dos crânios e das próteses em estudo. Em ambos os processos de estampagem foram testados diferentes materiais como, chapa e quatro tipos de malhas metálicas com diferentes padrões geométricos, que influenciam o seu comportamento mecânico. Cada um destes materiais foi caracterizado através de análise química, análise microestrutural e de determinação da dureza. Foram ainda realizados ensaios de simulação procedimental do processo de estampagem convencional de forma a realizar um estudo comparativo do estado de deformações nos diferentes materiais. A intenção que este trabalho de investigação apresentava inicialmente foi concluída com sucesso na medida em se confirmaram as hipóteses desejadas no início do trabalho. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página v ABSTRACT The following paper went through with the development of the production of cranomaxillofacial (CMF) custom fitted prosthesis, by methodologies of project and production technologies, in alternative to foundry. The production of this kind of lighter custom fitted prosthesis allow to restore anatomic functions, improve the patient's comfort and appearance, as well as his quality of life. These contribute to a major physical, psychological and social well-being of the patient, as stated by the World Health Organisation. The search for these products nowadays thoroughly motivated the accomplishment of this paper. The research had as its main goal to develop methodologies of production of custom fitted prosthesis. Throughout this paper, two processes were explored: the process of conforming the “grid metal forming” and “sheet metal forming” and the technique of incremental sheet forming (ISF). These technologies are fit to the production of CMF prosthesis once they allow to process materials of reduced thickness and demand a low conformation. For each one of the following processes, two cases of study of CMF fractures were analysed, using bidimensional medical imaging from TC. One of the cases was released by Hospital São Joao - Porto and another one by the company Distrim Sistemas, LDA. These medical imaging were transformed into tridimensional virtual models, that allowed the accomplishment of the modelling virtual project of one of the software CAD 3D prosthesis. The prosthesis project was converted in STL files, that were later introduced into a stereolitography machine with the aim of producing cranium physical models and instudy prosthesis. In both processes of of incremental sheet forming, different materials were tested as “sheet metal forming” and four types of metal grids with geometrical patterns, that influenced its mechanical behaviour. Each of these materials was analyzed chemically, microstructural and according to its toughness. Some simulation procedures of incremental sheet forming were accomplished as to study the status of deformation in different materials. The aim that this paper had initially was concluded successfully, as well as all the hypothesis preferred in its introduction. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página vi Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página vii AGRADECIMENTOS Ao Eng.º. Rui Neto, professor e orientador deste trabalho, sempre insistente e persistente com a minha pessoa, agradeço a partilha de todo o conhecimento técnico e a paciência e pertinência com que o fez. À professora Teresa Duarte, orientadora deste trabalho na FEUP, que desde muito cedo acreditou em mim e na minha capacidade de trabalho, e me conduziu a caminhos de liberdade e ciência. Deixo também aqui o meu reconhecido e profundo agradecimento pela disponibilidade, confiança, conselhos, incentivos e em particular por toda a amizade e respeito que sempre senti da sua parte. A todos os elementos da Equipa do INEGI/CETECOFF e CETECOP por disponibilizar os meios e recursos necessários à realização desta dissertação e a todos os que de forma direta ou indireta contribuíram para a sua realização. Um agradecimento particular ao Eng.º. Pedro Teixeira, Eng.º. Rogério Araújo, Eng.º. Bártolo Paiva, Eng.º. Carlos Moreira, Eng.º. Paulo Machado, Engª. Margarida Machado, Engª. Mafalda Couto, Eng.º Ricardo Paiva, Sertório Lares, José Teixeira, Um agradecimento especial à Andreia Durães e à Armanda Marques pela atenção dada a cada instante e o incentivo e apoio nos momentos mais difíceis no desenvolvimento deste trabalho. Ao Eng.º Ricardo Gaspar, formador da empresa Distrim Sistemas, LDA, pela alta qualidade da formação ministrada em softwares da Materialise, e pela sua disponibilidade constante e apoio técnico. Ao Dr. José Bilhoto, Médico Especialista em Cirurgia Crânio-Maxilofacial no HSJ, agradeço a disponibilidade de atendimento, e as informações cedidas no domínio da área médica. Ao Professor Manuel Laranjeira, Neurocirurgião, agradeço o a disponibilidade de atendimento, as orientações e reconhecimento do trabalho. A todos os meus amigos que me acompanharam ao longo de todo o percurso académico e tornaram possível com o seu apoio a realização de muitos sonhos. A todos os professores com quem me cruzei ao longo da vida que contribuíram para a minha formação quer pessoal, quer académica, agradeço hoje, e lembro com carinho especial. Uma palavra de carinho e agradecimento ao Nuno Alexandre amigo incondicional, sempre presente e disponível. Aos meus pais e irmã quero agradecer todo o amor, carinho e dedicação com que acompanham o meu crescimento, e todo o apoio e paciência que me dispensaram ao longo da realização deste trabalho. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página viii Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página ix LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS 2D Bidimensional 3D Tridimensional ACR American College of Radiology ACR American College of Radiology AM Additive Manufacturing ASTM Sociedade Americana para Testes e Materiais Bal Balanço (do inglês Balance) CAD Design assistido por computador (do inglês, Computer Aided Design) CAGR Taxa composta de crescimento anual (do inglês compound Annual Growth Rate) CAM Produção assistida por computador (do inglês, Computer Aided manufacturing) CETECOFF Unidade de Fundição e Novas Tecnologias CMF Crânio-maxilofacial CN Código Numérico (do inglês Numerical control ) CNC Controlo Numérico Computorizado DEMEC Departamento de Engenharia Mecânica DICOM Comunicação de imagens digitais em medicina (Digital Imaging and communications in Medicine) DMLS Direct Metal Laser Sintering EBM Fusão por feixe de Eletrões (do Inglês Electron Beam Melting) FA Fabrico Aditivo FDA American Food and Drug Administration FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto HF Ácido Fluorídrico HNO3 Ácido Nítrico HSJ Hospital São João HV Dureza Vickers IGES Especificação de trocas de gráficos Iniciais (do Inglês, Initial Graphics Exchange Specification) INEGI Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página xvi Figura 46 - Esquema representativo da obtenção de um implante "Scaffold" à medida do paciente ................................................................................. 59 Figura 47 - Esquema do princípio de funcionamento do processo de sinterização seletiva a laser (SLS) ................................................................................ 61 Figura 48 - Fabricação de implante craniofacial por sinterização direta de metal por laser, (A) Matéria-prima em pó, (B) Processo DMLS, (C) Implante aplicado num modelo ............................................................................................ 62 Figura 49 - (A) Modelo virtual da região a ser reconstruída, (B) Implante fabricado por DMLS ................................................................................................. 63 Figura 50 - (A) Prótese fabricada por DMLS aplicada num modelo com o defeito, (B) Resultado de inspeção geométrica virtual .............................................. 63 Figura 51 - Desenho do modelo da prótese em computador e respetiva prótese fabricada em DMLS acoplada no modelo do crânio ............................... 63 Figura 52 - Processo de fusão por feixe de eletrões, EBM ........................................ 64 Figura 53 - Implante obtido pelo processo EBM: (A) Design do Implante do Crânio em CAD (B) Ajuste do implante de titânio (C) Abertura do couro cabeludo (D) Aplicação do implante ............................................................................. 65 Figura 54 - (a) Implante de titânio poroso à medida do paciente feito pelo processo EBM, (b) Implante aplicado sobre o modelo do crânio, (c) Cirurgia de implementação e fixação do implante .................................................... 66 Figura 55 - Esquema do princípio de funcionamento de uma máquina de Estereolitografia ...................................................................................... 67 Figura 56 - Desenho esquemático da fabricação de um modelo médico camada por camada .................................................................................................... 67 Figura 57 - Processo de estampagem convencional em prensa ............................... 69 Figura 58 - Diferentes malhas metálicas de titânio comercializadas pela BIOMET .. 71 Figura 59 - Fluxograma que ilustra o processo de obtenção de um implante à medida do paciente pelo processo de Estampagem Convencional .................... 71 Figura 60 - Representação esquemática do processo de estampagem com pinos .. 72 Figura 61 - Vista de topo de malha metálica, depois de ser fixada na matriz .......... 72 Figura 62 - (A) Malha metálica conformada depois de ser removida do molde; (B) Malha metálica cortada com a forma do implante ................................ 72 Figura 63 - (A) TC 3D do defeito do osso craniano, (B) Punção e matriz, (C) Malha conformada (D) Aplicação cirúrgica ........................................................ 73 Figura 64 - Elementos básicos necessários para a conformação incremental de chapa (ISF) .......................................................................................................... 74 Figura 65 - Configurações distintas do Processo de ISF ............................................ 75 Figura 66 - Estampagem Incremental de ponto único sem apoio inferior ............... 75 Figura 67 - Estampagem Incremental de dois pontos com suporte inferior específico ................................................................................................. 76 Figura 68 - Etapas do processo de ISF de uma prótese craniana. 1) Imagens de uma TC; 2) Modelo STL; 3) Modelo STL melhorado, específico da região do implante; 4) Simulação do processo de maquinagem do molde inferior; 5) Molde inferior maquinado; 6) Estampagem incremental da chapa; ...... 76 Figura 69 - Fases do processo de ISF de uma prótese orbital. a) Modelo CAD 3D do crânio e da prótese b) Geometria do modelo real do implante da face c) Geometria simplificada para o processo de ISF d) Representação Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página xvii esquemática da peça conformada por SPIF e respetiva remoção e) Fotografia do implante ............................................................................ 77 Figura 70 - Estado de deformação geralmente encontrado num processo de estampagem ............................................................................................ 78 Figura 71 - Diagrama da Curva Limite de Estampagem dos metais .......................... 79 Figura 72 - 1º Caso de estudo: fratura frontal-orbital (A) Fratura; (B) Prótese sobre o crânio; (C) Prótese. .................................................................................. 83 Figura 73 - Caso de estudo: fratura parietal (A) Fratura; (B) Prótese sobre o crânio; (C) Prótese ................................................................................................ 84 Figura 74 - Diferentes classes de biomateriais com destaque para o titânio e respetivas ligas. ........................................................................................ 85 Figura 75 - Malha metálica "Square Hole Titanium Mesh". ...................................... 86 Figura 76 - Malha metálica "Skull Titanium Mesh". .................................................. 87 Figura 77 - Malha metálica “Hard 3-D Titanium Mesh”. ........................................... 87 Figura 78 - Malha metálica “Soft 3-D Titanium Mesh”. ............................................. 88 Figura 79 - Registo da microestrutura do TiCp de uma malha "Sqare Hole", atacada com Kroll, TG < 40µm, encontando-se A e B com diferentes ampliações.. ............................................................................................. 89 Figura 80 - Registo da microestrutura do TiCp de uma malha "Skull", atacada com Kroll,TG < 20 µm, encontrando-se A e B com diferentes ampliações. .... 90 Figura 81 - Registo da microestrutura do TiCp de uma malha "Hard 3D", atacada com Kroll, TG < 10 µm encontrando-se A e B com diferentes ampliações. .... 90 Figura 82 - Registo da microestrutura do TiCp de uma malha "Soft 3D", atacada com Kroll, TG < 100 µm encontrando-se A e B com diferentes ampliações. . 90 Figura 83 - Chapa Metálica de TiCp Gr2. ................................................................... 91 Figura 84 - Registo da microestrutura do TiCp de uma chapa metálico, atacada com Kroll, TG < 40 µm encontrando-se A e B com diferentes ampliações. .... 92 Figura 85 - Suporte Universal para ferramentas de conformação convencional. ..... 93 Figura 86 - Representação dos dois contramoldes do suporte universal. ................ 94 Figura 87 - Peças em SL: (A) Contramolde-suporte punção (B) Contramolde-suporte matriz. ...................................................................................................... 94 Figura 88 - Suporte universal de resina: (A) Suporte do punção (B) Suporte da matriz. ............................................................................................................... 95 Figura 89 - 2º Caso de estudo: desenho do sketch com alinhamento centrado da prótese ..................................................................................................... 96 Figura 90 - 2º Caso de estudo: (A) Linhas que estendem a superfície estão para lá do Sketch (B) Superfície gerada. ................................................................... 96 Figura 91 - 2º Caso de estudo: "Murge" das superfícies. .......................................... 97 Figura 92 - 2º Caso de estudo: (A) Sketch alinhado com a prótese (B) Profundidade a aplicar pelo comando "Extrude" (C) Sólido gerado após aplicação do comando. ................................................................................................. 97 Figura 93 - 2º Caso de estudo: Contramolde da matriz. ............................................ 98 Figura 94 - Contramoldes matriz/punção de dois casos de estudo. ......................... 98 Figura 95 - Quatro tipos de malhas metálicas de titânio projetadas em Software SolidWorks®. ..........................................................................................100 Figura 96 - Representação inicial do processo de simulação de uma prótese no software Abaqus CAE®. ..........................................................................101 Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página xviii Figura 97 - Representação de uma simulação de chapa metálica do processo de estampagem convencional no software Abaqus CAE®. ........................ 102 Figura 98 - Representação de uma simulação da malha Square Hole do processo de estampagem convencional no software Abaqus CAE®. ........................ 102 Figura 99 - Representação de uma simulação da malha Hard 3D do processo de estampagem convencional no software Abaqus CAE®. ........................ 103 Figura 100 - Representação de uma simulação da malha Skull do processo de estampagem convencional no software Abaqus CAE®. ........................ 103 Figura 101 - Representação de uma simulação da malha Soft 3D do processo de estampagem convencional no software Abaqus CAE®. ........................ 104 Figura 102 - Gráfico das deformações apresentadas pela malha “Square hole” no espaço das deformações principais do plano e respetiva CLE. ............. 105 Figura 103 - Gráfico das deformações apresentadas pela malha “Skull” no espaço das deformações principais do plano e respetiva CLE. ............................... 105 Figura 104 - Gráfico das deformações apresentadas pela malha “Hard 3-D” no espaço das deformações principais do plano e respetiva CLE. ......................... 106 Figura 105 - Gráfico das deformações apresentadas pela malha “Soft 3-D” no espaço das deformações principais do plano e respetiva CLE. ......................... 106 Figura 106 - Gráfico das deformações apresentadas pela chapa metálica no espaço das deformações principais do plano e respetiva CLE. ......................... 107 Figura 107 - Prensa. ................................................................................................... 108 Figura 108 - Modelo em SL: (A) Crânio com o defeito presente, (B) Prótese do defeito (C) Crânio com defeito oculto pela prótese. ......................................... 108 Figura 109 - Cerra chapas utilizado no caso da fratura Frontal-Orbital. ................... 109 Figura 110 - Processo de estampagem convencional: (A) Montagem da chapa de titânio com cerra chapas (B) Colocação do Punção (C) Conformação na prensa. ................................................................................................... 109 Figura 111 - Square Hole Titanium Mesh conformada por estampagem convencional. ........................................................................................ 109 Figura 112 - Prótese em malha de titânio conformada recortada com a forma pretendida do lado esquerdo, protótipo da prótese em SL do lado direito. ....................................................................................................... 110 Figura 113 - Geometria da malha de titânio Skull: (A) Geometria original (B) Geometria com expansão proveniente pela conformação ..................................... 110 Figura 114 - Sobreposição do modelo estereolitográfico sobre a malha de titânio Hard 3-D. ........................................................................................................ 111 Figura 115 - Irregularidades localizadas na malha de titânio Hard 3-D. ................... 111 Figura 116 - Prótese de malha metálica TiCp Gr2 aplicada a modelo estereolitográfico. .......................................................................................................... 112 Figura 117 - Malha de titânio Soft 3-D após conformação revelando zonas de compressão e expansão. ....................................................................... 113 Figura 118 - Malha metálica Soft 3D aplicada no modelo estereolitográfico. ......... 113 Figura 119 - (A) Chapa de titânio conformada com cerra-chapas (B) Chapa de titânio conformada sem cerra-chapas. ............................................................. 114 Figura 120 - Modelo em SL: (A) Crânio com o defeito presente (B) Prótese do defeito (C) Crânio com o defeito oculto pela prótese. ...................................... 115 Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página xix Figura 121 - Malha de titânio Square após conformação, com o modelo SL sobreposto. ...........................................................................................................115 Figura 122 - Deformação causada na malha metálica Skull após estampagem convencional. .........................................................................................116 Figura 123 - Chapa de TiCp Gr2 conformada por estampagem convencional. .........117 Figura 124 - Centro de maquinagem de comando numérico OKUMA MC-40VA, instalado nas oficinas mecânicas da FEUP .............................................119 Figura 125 - Ferramenta em aço inoxidável e ponta hemisférica para ISF com tratamento de nitruração ......................................................................120 Figura 126 - Representação explodida de suporte para fixação de chapa para o processo de SPIF com prato de apoio circular .......................................120 Figura 127 - Realização de Draft Analysis em CAD 3D para determinação dos ângulos de parede do modelo de uma prótese Frontal-Orbital .........................121 Figura 128 - Realização de Draft Analysis em CAD 3D para determinação dos ângulos de parede do modelo de uma prótese Frontal-Orbital. ........................122 Figura 129 - Geração de trajetória de ferramenta em Mastercam X para a geometria da prótese Frontal-Orbital. ....................................................................122 Figura 130 - Geometrias a obter pelo processo de SPIF (A) Prótese Frontal-Orbital (B) Prótese Parietal. .....................................................................................123 Figura 131 - Fratura ocorrida na chapa de TiCp pelo processo de ISF. .....................123 Figura 132 - Desenvolvimento de prótese parietal por ISF. ......................................124 Figura 133 - Etapas de Corte em ISF (A) Posicionamento da Fresa (B) Introdução do líquido de arrefecimento (C) corte final. ...............................................125 Figura 134 - Comparação entre a prótese obtida por ISF e o modelo em SL. ...........125 Figura 135 - Prótese de TiCp obtida por ISF. ..............................................................125 Figura 136 - Montagem centrada de uma malha metálica de TiCp Gr2 sobre chapa de alumínio para criação de efeito Sandwich com a colocação superior de outra chapa. ...........................................................................................126 Figura 137 - Concavidade inesperada ocorrida da chapa de alumínio no processo de ISF. ..........................................................................................................127 Figura 138 - Processo ISF: (A) fase inicial (B) formação de ângulo de inclinação sobre a parede. ...................................................................................................127 Figura 139 - Exposição de malha de titânio após rotura de chapa de alumínio pelo processo de ISF. .....................................................................................128 Figura 140 - Deformação ocorrida em malha de titânio após processo de ISF. ........128 Figura 141 - Malha metálica fixa a uma chapa de alumínio. .....................................129 Figura 142 - Esquema do processo de ISF na obtenção de uma prótese em malha metálica de TiCp. ....................................................................................130 Figura 143 - Prótese produzida em malha metálica TiCP Gr2 pelo processo de SPIF adaptada ao modelo SL..........................................................................130 Figura 144 - Esquema do processo tentativa erro para compensação do retorno elástico no processo de ISF. ...................................................................131 Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página xx ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1 - Diferentes tipos de implantes existentes segundo a U.S. Food and Drug Administration ................................................................................................ 6 Tabela 2 - Classificação dos biomateriais e suas vantagens e desvantagens para aplicações médicas ....................................................................................... 19 Tabela 3 - Normas atribuidas a materiais metálicos pela Sociedade Americana para Testes e Materiais (ASTM) ............................................................................ 21 Tabela 4 - Composição química do TiCp (ASTM F67). ................................................... 21 Tabela 5 - Vantagens e desvantagens dos três grandes grupos de biomateriais metálicos ...................................................................................................................... 22 Tabela 6 - Propriedades do aço inoxidável autenítico, ligas de CoCrMo, TiCp Gr2 e Ti6Al4V .......................................................................................................... 22 Tabela 7 - Propriedades dos biomateriais metálicos .................................................... 23 Tabela 8 - Mercado global dos biomateriais por localização no mundo entre 2010 a 2017 em mil milhões de euros ..................................................................... 25 Tabela 9 - Mercado global dos biomateriais por tipo entre 2010 a 2017 em mil milhões de euros ........................................................................................................ 26 Tabela 10 - Mercado global dos biomateriais, por aplicações entre 2010 a 2017 em mil milhões de euros .......................................................................................... 26 Tabela 11 - Tipos de redes metálicas comercializadas pela empresa CONMET ............ 29 Tabela 12 - Redes metálicas comercializadas pela empresa Beijing Hengjie Medical Devices .......................................................................................................... 31 Tabela 13 - Redes metálicas comercializadas pela empresa Changzhou Meditech CO,LDA .............................................................................................................. 32 Tabela 14 - Redes metálicas comercializadas pela empresa Suzhou Youbetter Medical Apparatus Co ................................................................................................ 33 Tabela 15 - Lista que aproxima a escala de cinzentos às diversas densidades apresentadas por diferentes elementos presentes numa TC, com valores de atenuação em unidades Hounsfiel (UH) ....................................................... 40 Tabela 16 - Software de visualização e processamento de imagens médicas 3D .......... 44 Tabela 17 - Softwares CAD 3D para manipulação de imagens médicas 3D .................... 52 Tabela 18 - Diferentes processos característicos do fabrico aditivo segundo a norma ASTM F2792-12 ............................................................................................. 57 Tabela 19 - Características técnicas de equipamentos de FA comercializados .............. 60 Tabela 20 - Vantagens e desvantagens dos processos de FA ......................................... 68 Tabela 21 - Composição química do TiCp Gr2 segundo a Norma ASTM F67 .................. 88 Tabela 22 - Valores de dureza Vickers para quatro malhas de titânio distintas. ............ 89 Tabela 23 - Análise química da chapa de TiCp Gr2. ........................................................ 91 Tabela 24 - Processo convencional para obtenção de ferramentas (Punção/Matriz).... 99 Tabela 25 - Custos associados à obtenção de uma prótese Frontal-Orbital em malha metálica pelo processo de estampagem convencional. ............................ 133 Tabela 26 - Custos associados à obtenção de uma prótese Parietal em malha metálica pelo processo de estampagem convencional. ........................................... 134 Tabela 27 - Custos associados à obtenção de uma prótese Parietal em malha metálica pelo processo de ISF. .................................................................................. 134 Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página xxi Tabela 28 - Custos associados à obtenção de prótese parietal pelo processo de EBM na empresa FIT production GmbH. ................................................................. 135 Tabela 29 - Custos associados à obtenção de prótese frontal-orbital pelo processo de EBM na empresa FIT production GmbH. .................................................... 135 Tabela 30 - Custos associados à obtenção de próteses pelo processo de DMLS no centro tecnológico CTAG........................................................................................ 136 Tabela 31 - Custos associados à obtenção de prótese parietal pelo processo de SLM na empresa LayerWise. ................................................................................... 136 Tabela 32 - Custos associados à obtenção de prótese frontal-orbital pelo processo de SLM na empresa LayerWise. ....................................................................... 136 Tabela 33 - Tabela de Custos totais de obtenção de próteses CMF por quatro processos de fabrico. ................................................................................................... 137 Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 1 CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO 1.1. Apresentação do INEGI A dissertação exposta resulta do trabalho realizado no INEGI, Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial, na Unidade de Fundição e Novas Tecnologias (CETECOFF). O INEGI é uma Instituição de interface entre a Universidade e a Indústria vocacionada para a realização de atividade de Inovação e Transferência de Tecnologia orientada para a indústria. Nasceu em 1986 no seio do Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial (DEMEGI) da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP). Preserva ainda hoje essa ligação indispensável com o DEMEC (Departamento de Engenharia Mecânica) na atualidade, que constitui uma das principais fontes de conhecimento e competências científicas e tecnológicas. 1.2. Enquadramento do Projeto O tema proposto para este projeto de tese em empresa, em contexto do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica, surge na sequência da necessidade de dar continuidade a um conjunto de estudos, que têm vindo a ser desenvolvidos no INEGI, no domínio da engenharia e sua relação com a medicina e se centram no fabrico de próteses crânio-maxilofaciais (CMF). O trabalho de dissertação debruçou-se sobre o estudo do desenvolvimento de processos de produção de próteses crânio-maxilofaciais, por processos alternativos à fundição que surgiu após os consecutivos estudos que vem a ser desenvolvidos no INEGI sobre o desenvolvimento do processo de fabrico de próteses crânio-maxilofaciais por fundição, por estampagem convencional e por estampagem incremental. Este estudo é consequência da necessidade de reparar defeitos cranianos existentes nos pacientes, que surgem em consequência de traumatismos, acidentes ou qualquer tipo de patologia, de modo a poder proporcionar-lhes uma melhor qualidade de vida, bem-estar físico e psicológico. Em pleno século XXI, a necessidade de se recorrer à utilização de próteses é cada vez maior em todas as faixas etárias da população mundial. O aumento da esperança de vida, os traumatismos, acidentes de viação e patologias oncológicas, tem vindo a assumir-se como as principais causas, que promovem as necessidades de intervenções ao nível do fabrico de próteses crânio-maxilofaciais. A engenharia apresenta assim, um papel fundamental no desenvolvimento de métodos e técnicas de reabilitação que permitam devolver ao paciente a forma e a função perdidas. Ao longo deste projeto de dissertação foram abordados dois métodos de fabrico, a estampagem convencional e incremental como forma de testar a sua viabilidade na aplicação de próteses CMF. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 2 Marieta Rocha Para testar estes métodos usam-se dois casos de estudo reais de pacientes que apresentavam fraturas cranianas, tendo sido utilizadas imagens médicas provenientes de Tomografia Computorizada (TC). Estas foram segmentadas e manipuladas em softwares específicos de biomodelação existentes no INEGI, o Mimics® e o 3 Matic®. Numa fase final após adquirir e desenvolver ferramentas e definir todas as etapas procedimentais, partiu-se para o fabrico de próteses recorrendo às tecnologias disponíveis no INEGI e na FEUP. 1.3. Objetivos O principal objetivo desta tesa consiste em aplicar metodologias de fabrico de próteses CMF por processos alternativos à fundição, pelos métodos de fabrico de Estampagem Convencional e Estampagem Incremental utilizando como matéria-prima chapa e malhas metálicas de diferentes padrões e resistências. Como forma de ver cumprido este objetivo é necessário:  Compreender conceitos médicos e necessidades para o fabrico de próteses;  Conhecer os diferentes meios de diagnóstico utilizados na medicina que permitem a recolha de imagens médicas;  Adquirir competências com softwares de segmentação/modelação de imagens médicas e de CAD 3D;  Selecionar e adquirir chapa e malhas metálicas e realizar ensaios de: o Análise química; o Dureza; o Análise microestrutural;  Desenvolver próteses por estampagem convencional: o Projetar e materializar ferramentas; o Realizar simulações estruturais; o Conformar e comparar resultados obtidos;  Desenvolver próteses por estampagem incremental: o Adquirir ferramentas; o Elaborar códigos numéricos; o Conformar e discutir resultados;  Realizar uma análise de custo comparando processos. 1.4. Guia de Leitura Levando em conta os objetivos atrás mencionados e todos os quesitos absolutamente necessários para atingir os mesmos, foi proposto dar os seguintes passos para proceder à abordagem do problema: 1ª Parte - Síntese Bibliográfica Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 3  Próteses Crânio-maxilofaciais;  Projeto de próteses;  Fabrico de próteses. 2ª Parte Trabalho Experimental  Descrição;  Seleção dos materiais: malhas metálicas e chapas metálicas;  Desenvolvimento de próteses CMF por Estampagem Convencional;  Desenvolvimento de próteses CMF por Estampagem incremental (ISF);  Análise de Custos;  Considerações finais. Alguns dos passos desta dissertação não foram abordados de forma metodologicamente exaustiva de modo a ser possível concretizar este projeto em tempo útil, não dando especial atenção ao trabalho de biomodelação de imagens médicas, mas sim aos processos de fabrico de próteses. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 10 2.2. Qual a Necessidade da Utilização das Próteses Em pleno século XXI, a necessidade de se recorrer à utilização de próteses é cada vez maior para todas as faixas etárias da população mundial. Segundo dados da Organização Mundial de Saúde (OMS), as neoplasias faciais e os traumatismos provocados por acidentes e doenças congénitas estão a crescer de ano para ano. Apenas em malformações congénitas, como por exemplo as fendas palatinas, (Figura 6), verifica-se uma incidência mundial de um caso para cada 600 a 700 nascimentos. Isto equivale a uma população muito jovem de mais de 22 mil portadores de fendas palatinas em todo o planeta, que em muitos casos necessitam da colocação de uma prótese (Lima 2012). Figura 6 - a) Fenda de lábio unilateral esquerdo completa; b) Fenda do palato completa - adaptado de http:// clariceabreu.com.br/?cirurgia-cmf=fissura-de-labio-e-palato. Outra causa que cada vez mais está a levar ao aumento da utilização de próteses junto de adultos e jovens são os traumatismos crânio-encefálicos provocados por acidentes rodoviários, que são considerados a principal causa da mortalidade e morbilidade destas faixas etárias. Segundo uma das Atas Médicas Portuguesas de 2012, a sua “incidência a nível mundial, tem aumentado à custa dos países em desenvolvimento, prevendo-se que, em 2020, constitua uma das principais causas de morte, pelo que Douglas Miller o considerou uma epidemia silenciosa.” De notar que em Portugal, como noutros países, o traumatismo crânio-encefálico ocorre predominantemente nos jovens com um rácio masculino-feminino de 3:1 (Oliveira et al. 2012). Diretamente relacionado com a necessidade de implementação de próteses nos dias de hoje está a crescente percentagem da população envelhecida e a envelhecer. De acordo com a Organização Mundial de Saúde, a população mundial está a envelhecer aceleradamente. Entre 2000 e 2050, a proporção da população mundial com mais de 60 anos vai duplicar passando de cerca de 11% para 22% (MarketsAndMarkets 2013c). Como tal, para garantir cada vez mais a qualidade de vida dos idosos e particularmente dos doentes com doenças reumáticas, doenças oncológicas especificamente da cabeça, pescoço e boca, a instalação de qualquer tipo de próteses torna-se fundamental. É de salientar que existe um incremento da incidência relativa de traumatismos cranianos Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 11 Marieta Rocha acima dos 65 anos a nível global, decorrente de um acréscimo do risco de quedas, e do uso de antiagregantes e anticoagulantes que aumentam o risco de tromboses e de acidentes vasculares cerebrais (Oliveira et al. 2012). Como se pode verificar na Figura 7, segundo um estudo desenvolvido na América as quedas acidentais e os acidentes rodoviários são as maiores causas de lesões cerebrais traumáticas. Figura 7 - Principais causas de lesões cerebrais traumáticas (adaptado de Kelly, Deckert. 2013. Leading Causes of Traumatic Brain Injury. brainline.org. http://www.brainline.org/ content/2012/08/leading-causes-of-traumaticbrain-injury.html). Como tal, é importante referir que o tratamento de quaisquer neoplasias, infeções ou traumatismos, na maioria dos casos implica a intervenção cirúrgica para remoção do tecido afetado inviável. Estas intervenções podem conduzir a deformidades faciais que comprometem a estética e a função local, com impacto na auto-imagem, perturbando a saúde mental e as atividades da vida diária, como o convívio social do indivíduo. Surge assim a necessidade de desenvolver métodos de reabilitação que permitam devolver ao paciente a forma e a função perdidas. Atualmente estão disponíveis a reabilitação física por fisioterapia ou por intervenção cirúrgica, e as próteses, extra ou intracorporais (Lima 2012). Com o surgimento dos desenvolvimentos ao nível da ciência médica e cirúrgica e da ciência tecnológica é possível atingir uma franca melhoria da sobrevida dos pacientes, invertendo os valores da mortalidade existente, provocada por diversas causas (Figura 8). Graças ao aumento da produção e do uso de próteses mais aperfeiçoadas, mais leves e com paredes finas, é possível diminuir estes valores de mortalidade, bem como melhorar a qualidade de vida funcional, psicológica e social, e gerar maior bem-estar do ser humano. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 12 Figura 8 - Grande aumento das doenças não-transmissíveis e dos acidentes como causas de morte (OMS 2008). 2.3. Biomateriais 2.3.1. Evolução e Definição Etimologicamente, a palavra biomaterial surge da junção de duas palavras: Bio e Material. O termo bio exprime uma ideia de vida, tendo origem no Grego bios. Por sua vez, material é originário do Latim materiãle, que significa algo concreto, formado por matéria (Silva 2007). O uso dos biomateriais remonta à pré-história, como indiciam as descobertas de crânios com trepanações 1 (Figura 9) nas quais eram utilizadas placas em ouro, aplicações de implantes dentários bem como a utilização de fios de sutura (Gutierres et al. 2006). O ouro e o marfim utilizados na substituição de defeitos no crânio foram considerados os primeiros biomateriais utilizados no tempo dos Egípcios e Romanos. Mais tarde, com a procura de alternativas para a substituição do Marfim, surgem os Celulóides, considerados os primeiros materiais termoplásticos. O Polimetilmetacrilato (PMMA) foi o primeiro plástico a aparecer, e era usado para reparar os defeitos do crânio, sendo um dos primeiros polímeros aceites pelo homem desde a II Guerra Mundial (Bergmann e Stumpf 2013). Em 1991, definiu-se biomaterial na conferência de Chester como “material destinado a contactar com sistemas biológicos para avaliar, tratar, aumentar ou 1 Ato ou efeito de trepanar (Perfurar mediante uso de trépano) - Para diminuir a pressão sobre o cérebro é feita uma abertura na caixa craniana, este procedimento não é moderno, existem achados que comprovam a sua utilização por gregos e egípcios; Figura 9 - Crânios trepanados da idade do Neolítico (http://www.cerebromente. org.br/n02/historia/trepan_p.htm). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 13 Marieta Rocha substituir qualquer tecido, órgão ou função do organismo”. Este material quando aplicado deve manter as suas propriedades e características estruturais, permitir uma boa adesão celular à superfície, apresentar a resistência mecânica conveniente e não apresentar características oncogénicas 2 . Deve ser um material hemostático 3 , passível de ser esterilizado, de fácil produção e com baixos custos (Gutierres et al. 2006). Os biomateriais têm sido o maior contributo para a compreensão da interação dos materiais com o meio fisiológico normalmente denominada como biointerface. O seu desenvolvimento em aplicações médicas e dentárias têm evoluído bastante ao longo de três gerações (Figura 10), intercetando-se mutuamente, mas cada uma com distintos objetivos (Ratner et al. 2012). Figura 10 - Evolução da ciência e tecnologia biomaterial. Três gerações dos biomateriais para implantes cirúrgicos que foram evoluindo ao longo dos tempos: de inerte (com interação mínima do tecido), para bioativo (com a incorporação de componentes biologicamente interativos que provocam uma reação controlada nos tecidos) e, finalmente, para regeneradores (capacidade de regenerar o tecido funcional) - adaptado de (Ratner et al. 2012)). 2 Características oncogénicas são aquelas que têm capacidade de induzir/provocar a formação de patologia oncológica, sendo que oncogénico é o termo que descreve um composto químico, um organismo ou um fator ambiental que provoca cancro; 3 Substância ou agente capaz de provocar a hemóstase, que detém hemorragias; Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 14 A primeira geração dos biomateriais surge por volta dos anos cinquenta e sessenta onde eram essencialmente utilizados na indústria, não tendo como vista desenvolvimentos para a área médica. No entanto, graças à excelente combinação das propriedades físicas destes materiais com o desejável clinicamente, como Bioinertes (materiais que não provocam reação a um corpo estranho no organismo (Gutierres et al. 2006) e Biocompatíveis, estes começaram a ser selecionados para estes fins. A segunda geração dos Biomateriais foi desenvolvida com o intuito de obter um material que despoletasse uma reação controlada nos tecidos vivos para que a sua implantação estimulasse uma resposta terapêutica. Estas características levaram à designação de materiais Bioativos (termo que deriva da palavra bioatividade, definida como a propriedade de formar tecido para originar união direta aos tecidos vivos, sobre a superfície de um biomaterial) (Silva 2011), que tiveram a sua primeira utilização na década de 80. Ainda nesta década o desenvolvimento destes materiais progrediu ainda mais com a descoberta dos biomateriais reabsorvíveis. Estes vieram representar uma mais-valia, pois a sua degradação no organismo originava produtos não tóxicos que podiam ser reabsorvidos pelo hospedeiro, minimizando a reação do corpo estranho. A rápida evolução destes materiais despoletou a chegada ao estado da arte actual, sendo atingida assim a terceira geração dos Biomateriais, que tinha como meta o desenvolvimento de biomateriais capazes de apoiar e estimular a regeneração de tecidos viáveis (vivos). Estes materiais abriram assim o caminho à regeneração de tecidos e órgãos perdidos ou danificados por doença ou trauma. A palavra “biomateriais” se decomposta na sua natureza deveria referir-se a materiais biológicos que surgem normalmente da natureza como é o caso da madeira, osso e tecidos moles. No entanto existe hoje um consenso geral na comunidade científica de que biomaterial é qualquer “substância sistematicamente e farmacologicamente inerte, concebida para implantação ou incorporação em sistemas vivos”. Ou seja, materiais como osso, ligamentos, cartilagens, produzidos pelo sistema biológico, são caracterizados como Materiais Biológicos e não entram na família dos biomateriais (Smith e Hashemi 2013). Outra das definições mais aceite de biomateriais atualmente é revelada pelo Instituto Nacional de Saúde Americano que descreve biomaterial como: ''qualquer substância ou combinação de substâncias, exceto medicamentos sintéticos ou de origem natural, que podem ser utilizadas para um qualquer período de tempo, e que aumenta ou substitui parcial ou totalmente qualquer tecido, órgão ou função do corpo, a fim de manter ou melhorar a qualidade de vida do indivíduo'' (Bergmann e Stumpf 2013). A Medicina Regenerativa e a Engenharia de Tecidos são hoje em dia consideradas como as ferramentas chave para a interface das Ciências Biomédicas com a Engenharia, que poderão tornar possível a verdadeira substituição de tecidos vivos. Os biomateriais fazem assim a ponte que proporciona o rápido progresso destas duas grandes áreas clássicas do saber científico (Ratner et al. 2012). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 15 Marieta Rocha A ciência biomaterial é um estudo físico, químico e biológico dos materiais e da sua interação com o ambiente biológico. O desenvolvimento biomaterial e respetivas aplicações incluem a interação de várias disciplinas tais como engenharia química, engenharia mecânica, biologia, ciências médicas, etc. Esta ciência multimaterial usa metais, polímeros, cerâmicos e biomateriais naturais aplicados na fabricação de dispositivos médicos que ajudam na reabilitação do tecido danificado. Estes dispositivos ajudam a reduzir o tempo de hospitalização dos pacientes e melhoram a sua qualidade e esperança de vida. Contudo o risco de infeções pode inibir esse crescimento num futuro próximo (MarketsAndMarkets 2013a). Na Figura 11 encontram-se esquematizadas estas características da ciência biomaterial. Figura 11 - Características da ciência biomaterial - adaptado de (MarketsAndMarkets 2013a). 2.3.2. Aplicações Médicas A evolução dos biomateriais e do estudo da interação destes com o corpo humano tem sido cada vez maior. Este crescimento resulta de uma contribuição conjunta de várias especialidades, particularmente, do esforço coordenado da engenharia e da biologia. Hoje, abrem-se imensas perspetivas na utilização de novos materiais, desenvolvidos especificamente para aplicações médicas, falando-se já em materiais biomédicos (Lima e Mota 2003). A aplicação destes materiais biomédicos é bastante vasta, sendo que estes são utilizados por exemplo para confeção de implantes, aparelhos ou sistemas que estarão em contacto com sistemas biológicos e tecidos vivos. Na Figura 12 são apresentados alguns exemplos da utilização dos biomateriais no corpo humano: Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 16 Figura 12 - Exemplo de aplicações de materiais biomédicos - adaptado de (Bergmann e Stumpf 2013). Aprofundando o estudo das próteses utilizadas no contexto de fraturas ósseas, importa perceber que estas fraturas exigem correção através de vários tipos de procedimentos médicos, sendo que em todas as opções há lugar à utilização de biomateriais. A correção de fraturas, de acordo com a sua localização, exposição, gravidade e eventual perda de tecido ósseo pode ser realizada através de procedimentos conservadores ou cirúrgicos. No que diz respeito aos procedimentos conservadores, a correção de fraturas não expostas simples, dá lugar à utilização de material de estabilização/fixação externa como são o caso das talas e do gesso. A correção cirúrgica de fraturas, em que não há perda de tecido ósseo, é um procedimento que tem por finalidade unir e estabilizar numa posição anatomicamente correta as extremidades dos fragmentos ósseos de uma fratura, com o recurso a dispositivos mecânicos, tais como placas metálicas, parafusos, pinos, hastes, pregos, fios, malhas etc. Estes biomateriais de fixação interna podem ser de aplicação permanente (exemplo os polímeros reabsorvíveis), ou podem ser cirurgicamente removidos após a consolidação óssea estar completa, como por exemplo os implantes metálicos, (Figura 13) e (Figura 14). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 17 Marieta Rocha Figura 13 - Diferentes tipos de placas e respetivas aplicações em cirurgia buco maxila-facial - adaptado de (Indústria Comércio Importação e Exportação de Implantes. 2013. Instructions for Use-System of Plates and Screws for Buccomaxillofacial http://www.mdt.com.br/eng/Instructions/21.pdf). Figura 14 - Procedimento cirúrgico de uma fratura na face através do uso de micro-placas e parafusos de ligas de titânio: a) e b) Tomografia axial computorizada com a demostração da fratura; c e d) Demostração da correção da fratura intra e pós-operatório; e) Avaliação pós-operatório por raio X (Neumann e Kevenhoerster 2009). Quando o mecanismo de produção da fratura provoca perda de tecido ósseo, há necessidade de recorrer a substitutos ósseos, de modo a permitir a reconstrução da forma e função. Estes podem ser definidos como “todo o material de origem humana, animal, vegetal ou sintético, destinado à implantação no homem com a perspetiva de uma reconstituição do capital ósseo, para o reforço de uma estrutura óssea (Figura 15) ou para o preenchimento de uma perda de substância óssea de origem traumática ou Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 18 ortopédica (Figura 16) ” (Gutierres et al. 2006). Nos casos em que existe perda, e a fratura óssea é grande, a regeneração por meio de material ósseo autólogo (colhido do próprio individuo) não ocorre, sendo necessário recorrer a um substituto ósseo sintético. Figura 15 - Representação de várias etapas de uma cirurgia de reforço ósseo no maxilar, que recorre a um excerto ósseo autólogo na zona do queixo - adaptado de (mashpedia. 2013. "Enxerto ósseo autógeno". Youtube Vídeo. http:// www. mashpedia.com/videoplayer.php?q=hvIhgEKb1_0&lang=pt). Figura 16 - Caso que apresentou necessidade de uma prótese: (A) Homem de 31 anos de idade, que apresenta um defeito ósseo frontal; (B) Imagem pré-operatória 3D CT Scan; (C) Imagem intra-operatória do defeito ósseo frontal; (D) Imagem intra-operatório da reconstrução do osso frontal recorrendo ao implante de prótese; (E) Restabelecimento do contorno da testa um mês depois da implantação (Gosain 2003). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 19 Marieta Rocha 2.3.3. Classificação dos Biomateriais Os biomateriais utilizados para implantes cirúrgicos apresentam um papel fundamental na relação que criam com o corpo humano, sendo que a sua escolha deve ter em consideração as condições anatómicas e funcionais do órgão ou tecido a substituir. Em particular, quando o objetivo é identificar o biomaterial ideal para a reconstrução do esqueleto CMF, vários critérios devem ser cumpridos (Gosain 2003), tais como: 1) Biocompatíveis com os tecidos circundantes/adjacentes, não provocando resposta inflamatória ou resposta a corpo estranho; 2) Radiopacos/radiolucentes para que a sua identificação seja facilmente possível através de meios radiológicos; 3) Facilmente moldáveis de modo a que a sua forma seja ajustada à deformidade; 4) Capazes de manterem o seu volume após implantação, por um longo período de tempo; 5) Osteoativos, capazes de induzir a substituição do biomaterial por osso a uma velocidade igual à reabsorção biomaterial (tempo de formação do osso ser igual ao tempo de reabsorção/destruição do biomaterial); 6) Prontamente disponível. Como forma de averiguar estas características nos materiais, é possível recorrer a uma classificação existente dos biomateriais nas suas diferentes classes, sendo a dos materiais metálicos, poliméricos, cerâmicos, compósitos e naturais (Tabela 2). Tabela 2 - Classificação dos biomateriais e suas vantagens e desvantagens para aplicações médicas (Smith e Hashemi 2013; Araújo 2012; Callister e Rethwisch 2007; Rocha 2010). Materiais Vantagens Desvantagens Classificação dos biomateriais Metálicos Aços Inoxidáveis - Excelentes propriedades mecânicas; - Resistentes á fratura; - Dúcteis; - Radiopacos; - Sensíveis à corrosão - Excessiva rigidez comparada com o osso; - Alta densidade; Ligas de CoCr Ti e ligas de Ti Ouro Prata Platina Poliméricos Silicone - Versatilidade; - Resistência Média; - Baixa densidade; - Dúcteis; - Biodegradáveis; - Baixa condutividade elétrica; -Baixas propriedades mecânicas; - Podem degradar-se; Polietileno (PE) Poliéster (PS) Poliuretano (PU) Policarbonato (PC) Polimetilmetacrilato (PMMA) Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 26 Tabela 9 - Mercado global dos biomateriais por tipo entre 2010 a 2017 em mil milhões de euros (MarketsAndMarkets 2013b). Os polímeros são já utilizados em aplicações médicas, tais como, cirurgia ortopédica, na cicatrização de feridas, na engenharia de tecidos, neurologia, oftalmologia e outros, mas o fator biocompatibilidade tem limitado as suas aplicações em grande escala. Todos estes biomateriais têm apresentado um papel fundamental na medicina, melhorando as condições de vida de muitos seres humanos. São diversas as especialidades médicas que recorrem a estes materiais provocando um aumento destes no mercado. A título de exemplo, a especialidade que mais tem recorrido a biomateriais é a cardiovascular que atingiu um valor de 15,18 mil milhões de euros 2012 (Tabela 10). Tabela 10 - Mercado global dos biomateriais, por aplicações entre 2010 a 2017 em mil milhões de euros (MarketsAndMarkets 2013b). Tipo 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 CAGR% (20122017) Metais 11.30 12.42 13.64 14.98 16.41 17.96 19.61 21.37 9.4 Cerâmicos 8.68 9.97 11.44 13.11 15.00 17.11 19.49 22.14 14.1 Polímeros 8.48 10.41 12.76 15.63 19.12 23.34 28.43 34.57 22.1 Naturais 4.98 5.54 6.16 6.85 7.61 8.45 9.38 10.40 11.0 Total 33.44 38.34 44.00 50.57 58.14 66.86 76.91 88.49 15.0 Tipo 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 CAGR% (20122017) Cardiovascular 11.38 13.14 15.18 17.55 20.29 23.45 27.11 31.34 15.6 Ortopédico 11.53 13.17 15.05 17.23 19.73 22.59 25.86 29.61 14.5 Dentário 3.31 3.72 4.18 4.70 5.29 5.95 6.70 7.53 12.5 Cirurgia Plástica 2.68 3.16 3.74 4.43 5.25 6.22 7.37 8.73 18.5 Cicatrização de Feridas 1.59 1.87 2.20 2.59 3.05 3.60 4.24 4.99 17.8 Regeneração Tecidual 0.88 0.98 1.10 1.23 1.38 1.55 1.73 1.94 12.0 Oftalmologia 0.54 0.60 0.66 0.73 0.81 0.90 1.00 1.11 10.8 Distúrbios Neurológicos Sistema Nervoso Central 0.47 0.52 0.57 0.63 0.70 0.78 0.86 0.95 10.7 Outros 1.06 1.18 1.32 1.47 1.64 1.83 2.05 2.29 11.6 Total 33.44 38.34 44.00 50.57 58.14 66.86 76.91 88.49 15 Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 27 Marieta Rocha 2.4. O Titânio no Fabrico de Próteses O titânio comercialmente puro é um material que apresenta uma combinação única de resistência, peso, leveza, resistência à corrosão e não apresenta riscos de reações alérgicas. Como tal tem sido o material de seleção para aplicações médicas em particular no desenvolvimento de próteses. O titânio já há algumas décadas que demostrou ser o material metálico mais adequado para uso em cranioplastias, sendo que atualmente o titânio e suas ligas constituem a quase totalidade dos dispositivos de fixação, malhas dinâmicas e em alguns casos, próteses inteiras (Araújo 2012). Nos estudos da presente tese o titânio foi o material de eleição, tendo sido utilizado na forma de chapa e malha metálica. 2.4.1. Malhas Metálicas e Chapa A reconstrução funcional e estética após uma cirurgia oncológica, um traumatismo, ou a reparação de uma deformidade congénita estão diretamente relacionadas com a qualidade de vida de uma pessoa. Vários transplantes de tecido autólogo de reconstrução e biomateriais têm vindo a ser usados ao longo de muitos anos, mas têm apresentado várias limitações como por exemplo, a disponibilidade restrita, a dificuldade de contornos tridimensionais e a tolerância e aceitação de tecidos moles. Só recentemente surgiram novos materiais que vieram ajudar a preencher estas lacunas tais como: chapas de titânio de espessuras finas, malhas de titânio 2D, 3D e o polietileno poroso (Figura 18). Figura 18 - Placa de polietileno poroso puro para pavimento orbitário da empresa SynPOR (http://www.synth es.com/sites/intl/BR/portuguese/Documents/10229340240.pdf). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 28 As malhas metálicas "standard" (2D), compostas por barras de conexão em linha reta entre os furos, são fáceis de usar para contornos bidimensionais, mas quando a geometria envolve arestas vivas, é aconselhável recorrer a malhas metálicas 3D. As malhas metálicas que apresentam contornos tridimensionais têm a vantagem de aumentar a estabilidade e a rigidez do implante, melhorando a sua flexibilidade à compressão, distensão e flexão em várias direções. Estas características diminuem a probabilidade de ocorrem deformações provocadas por forças externas e/ou internas (ex: contração da cicatriz, tração muscular) (Janecka 2000). Mas mesmo com a utilização de malhas metálicas 3D, o problema das arestas vivas não é totalmente colmatado, fazendo com que em certos casos, após alguns meses da intervenção cirúrgica, ocorra exposição da malha. Isto acontece por não se dar a regeneração dos tecidos vivos em volta do implante. Como solução deste problema, surgiram as placas de polietileno poroso puro, que criam uma interface entre a placa metálica e os tecidos vivos (Figura 19). O polietileno poroso puro é um material de alta densidade que apresenta excelentes propriedades regenerativas, proporcionando uma maior estabilidade ao implante a longo prazo, e também limita as probabilidades de infeções subsequente. Figura 19 - A) Contorno de uma malha de titânio sobre um modelo de craniano, abrangendo um defeito orbital; (B) Implante de revestimento de polietileno poroso puro moldado ao paciente antes de implantação (Janecka 2000). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 29 Marieta Rocha 2.4.1.1. Fornecedores Mundiais de Malhas Metálicas Com a descoberta da utilidade das malhas metálicas de titânio, são já várias as empresas que têm vindo a desenvolver e a aprofundar o seu estudo, com o objetivo de melhorar a interação do implante com os tecidos, de o tornar o mais leve possível e de permitir que o material seja conformado mais facilmente. É possível encontrar diferentes empresas fornecedoras deste tipo de malhas espalhadas pelo mundo, como por exemplo: a CONMET na Rússia, a Trimed® na Turquia, a O&M medical BIOMET, KLSmartin Group, BioCer e TRINON TITANIUM na Alemanha, a OSTEOMED e a TECOMET nos Estados Unidos da América, a Beijing Hengjie Medical Devices, Changzhou Meditech Trading Co.ltd e a Suzhou Youbetter Medical Apparatus Co. na China.  CONMET CONMET foi uma das primeiras empresas na Rússia a entrar no mundo do desenvolvimento de ferramentas e implantes de titânio no ano de 1993, iniciando a sua conceção e produção graças a uma cooperação frutífera com líderes mundiais na produção de titânio (VSMPO, VIAM, et al.). Encontra-se cada vez mais direcionada para a área médica, desenvolvendo e inserindo no mercado sistemas complexos de implantação no corpo humano (CONMET 2013). Dedicada à produção de dispositivos médicos há mais de 20 anos, conta com o contributo de médicos e engenheiros, que projetam e desenvolvem produtos que ajudam a melhorar a qualidade de vida do ser humano. Em particular desenvolve implantes CMF, produtos de fixação para a coluna vertebral, e implantes dentários. Esta empresa encontra-se apta a vender para a Europa, graças às normas e certificados que apresenta (CE, ISO). Na Tabela 11 são apresentados dois tipos de redes metálicas comercializadas por esta firma. Tabela 11 - Tipos de redes metálicas comercializadas pela empresa CONMET, (Saidas Rafijevas, email recebido da gerente do sector de ventas e Marketing da CONMET, a 26 de Março de 2014). Tipos de redes metálicas de titânio Espessura Dimensões Preço/Unid Manually fitting mesh-plates 0.6mm 120x120 400€ Mesh-plates Flat, Delicate 0.6mm 100x100 165€ 0.3mm 100x100 195€ Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 30 Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 31 Marieta Rocha  Beijing Hengjie Medical Devices Beijing Hengjie Medical Devices, fundada em 2012, é uma empresa chinesa concentrada na conceção e fabricação de implantes ortopédicos, instrumentos ortopédicos e outros produtos médicos. O seu centro de vendas internacional encontrase situado em Pequim, e as suas linhas de produção na província de Jiangsu e na cidade de Tianjin. São várias as redes metálicas que esta empresa apresenta variando as suas geometrias e dimensões como se pode constatar na Tabela 12. Na produção das mini placas e redes metálicas, esta empresa utiliza o TiCp grau II e na produção dos parafusos standard é usado o Ti6Al4V. Respeita ainda as normas ASTM F67 e ASTM F136-2A na escolha do material. Tabela 12 - Redes metálicas comercializadas pela empresa Beijing Hengjie Medical Devices (Michael, gerente regional da B.Hengjie Medical, email recebido, a 8 de Abril de 2014). Tipos de redes metálicas de titânio Espessura Dimensões (mm) Preço/unid Circle hole Titanium Mesh (W0610) 0.6mm 60*80 25€ 80*80 35€ 80*100 47€ 100*100 57€ 100*120 68€ 120*120 81€ 120*150 103€ 140*140 110€ 150*150 140€ Square hole Titanium Mesh (W0620) 0.6mm 60*80 25€ 80*80 35€ 80*100 47€ 100*100 57€ 100*120 68€ 120*120 81€ 120*150 103€ 140*140 110€ 150*150 140€ Hard 3-D Titanium Mesh (W0630) 0.6mm 35*35 15€ 45*45 18€ 60*90 28€ 90*90 44€ 90*100 49€ 100*100 57€ 90*127 63€ 100*127 70€ 127*127 91€ 127*150 110€ Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 32 140*140 110€ 150*150 140€ Soft 3-D Titanium Mesh (W0640) 0.6mm 45*45 18€ 60*90 28€ 90*90 45€ 90*100 49€ 100*100 57€ 100*120 67€ 120*120 81€ 120*150 103€ 140*140 110€ 150*150 140€  Changzhou Meditech Trading Co.Ltd Changzhou Meditech Co.LTD. foi criada em 2005 é uma empresa que se encontra localizada na cidade de Changzhou, cerca de 200 km de Xangai, China. É uma empresa privada especializada na fabricação e exportação de implantes ortopédicos e instrumentos médicos. Os seus principais produtos são sistemas para a espinal medula, sistemas de bloqueio, placas de rede metálica para casos de traumatologia (Tabela 13) e sistemas maxilofaciais (MEDITECH 2013). Com certificação segundo a CE e a ISO 13485, exporta produtos para o Panamá, Argentina, Índia, Egipto, Nicarágua, México, Costa do Marfim entre outros. Tabela 13 - Redes metálicas comercializadas pela empresa Changzhou Meditech CO,LDA (David Zeng, trabalhador na Meditech Trading Co.,ltd., email recebido, a 9 de Abril de 2014). Tipos de redes metálicas de titânio Espessura Dimensões Preço/Unid Extra thin orbital floor plate (0210090102) 0.2mm 100x100mm 76€ 120x120mm 109€ 150x150mm 170€ Extra thin orbital floor plate (0210020102) 0.2mm 100x100mm 76€ 120x120mm 109€ 150x150mm 170€ Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 33 Marieta Rocha  Suzhou Youbetter Medical Apparatus Co. Suzhou Youbetter Medical Apparatus Co., Ltd. é uma empresa internacional de metalurgia fundada em 2004 em Jiangsu Yangzijiang, China. Esta está especializada no desenvolvimento, produção e venda de instrumentos médicos tais como parafusos, sistemas espinhais, redes metálicas (Tabela 14) e instrumentos cirúrgicos, seguindo todas as normas necessárias (Negócios 2013). Tabela 14 - Redes metálicas comercializadas pela empresa Suzhou Youbetter Medical Apparatus Co (Anna Fan, gerente de vendas, email recebido, a 10 de Abril de 2014). 2.4.1.2. Fornecedores Mundiais de Chapa O Titânio é um metal caracterizado por ter uma proporção resistência-peso mais alta do que qualquer outro metal e por apresentar alta resistência à corrosão. Na sua forma pura o titânio é tão resistente quanto o aço e 45% mais leve. Já em relação com o alumínio apesar de ser 60% mais pesado, tem o dobro da sua resistência (ILUKA 2010). Características como estas têm levado a um forte aumento da utilização deste metal, sendo que segundo um relatório apresentado pela empresa ROSKILL em 2013, líder internacional em pesquisas de metais e minerais, é estimando um crescimento do fornecimento de titânio em cerca de 5% por ano até 2018 (ROSKILL 2013). Atualmente pode-se contar com um enorme número de empresas fornecedoras de titânio que lutam diariamente para corresponder às necessidades em expansão deste material. Disponibilizam a sua matéria-prima em várias formas sendo uma delas em chapa. São de seguida apresentadas algumas destas empresas: Tipos de redes metálicas de titânio Espessura Dimensões Preço/Unid Skull Titanium Mesh Related Screw:2.0mm titanium mesh 0.6mm 50x50mm 23€ 60x60mm 33€ 70x70mm 45€ 80x80mm 58€ 90x90mm 76€ 100x100mm 94€ 110x110mm 115€ 120x120mm 136€ 130x130mm 160€ 140x140mm 186€ 150x150mm 214€ Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 34 TIMET Sediada em Exton PA, EUA, desde 1950 que a TIMET tem liderado a indústria em produtos fundidos e transformados, fornecendo quase um quinto da procura de titânio no mundo. São o único fornecedor com instalações de produção, tanto nos Estados Unidos como na Europa, apoiando a sua base de clientes multinacionais (TIMET 2014). Vulcanium Sediada em Hamilton, Ohio, EUA, Vulcanium é uma divisão especializada da United Performance Metals. Esta empresa serve principalmente três mercados distintos em aplicações aeroespaciais e de defesa, implantes médicos e instrumentos cirúrgicos e aplicações industriais (Vulcanium 2014). Tico Titanium INC Sediada em Wixom, Michigan, USA, há mais de 50 anos fornece as mais diversas indústrias. Esta reclama ser a detentora do inventário mais variado de Titânio na América armazenando na sua moderna sede com mais de 6000 metros quadrados de material (TICO 2014). Goodfellow A Goodfellow foi fundada na cidade de Londres no ano de 1946 e está localizada em Huntingdon, Inglaterra, onde se encontram os seus laboratórios de pesquisa, instalações de produção e oficinas. Esta empresa atualmente encontra-se representada em França, Alemanha, Estados Unidos e China(Goodfellow 2014). Sediada em Sala Bolognese, Itália a Titanium International Group Srl pertence a Sefa Holding Group Spa, que é proprietária de outras duas empresas: a SEFA Acciai Srl (armazenista e distribuidora de aços ferramenta) e SEFA Acciai Lavorazioni Meccaniche Srl (trabalhos mecânicos e serviços de corte). A Titanium International Group Srl, tem hoje um acordo com o produtor ThyssenKrupp VDM GmbH, líder mundial na produção de titânio, para garantir o fornecimento desta matéria-prima para o setor aeroespacial. Esta fornece ainda para outras indústrias como por exemplo a indústria médica (TITANIUM 2014). Esta empresa é também responsável pelo fornecimento de titânio no INEGI, sendo que o custo do mesmo está estipulado num valor de 60€ por quilo. Não foi possível de alcançar outros custos referentes aos preços de chapas de titânio, devido à falta de informação disponível nos respetivos sites das empresas e por estes só serem disponibilizados pelas mesmas em circunstâncias de aquisição do material. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 35 Marieta Rocha 2.5. Análise das Matérias-Primas As malhas e chapas de titânio podem caracterizar-se através de análise química, análise microestrutural, por medição de espessuras recorrendo a paquímetros digitais que revelam maior exatidão, e por determinação de dureza. Na realização de uma análise microestrutural é fundamental saber que um metal é formado por uma multidão de pequenos volumes poliédricos designados por grãos, e limitados por superfícies chamadas de juntas de grão. Esta microestrutura granular é posta bem em evidência pela microscopia eletrónica ou pela microscopia ótica. Na presente dissertação o metal de destaque é o TiCp. Este apresenta uma rede cristalina que é definida pela orientação aleatória dos diferentes grãos, sendo por isso o material denominado como policristalino. É também caracterizado como um material monofásico uma vez que todos os cristais que o constituem apresentam uma estrutura e uma composição idênticas (Barralis e Maeder 2005). Na Figura 20 são apresentadas algumas microestruturas do TiCp. Figura 20 - (A) Grãos da fase α do titânio comercialmente puro (99.0%) e algumas partículas de TiH, de fase β provocadas por impurezas, depois de 700 °C/2h. Reagente Kroll. 250X; (B) Grãos da fase α do titânio comercialmente puro (99.0%) e algumas partículas de TiH, de fase β provocadas por impurezas, depois de 700 °C/2h. Reagente Kroll. 250X; (C) Grãos equidistantes recristalizados da fase α no titânio comercialmente puro depois de 850 °C/1h. Reagente Kroll. 250X, com uma hidrogenação de 230 ppm de H (Vander Voort, International, e Committee 2004). Estes métodos de caracterização microestrutural serão utilizados ao longo do trabalho experimental nesta dissertação, sendo que não serão descritos aqui aprofundadamente, por já terem sido expostos em trabalhos anteriores levados a cabo no INEGI, como (Barrigana 2013; Araújo 2012; Félix 2008). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 40 Marieta Rocha se conseguir reduzir os artefactos causados por movimentos respiratórios, peristálticos e até por batimentos cardíacos (Santos e Nacif 2009). Através da radiação emitida durante uma TC, uma imagem é criada numa escala de cinzentos em que cada pixel desta corresponde a diferentes níveis de absorção de raios X. A cada pixel é atribuído um valor numérico denominado de número de TC e encontra-se expresso em unidades Hounsfield (UH), sendo que o osso apresenta o valor mais elevado de Hounsfield quando comparado com a pele e com os tecidos moles, pois absorve a maior parte da radiação. Atualmente, estas imagens são obtidas com 12 bits por pixel de resolução o que representa uma escala com 4096 níveis de cinzento. Na Tabela 15 é apresentada uma lista que aproxima a respetiva escala de cinzentos a determinados elementos. As tonalidades da imagem podem ser ajustadas posteriormente, através de softwares específicos, com o intuito de destacar tecidos de densidade semelhante, para assim, a partir de múltiplas imagens das secções transversais do corpo ser possível reconstruir imagens tridimensionais (Gonçalves 2011). Tabela 15 - Lista que aproxima a escala de cinzentos às diversas densidades apresentadas por diferentes elementos presentes numa TC, com valores de atenuação em unidades Hounsfiel (UH) - adaptado de (Gonçalves 2011; Parthasarathy 2009; Câmara 2012). 3.1.3. Ressonância Magnética (RM) A ressonância magnética (Figura 27) é um método de aquisição de imagem que, ao contrário da radiografia e da TC, não utiliza radiação ionizante, mas explora a magnetização natural do átomo de hidrogénio, para obtenção da imagem médica. Esta explora o fenómeno de todos os átomos possuírem um campo magnético que pode ser afetado por ondas de radiofrequência. Densidade na TC Valores de atenuação Numero CT (HU) Imagem no filme Osso +1000 Branca Fígado 40 a 60 Cinza Médio Massa Branca (Cérebro) 46 Massa Cinzenta (Cérebro) 43 Sangue 40 Músculo 10 a 40 Rim 30 Líquido cefalorraquidiano 15 Água 0 Gordura -50 a -100 Cinza Escuro Ar -1000 Preto Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 41 Figura 27 - Esquema representativo de uma ressonância magnética - adaptado de (http://www.cubadebate.cu/ noticias/2012/03/06/esto-es-lo-que-pasa-cuando-alguien-entra-en-la-sala-de-resonancia-magnetica-con-una-sillade-ruedas/#.U3yQ23mPLIU). Normalmente os átomos têm um alinhamento natural. Quando sujeitos a poderosas ondas de radiofrequência, vão alterar temporariamente o seu alinhamento. No corpo humano, os diferentes tecidos e órgãos apresentam diferentes velocidades de magnetização e desmagnetização. São estas velocidades distintas que definem a intensidade que a estrutura irá apresentar, numa escala de cinzentos, que se inicia no branco e termina no preto (Marques 2013). Como o corpo humano é constituído por cerca de 70 a 75% de água, a RM ao entrar em funcionamento vai captar os núcleos de hidrogénio presente nas moléculas de água dos diferentes órgãos e tecidos, que durante o processo vão absorvendo a energia emitida por radiação, e alterando o seu alinhamento. Quando a radiofrequência é desligada, os átomos regressam ao seu alinhamento natural, libertando a energia absorvida. Essa energia é captada, transformada em corrente elétrica e posteriormente utilizada para a construção das imagens médicas. Tal como no caso da TC, a imagem obtida é apresentada numa escala de cinzentos, em que a sua tonalidade é proporcional à intensidade do sinal. As regiões do corpo que contenham maior concentração de água apresentam escalas de cinzento mais claro as de menos água ou nenhuma apresentam-se mais escuras. Por exemplo, o ar surge quase negro, enquanto a gordura, por possuir grande quantidade de água apresenta-se numa escala cinzenta muito clara (Rocha 2010). A RM torna-se assim, o processo indicado para a avaliação de patologia tumoral, deteção e caracterização de massas, sem restrição de localização. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 42 Marieta Rocha 3.2. Biomodelação Tridimensional A modelação é um processo de reprodução de formas de objetos. Estas formas depois de trabalhadas, dão origem aos “modelos”, que são utilizados para pensar, visualizar, comunicar, prever, controlar, ensaiar, o comportamento de um produto ou sistema. A modelação pode ser do tipo bidimensional (2D) ou tridimensional (3D), sendo que o segundo tipo tem sido muito mais utilizado nos tempos correntes (Rodrigues 2010). São já vários os sistemas de CAD 3D (Computer Aided Design 3 Dimension) que permitem processar e modelar imagens retiradas de produtos sólidos já existentes para criar novos produtos, processo este que se denomina de “Engenharia Inversa”. “A engenharia inversa é um método que constrói modelos CAD, a partir de modelos físicos. O processo inicial consiste na aquisição da informação e no processamento dessa informação, para gerar um modelo CAD” (Marques 2013). A engenharia inversa é também aplicada à área médica, no momento em que um modelo virtual de uma parte do corpo humano é construída em sistemas CAD 3D com o intuito de produzir um modelo físico útil na preparação de uma cirurgia complexa ou até mesmo para o desenvolvimento de uma prótese (Borzan et al. 2013). Este processo aplicado na medicina, segue um conjunto de passos, que estão representados na Figura 28. Figura 28 - Processo de modelação 3D na medicina - adaptado de (Borzan et al. 2013, Marques 2013). Para a realização do Scan do Paciente, os diferentes métodos de imagiologia já foram retratados anteriormente, mas é importante referir que, a TC é o método ideal para modelação tridimensional, por permitir alcançar um maior contraste nas imagens obtidas, sendo mais fácil a realização do processo de segmentação onde se separa o osso e os tecidos moles. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 43 Como tal será o processo retratado daqui em diante, uma vez que para o desenvolvimento de próteses CMF é necessário obter a estrutura craniana, de onde se pretende destacar a estrutura óssea. 3.2.1. Aquisição dos Dados (DICOM) A aquisição de imagens por tomografia computadorizada, é obtida através de cortes axiais na região do corpo pretendida. Para a aquisição destas, o equipamento deve estar ajustado com a menor espessura possível, pois quanto menor esse valor, melhor será a qualidade do modelo físico a criar (Queijo et al. 2009). Estas imagens devem obedecer às normas internacionais do padrão DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine). O DICOM é hoje o nome de um formato universal para imagens médicas que foi criado em 1989 num comité formado por representantes do American College of Radiology (ACR) e pela National Electrial Manufactures Association (NEMA). Surgiu com o intuito de desenvolver um conjunto de normas universais para o tratamento, armazenamento e transmissão da informação médica num formato eletrónico que fosse compatível com todas as marcas, modalidades e modelos futuros de equipamentos e softwares de imagem (Flanders e Carrino 2003). Quando se procede à colheita das imagens 2D de uma TC, elas são colocadas numa matriz de 512x 512 pixels, a uma escala de cinzentos de 16 bits por pixel. São gravadas posteriormente num disco compacto em formato DICOM e JPEG sendo diretamente importadas para um ou vários software de processamento de imagens médica. Um ficheiro DICOM, para além de conter um conjunto de imagens (“slices”) obtidas pela TC, apresenta também um documento que armazena informações como: o nome do paciente, o tipo de varrimento utilizado, as dimensões da imagem, etc. Assim, quando se procede à importação destes ficheiros para um determinado software toda essa informação é apresentada (Parthasarathy 2009). 3.2.2. Segmentação de Dados Os avanços a nível da computação gráfica o do processamento de imagens médicas, têm vindo a revolucionar a imagiologia médica, graças à possibilidade de exibição e visualização de objetos 3D em diferentes ângulos e distâncias, cores, iluminação e propriedades de superfícies. Após a aquisição das IM, estas são introduzidas num programa onde passam por um processo de segmentação, filtragem e reconstrução 3D com o horizonte na obtenção Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 44 Marieta Rocha de um modelo virtual dos tecidos moles ou da estrutura óssea do paciente. São várias as empresas que fabricam softwares capazes de cumprir estas funções tais como as presentes na Tabela 16. Tabela 16 - Software de visualização e processamento de imagens médicas 3D - adaptado de (Antonio e Foggiatto 2011; Marques 2013) e de http://pixmeo.pixmeo.com/; http://www.simpleware.com/software/scanip/). Desenvolvido por Softwares Notas Materialise Mimics® Pago Analyze AVW AnalyzeDirect Pago Anatomics Biobuild Pago CTI (Centro de Tecnologia de Informação Renato Archer) InVesalius® Gratuito Pixmeo Osirx® Gratuito (Só funciona em software da Apple) Simpleware ScanIP® Pago Able Software Corp. 3D-DOCTOR Pago O processamento de imagens 3D, pode ser desenvolvido por qualquer um dos softwares apresentados anteriormente, e que apresentam características comuns nas suas funções. No momento da segmentação de uma imagem, estes softwares disponibilizam comandos que podem ser usados para ajustar contrastes, editar medidas, fazer crescer regiões, realizar simetrias, reconstrução 3D, atribuir nomes a diferentes partes ósseas, tecidos, etc., de visualizar objetos individuais ou em conjunto, de atribuir características de transparência aos objetos entre outros (Parthasarathy 2009). 3.2.2.1. Software Mimics Como exemplo dos diversos passos a seguir num processo de segmentação de dados, o software utilizado e demostrado aqui será o Mimics® criado pela empresa Materialise, que apresenta bons antecedentes de funcionamento e resultados e por ser o software disponível no INEGI.  Import Image Inicialmente, cria-se um novo projeto, onde as imagens devem ser importadas do diretório dos arquivos DICOM. Na janela que surge é possível escolher qual o ficheiro DICOM a utilizar, tendo em conta as suas características (Figura 29). É vantajoso selecionar o ficheiro com o maior número de slices, uma vez que se obterá posteriormente uma melhor qualidade de reconstrução 3D. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 45 Figura 29 - Importação de um ficheiro DICOM - adaptado de Mimics®.  Check Orientation Após a seleção do DICOM a trabalhar, será necessário definir os parâmetros de orientação da imagem para criar uma leitura mais eficaz das diferentes vistas entre os médicos e os respetivos softwares. Normalmente estão definitas segundo o plano axial, sagital e coronal (Figura 30). Figura 30 - Layout de definição das orientações das imagens - adaptado de Mimics®. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 46 Marieta Rocha No layout do software Mimics® as linhas de orientação dos planos dentro das imagens estão definidos pelas letras "L", "R", "A", "P", "T" e "B", que significam Esquerda-Direita (Left-Right), Anterior-Posterior, e Superior-Inferior (Top-Bottom) (Figura 31). Figura 31 - Planos de aquisição de imagens por TC e respetivas direções - adaptado de Tutorial Mimics®. Depois de todas as orientações definidas, o Layout da área a trabalhar surgirá e as respetivas edições podem ser iniciadas (Figura 32). Figura 32 - Layout do software Mimics - adaptado de Mimics®. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 47  New Mask Para se começar a trabalhar nas imagens, inicialmente é necessário criar uma máscara (Figura 33). Uma máscara é um conjunto de pixels da mesma cor, onde todas as ações (“editing”, “region growing”, ...) e cálculos (cálculos 3D, STL, ..) se baseiam. Podem ser criadas mais do que uma máscara, consoante as áreas de trabalho pretendidas, e edições feitas. Figura 33 - Área de localização das máscaras e respetivo comando de criação - adaptado de Mimics®.  Thresholding Ao criar uma nova Máscara, automaticamente surge a barra do "thresholding" (Figura 34). O Thresholding é um passo essencial para definir a primeira segmentação de um objeto, através da seleção dos valores limites de intensidade de uma imagem. Estes valores correspondem a unidades HU, já estipuladas para os diferentes tecidos, como se viu anteriormente. Figura 34 - Escala do Thresholding - adaptado de Mimics®. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 48 Marieta Rocha O objeto pode ser definido com base num:  Limite inferior - contém todos os pixels com um valor superior ou igual ao valor mínimo estipulado;  Limite inferior e superior – apresenta os pixels que se encontram entre dois valores estipulados;  Limite pré-definido - permite selecionar um valor específico para um determinado tecido.  Editing in 2D/3D Para a edição da imagem, é essencial delimitar a área de interesse do resto. As técnicas utilizadas para selecionar o objeto de estudo podem ser do tipo de edição 2D ou 3D. Quando a edição é bidimensional, é possível trabalhar numa slice de cada vez no comando “Edit Mask” ou em várias ao mesmo tempo no comando “Multiple Slice Edit” (Figura 35), sendo possível criar interpolações entre duas “slices”. Na edição tridimensional no comando “Edit mask in 3D” uma caixa de seleção é criada onde é possível ajustar a uma área específica. Este segundo comando não é tão preciso como o 2D na qualidade da imagem a obter posteriormente. Figura 35 - Representação dos diferentes comandos de edição - adaptado de Mimics®.  Region Growing "Region growing" é uma ferramenta que permite separar a segmentação criada pelo "Thresholding" em vários objetos e realiza a eliminação de estruturas que não ficam ligadas. Essas estruturas são pixels que se encontram desconectados e que são posteriormente ligados a camadas circundantes. A utilização deste comando é essencial para a diminuição do ruído na imagem.  Calculate 3D O "Calculate 3D from Mask" cria um objeto 3D a partir de uma máscara. Esta é construída através da seleção dos contornos do objeto em cada slice e pelo seu enchimento. A qualidade do enchimento pode ser definida como baixa, média, alta, etc. (Figura 36). De notar que a qualidade alta nem sempre é a mais adequada uma vez que se criam ficheiros com um número elevado de pixels que sobrecarregam os documentos e aumentam o tempo de edição. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 49 Figura 36 - Seleção de uma máscara e respetiva qualidade para reconstrução 3D - adaptado de Mimics®. Após aplicar o “calculate” a reconstrução 3D do modelo surge no canto inferior direito do Layout como se pode constatar na Figura 37. Figura 37 - Representação da seleção dos contornos nas diferentes vistas e respetiva construção 3D - adaptado de Mimics®.  Bolian Operation A operação "Boolean" (Figura 38), permite realizar diferentes tipos de combinações entre duas máscaras como subtrair, intersectar, unir etc. É uma ferramenta muito útil pois reduz o tempo de trabalho quando existe necessidade de trabalhar com duas áreas distintas. Figura 38 - Ferramenta do Boolean Operations - adaptado de Mimics®. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 56 4.1.1. Fabrico Aditivo Nos dias de hoje assiste-se a um aumento significativo dos diferentes processos de fabrico existentes no mercado. Isto tem gerado a necessidade e um esforço constante no desenvolvimento de novas formulações que possam melhorar a caracterização das propriedades e funções destes processos, uma vez que as definições existentes se tornam limitadoras quando novas aplicações são implementadas nos equipamentos. Em particular, têm ocorrido discussões substanciais sobre a junção de duas nomenclaturas, a de Prototipagem Rápida (PR) e a de Fabrico Rápido (FR) do inglês Rapid Prototyping (RP) e Rapid Manufacturing (RM) para uma única definição, conhecida como Fabrico Aditivo (FA) (Additive Manufacturing (AM)). Esta nova nomenclatura é já aceite pela American Society for Testing and Materials com a norma ASTM F2792 (Manfred 2014). São já várias as definições existentes sobre o processo de fabrico aditivo sendo por exemplo descrito no livro de (Gibson, Rosen, e Stucker 2010) como: "Fabrico aditivo é definido por um conjunto de tecnologias capazes de transformar os dados de um modelo sólido virtual num modelo físico através de um processo rápido e fácil. Os dados são divididos numa série de secções transversais 2D, de espessura finita. Estas secções são introduzidas nas máquinas de AM, para que possam ser combinadas e adicionadas em sequência, camada por camada de forma a produzir um modelo físico". É também conhecido como o processo que constrói objetos físicos a partir de modelos de computador de forma automática e sistémica por adição de material. Esta técnica baseia-se na divisão de um modelo CAD 3D em várias secções transversais, que são produzidas camada a camada por deposição de material (Figura 44) (Derrick 2013). Figura 44 - Metodologia de fabrico aditivo: (A) geometria básica gerada por computador, (B) geometria por camadas - adaptado de (http://upload.wikimedia.org/wikipedi/comm ons/9/9c/Rapid_prototyping_slicing.jpg). Como forma de entender melhor esta tecnologia numa configuração mais detalhada e oficial, a norma ASTM F2792-12 divide-a em diferentes processos como os apresentados na Tabela 18. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 57 Marieta Rocha Tabela 18 - Diferentes processos característicos do fabrico aditivo segundo a norma ASTM F2792-12 - adaptado de (Manfred 2014). O fabrico aditivo recentemente introduzido no campo da medicina, quando comparado com a longa utilização em várias aplicações da engenharia, tem provocado numerosas pesquisas em diversos sectores tais como:  Planeamento cirúrgico O fabrico aditivo tem provado ser bastante benéfico no auxílio do planeamento cirúrgico, graças à criação de modelos físicos que proporcionam ao médico e à sua equipa uma ajuda visual usada para planear melhor uma cirurgia (Figura 45). Figura 45 - Modelo produzido em SL que ajudou no planeamento cirúrgico de dois gémeos siameses unidos pela cabeça. A transparente estão representadas as caixas cranianas e a vermelho os vasos sanguíneos (http://www.interempresas.net/ Plastico/Articulos/7979-La-estereolitografia-salva-la-vida-de-dos-siameses.html). Processo Descrição Exemplo Fabrico Aditivo Photo-polymerization Um fotopolímero líquido é curado seletivamente por um aparelho fotopolimerizador Estereolitografia (SL) Material Jetting Gotas de material de construção são depositados de forma seletiva PolyJet Binder Jetting Um agente de ligação líquido é depositado seletivamente sobre materiais em pó solidificando na sua junção ZPrinter Material Extrusion O material é seletivamente distribuído através de um injetor Fused Deposition Modeling (FDM) Powder Bed Fusion Energia térmica funde seletivamente diferentes camadas de material em pó Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Directed Energy Deposition Energia térmica é utilizada para fundir o material até ao seu ponto de fusão à medida que vai sendo depositado Electron Beam Welding (EBW) Sheet Lamination Folhas de material são ligadas de forma a formar um objeto Mcor Technologies printers Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 58 Estes são usados para estudar a estrutura óssea do paciente, para diminuir o tempo, o risco e o custo da cirurgia, ajudando a prever problemas que possam surgir e assim facilitar a realização de um diagnóstico de qualidade. Estes modelos são especialmente benéficos em cirurgias onde existem anomalias e deformidades anatómicas, como o caso de algumas cirurgias cardíacas e CMF sendo já estimado por parte de alguns cirurgiões que o uso destes modelos reduz o tempo de operação numa média de 18%;  Educação e formação médica Os modelos proporcionam uma melhor demonstração das estruturas externas e internas da anatomia humana e podem ser feitos em várias cores, para que sejam usados como um auxiliar de ensino em pesquisas e educação médica. São muito utilizados por estudantes de medicina ou jovens médicos para os auxiliar a compreender melhor os problemas ou procedimentos cirúrgicos sem ter de se causar desconforto a um paciente;  Projeto e desenvolvimento de dispositivos médicos e instrumentação Outra aplicação do FA está na fabricação de dispositivos médicos e instrumentos. Estas técnicas são usadas para projetar, desenvolver e fabricar dispositivos médicos e instrumentos, como exemplo de aparelhos dentários, aparelhos auditivos e ferramentas de apoio cirúrgico;  Fabrico de implantes à medida do paciente Tecnologias de FA são capazes de produzir implantes à medida do paciente, pois apresentam a capacidade de fabricar geometrias complexas num espaço de tempo muito curto a custos razoáveis. A utilização destes implantes torna o processo muito mais preciso e diminui os riscos de complicações futuras comparativamente a implantes convencionais;  Ortóteses Há sempre os pacientes com necessidades especiais causadas por doenças ou mesmo por deficiências genéticas. Com o auxílio do FA, torna-se possível o fabrico de uma ortótese personalizada que encaixa precisamente no paciente a um custo razoável;  Criminologia O FA pode ser uma ferramenta benéfica para investigação criminal, especialmente em casos de homicídios, onde é muito importante reconstruir a cena do crime para investigação (Sushant 2014).Por exemplo, no caso de uma vítima que tenha sido atingida numa zona de difícil análise visual (interior do crânio), um modelo pode ser criado facilitando a sua análise. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 59 Marieta Rocha  Estruturas de apoio à engenharia de tecidos A engenharia de tecidos utiliza células como matrizes biológicas ou artificiais (“Scaffolds”) que se caracterizam por estruturas porosas que podem ser criadas por FA através de técnicas como SLS, 3DP e FDM (Figura 46) e funcionam como um substrato de adesão às células vivas, fornecendo um suporte mecânico e orientação temporária ao crescimento dos tecidos em ossos danificados os defeituosos. Figura 46 - Esquema representativo da obtenção de um implante "Scaffold" à medida do paciente - adaptado de (http://www.eng.nus.edu.sg/EResnews/0406/rd/rd_3.html e de http://www.moldesinjecaoplasticos.com.br/prototi pagem.asp). Atualmente existem diversas técnicas de FA com base na sinterização especial, sinterização por camadas ou por métodos de deposição tais como a estereolitografia (SL), sinterização seletiva por laser (SLS), sinterização direta de metal por laser (DMLS), deposição de material fundido (FDM), impressão tridimensional (TDP) e fusão por feixe de eletrões (EBM). Cada uma destas técnicas apresenta as suas limitações e aplicações na construção de protótipos como a espessura, dimensões, etc. (Tabela 19). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 60 Tabela 19 - Características técnicas de equipamentos de FA comercializados (Sushant 2014). Todas estas técnicas podem ser classificadas de acordo com o estado inicial da matéria-prima a utilizar que pode ser líquido, sólido ou em pó. Os sistemas que utilizam matéria-prima líquida são restritos apenas para o uso de resinas poliméricas, enquanto os que utilizam matérias-primas sólidas podem utilizar materiais tais como cera, poliéster, policarbonato entre outros. Os processos em que o material é usado em forma de pó apresentam uma enorme vantagem sobre os anteriores, uma vez que a variedade de materiais disponíveis é muito ampla, envolvendo nylon, poliamida, poliamida com esferas de vidro, poliestireno, elastómeros, cerâmicas e ligas metálicas (Jardini et al. 2011). Uma vez que esta dissertação está focada no estudo de próteses CMF metálicas, os métodos de FA aqui retratados, foram maioritariamente os processos que utilizam materiais metálicos. No entanto é feita também referência ao processo de estereolitografia, uma vez que este desempenha um papel fundamental na produção de modelos SL que auxiliam a produção de próteses metálicas através de outros processos de fabrico como é o caso da conformação plástica. 4.1.1.1. Selective Laser Sintering (SLS) Por volta da mesma altura que a estereolitografia, apareceu um outro processo: sinterização seletiva por laser do inglês Selective Laser Sintering (SLS) patenteada por Carl Deckard no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Texas em Austin. Entrou nos mercados em 1992 pela DTM, nos E.U.A, e pela E.O.S na Alemanha em 1994 e pertence à classe da ASTM: Powder Bed Fusion (Manfred 2014). Processo Espessura da camada (µm) Precisão (µm) Dimensões máximas (mm3) Velocidade de digitalização (mm/s) Custo do equipa- -mento (€1000) Técnicas de FA (disponível desde) SL (1987) Foto polimerização 50 ± 100 500 X 500 X 584 N/D 185-317 SLS (1991) Sinterização de Pó 76 ± 51 330 X 380 X 425 0.001-0.008 308-449 FDM (1991) Extrusão 50-762 ± 127 254 X 254 X 254 380 123 3DP (1998) Impressão por jato de tinta 177 ± 127 355 X 457 X 355 0.005-0.007 N/D LOM (1990) Laminação de papel 76-203 ± 127 813 X 559 X 508 508 (velocidade de corte) 148-191 Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 61 Marieta Rocha O SLS é um processo aditivo que usa um laser de CO2 para sinterizar seletivamente uma fina camada de pó onde as espessuras podem variar entre 20 e 100 mícrons. Esse pó não está restrito a um pó específico, podendo este ser de diversas naturezas: polimérico, metálico, cerâmico ou materiais compósitos (Sushant 2014). O processo inicia-se numa câmara de construção pré-aquecida, onde é depositada uma fina camada de pó na plataforma de trabalho, que vai aquecer até uma temperatura ligeiramente abaixo do ponto de fusão. De seguida, um feixe de laser varre a superfície do pó e ao incidir nas partículas vai provocando a fusão parcial da interface do pó, originando assim uma estrutura sólida parcialmente porosa da secção do modelo. A plataforma de trabalho desce, outra camada de pó é nivelada e o processo repete-se até o protótipo estar completo (Figura 47) (Manfred 2014). Figura 47 - Esquema do princípio de funcionamento do processo de sinterização seletiva a laser (SLS) - adaptado de (Manfred 2014). Fusão seletiva por Laser (SLM) O processo de SLS obriga a que os pós em utilização sejam submetidos a elevadas temperaturas, mas nunca superiores à temperatura de fusão do próprio material. Mas por vezes, aparecem casos onde o pó do material atinge o ponto de fusão provocado pela incidência do laser. Nestes casos deixa-se de estar num processo de SLS e passa-se a chamar processo de fusão seletiva a laser (SLM), do inglês Selective Laser Melting (Bertol 2008), sendo esta a única diferença no desenvolvimento do fabrico de um para o outro. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 62 Sinterização direta de metal por laser (DMLS) Tendo por base o princípio de sinterização a laser, o processo de sinterização direta de metal (DMLS) surgiu com a necessidade crescente da obtenção de peças metálicas mais complexas e com melhor resolução, sendo a empresa EOS GmbH, na Alemanha, a primeira empresa europeia a lançar uma tecnologia deste tipo, introduzindo o seu primeiro equipamento em 1994 (Bertol 2008). De uma forma similar ao processo SLS, as áreas selecionadas do pó metálico são sinterizadas por um laser em atmosfera inerte, não sendo necessária a utilização de ligantes. O material solidifica, uma nova camada de pó é adicionada, possibilitando ao laser varrer novamente as áreas desejadas. Desta maneira, camada por camada, o modelo sólido vai sendo construído. Mas apesar de se processar da mesma forma, o DMLS apresenta algumas vantagens sobre o processo SLS tais como:  Apresenta uma maior resolução de detalhe e permite a produção de peças mais complexas. Tal é proporcionado pela utilização de menores diâmetros dos pós metálicos que permitem obter espessuras de camadas muito pequenas.  Tem a capacidade de processar pós de titânio e outros tipos de pós metálicos diretamente na máquina, sem a utilização de ligantes;  As peças não necessitam de pós-tratamento (Jardini et al. 2011). Hoje em dia, uma grande variedade de ligas utilizadas na área médica estão disponíveis para se utilizar em processos de DMLS, como por exemplo as ligas leves de titânio como a Ti6Al4V e o Ticp sendo possível a criação direta de implantes (Figura 48). Figura 48 - Fabricação de implante craniofacial por sinterização direta de metal por laser, (A) Matéria-prima em pó, (B) Processo DMLS, (C) Implante aplicado num modelo - adaptado de (Jardini et al. 2011). Na reparação CMF foram já relatados vários casos de aplicação de próteses bem sucedidas produzidas pelo processo DMLS. Drstvensek, em (Jardini et al. 2011) reporta dois casos clínicos de próteses produzidas em Ti-6Al-4V que foram implantadas com sucesso. No primeiro caso (Figura 49) a funcionalidade da prótese era corrigir uma assimetria grave na face do doente já no segundo caso (Figura 50) a função do implante era a de reconstruir uma ausência óssea no crânio. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 63 Marieta Rocha Figura 49 - (A) Modelo virtual da região a ser reconstruída, (B) Implante fabricado por DMLS (Jardini et al. 2011). Figura 50 - (A) Prótese fabricada por DMLS aplicada num modelo com o defeito, (B) Resultado de inspeção geométrica virtual (Jardini et al. 2011). Outro caso de sucesso da implementação de uma prótese de titânio, é relatado no jornal da Unicamp (Silva 2013). Marcelo Magno de 28 anos em 2011 sofreu um acidente de mota que lhe provocou uma fratura craniana grave. Hoje vive com uma prótese de titânio implantada do lado direito da cabeça (Figura 51), fabricada em DMLS no Laboratório Biofabris em Campinas, Brasil. Figura 51 - Desenho do modelo da prótese em computador e respetiva prótese fabricada em DMLS acoplada no modelo do crânio (Silva 2013). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 64 4.1.1.2. Electron Beam Welding (EBW) Fusão por feixe de eletrões, citado na literatura como EBW, do inglês Electron Beam Welding é um processo que foi desenvolvido pelo físico alemão Karl-Heinz Steigerwald, que trabalhava com várias aplicações de feixe de eletrões. Este é um processo de soldadura por fusão que cria objetos metálicos sólidos a partir de pó metálico, pertencente ao grupo Directed Energy Deposition definido pela ASTM. O pó é distribuído uniformemente na área de trabalho, depois é pré aquecido até uma temperatura específica (dependendo do material) e por fim um feixe de eletrões de alta velocidade é aplicado ao material fazendo o varrimento da geometria exata do modelo 3D (Figura 52). As peças em trabalho fundem devido à energia cinética dos eletrões para provocarem calor com o impacto. O processo é repetido camada a camada até ficar finalizado (Parthasarathy et al. 2010). Figura 52 - Processo de fusão por feixe de eletrões, EBM - adaptado de (http://www.joiningtech.com/industryreferences/welding-types/electron-beam-welding). Os modelos são construídos em ambiente de vácuo a elevadas temperaturas o que permite ao material aliviar as tensões internas obtendo, assim, melhores propriedades do que por exemplo em peças obtidas por fundição. O pó que não é fundido serve de estrutura de suporte. Electron Beam Melting (EBM) Baseado neste processo e princípio a empresa Arcam AB, situada na cidade de Mölndal na Suécia desenvolveu um processo de FA de metal conhecido com Eletron Beam Melting (EBM) capaz de produzir peças metálicas densas e porosas (Parthasarathy et al. 2010). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 65 Marieta Rocha Este método é hoje muito requisitado pela medicina, por conseguir processar diretamente um projeto de um implante CAD num modelo físico de metal, em particular por permitir a produção de implantes feitos por medida que colmatam uma qualquer falha óssea, partindo de dados de uma TC. O material mais utilizado neste processo é o Ti6Al-4V (com um nível de oxigénio de 0,13 %) (Lehman e Casap 2014) por ser um material biocompatível com o corpo humano como estudado já anteriormente. São já vários os casos de sucesso de implantes fabricados por este processo e implantados em pacientes. É o caso, relatado pelo médico Jules Poukens (Poukens et al. 2010) de uma paciente que sofreu um traumatismo provocado por um acidente de carro, que foi submetida a uma cirurgia para remover grande parte do osso do crânio que estava a provocar grandes pressões sobre o cérebro. Assim como forma de colmatar esta falha foi desenvolvida uma prótese por EBM que foi implantada com sucesso (Figura 53). Figura 53 - Implante obtido pelo processo EBM: (A) Design do Implante do Crânio em CAD (B) Ajuste do implante de titânio (C) Abertura do couro cabeludo (D) Aplicação do implante - adaptado de (Poukens et al. 2010). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 72 São já várias as formas de obtenção de implantes CMF obtidos por este processo, a título de exemplo, na patente de Antonyshyn, Edwards e Mainprize (2012) é descrito um processo de conformação plástica de uma malha metálica onde são incorporados no molde pinos que ajudam a fixar a malha metálica, não a deixando escorregar no momento da compressão (Figura 59), (Figura 61) e (Figura 62). Figura 60 - Representação esquemática do processo de estampagem com pinos - adaptado de (Antonyshyn, Edwards, e Mainprize 2012). Figura 61 - Vista de topo de malha metálica, depois de ser fixada na matriz - adaptado de (Antonyshyn, Edwards, e Mainprize 2012). Figura 62 - (A) Malha metálica conformada depois de ser removida do molde; (B) Malha metálica cortada com a forma do implante - adaptado de (Antonyshyn, Edwards, e Mainprize 2012). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 73 Marieta Rocha Um doente que sofria de uma infeção no osso frontal do crânio necessitou de ser submetido a uma cirurgia, onde lhe foi removido o osso biológico e aplicada uma prótese feita em malha metálica pelo processo de estampagem. Na Figura 63 está representada toda a sequência do processo desde a aquisição da TC até ao momento da cirurgia. Figura 63 - (A) TC 3D do defeito do osso craniano, (B) Punção e matriz, (C) Malha conformada (D) Aplicação cirúrgica - adaptado de (Antonyshyn, Edwards, e Mainprize 2012). 4.1.2.2. Estampagem Incremental (ISF) O desenvolvimento de processos de FA que utilizam uma abordagem de conformação plástica incremental sofreu um grande desenvolvimento na última década (Rodrigues 2013). Normalmente, o processo de estampagem convencional de chapas metálicas, que tem por base a utilização de prensas e respetivas ferramentas (punção/matiz), é implementado quando se pretende produzir grandes quantidades de componentes durante um curto intervalo de tempo. No entanto, existem situações em que o número de peças a produzir é pequeno ou mesmo único, como o caso do desenvolvimento de próteses à medida do paciente, não se justificando economicamente a utilização de prensas hidráulicas ou mecânicas convencionais. Nestes casos, uma abordagem alternativa possível é a utilização de processos de estampagem incremental (ISF), economicamente viáveis para a produção de pequenos lotes (Sena, Sousa, e Valente 2011). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 74 A ideia original de produzir peças por um processo de conformação sem matriz aplicando uma ferramenta (chamado de “dieless forming”) foi patenteado por Leszak nos Estados Unidos da América em 1967, sendo que naquele tempo a tecnologia não estava suficientemente desenvolvida para tornar o processo eficaz. Mais tarde em 1993, graças aos avanços tecnológicos e com implementação do controlo numérico por computador (CNC) em equipamentos de FA, foi introduzido no Japão por Matsubara o processo de estampagem incremental de chapas (ISF). A conformação incremental de chapas pode ser feita em qualquer fresadora universal desde que tenha no mínimo um sistema de controlo CNC de três eixos. No processo, a chapa plana a conformar é fixa num suporte com cerra-chapas e é deformada plasticamente de forma gradual pelo contacto com uma ferramenta de haste cilíndrica ou cilíndrico-cónica e ponta de geometria esférica ou hemisférica. O contacto com a chapa faz-se, portanto, com uma pequena região da ferramenta que muda de local conforme o movimento imposto (Figura 64) (Lopes 2013). Figura 64 - Elementos básicos necessários para a conformação incremental de chapa (ISF) (Lopes 2013). Métodos de conformação O processo de conformação associado à estampagem incremental pode ser realizado por configurações distintas (Figura 65), mas estabelecidas pelos dois tipos gerais de conformação, a conformação negativa e a conformação positiva. Cada tipo traduz um método de execução do ISF: o processo de estampagem incremental de ponto único – Single Point Incremental (SPIF) – e o processo de estampagem incremental de dois pontos – Two Point Incremental Forming (TPIF) – respetivamente. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 75 Marieta Rocha Figura 65 - Configurações distintas do Processo de ISF - adaptado de (Jovani 2010).  Estampagem Incremental de Ponto Único Na estampagem incremental de ponto único, não é utilizada qualquer matriz. À medida que a chapa inicialmente plana é estampada obtém-se uma cavidade por deslocamento da ferramenta sobre a chapa metálica (no caso de se utilizar um centro de maquinagem), sendo que a zona do perímetro da chapa se mantém fixa por ação do cerra-chapas (Figura 66)(Rodrigues 2013). Figura 66 - Estampagem Incremental de ponto único sem apoio inferior (Jovani 2010) Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 76  Estampagem Incremental de Dois Pontos Na configuração mais comum do processo TPIF, a chapa metálica é presa no cerrachapas, que se move verticalmente através de guias ao longo do eixo dos z, à medida que uma ferramenta força a chapa metálica num ponto. No centro da chapa existe um apoio estático que pode ser uma matriz parcial ou total que define um segundo ponto (Figura 67) (Lopes 2013). Figura 67 - Estampagem Incremental de dois pontos com suporte inferior específico (Jovani 2010). A estampagem incremental aplica-se principalmente a pequenos lotes, a peças especiais, a protótipos e a produtos personalizados. Sendo assim, a ISF torna-se uma área importante para a medicina, uma vez que as diferenças antropométricas entre os indivíduos são naturais e cada um necessita de um produto com características próprias. São recentes os estudos realizados na produção de próteses CMF por este processo. A título de exemplo Castelan Jovani (2010) descreve o processo de obtenção de uma prótese craniana recorrendo ao processo de estampagem incremental de ponto único com auxílio de um apoio inferior negativo (Figura 68). Figura 68 - Etapas do processo de ISF de uma prótese craniana. 1) Imagens de uma TC; 2) Modelo STL; 3) Modelo STL melhorado, específico da região do implante; 4) Simulação do processo de maquinagem do molde inferior; 5) Molde inferior maquinado; 6) Estampagem incremental da chapa;(Jovani 2010). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 77 Marieta Rocha Já Rogério Araújo (2013) recorre ao mesmo processo para desenvolver uma prótese facial mas sem recorrer a qualquer tipo de apoio (Figura 69). Figura 69 - Fases do processo de ISF de uma prótese orbital. a) Modelo CAD 3D do crânio e da prótese b) Geometria do modelo real do implante da face c) Geometria simplificada para o processo de ISF d) Representação esquemática da peça conformada por SPIF e respetiva remoção e) Fotografia do implante - adaptado de (Araújo et al. 2013). Qualquer um destes casos são baseados em casos reais de doentes que sofreram perda óssea, no entanto nenhum deles foi ainda aplicado a nível cirúrgico. 4.1.2.3. Estados de Deformação As tecnologias de conformação plástica dos metais tiveram um desenvolvimento apreciável na última década, com a utilização de novos métodos e meios experimentais de análise dos processos por deformação plástica. Torna-se fundamental compreender alguns conceitos utilizados neste tipo de análise experimental de deformações como é o caso do diagrama dos estados de deformações e o conceito de Curva Limite de Estampagem (CLE) do inglês Forming Limit Diagrams (FLD) (Santos, Duarte, e Rocha 2005). Diagrama dos Estados de Deformação A representação dos estados de deformação num diagrama necessita de três variáveis, as deformações logarítmicas Ɛ1, Ɛ2, Ɛ3. No entanto, a condição de incompreensibilidade (Ɛ1+Ɛ2+Ɛ3=0) reduz este espaço a duas variáveis independentes. É assim possível, representar todos os modos de deformação no plano das deformações principais Ɛ1, Ɛ2, como se pode verificar na Figura 70. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 78 Figura 70 - Estado de deformação geralmente encontrado num processo de estampagem (Santos, Duarte, e Rocha). Neste diagrama dos estados de deformação distinguem-se dois domínios correspondentes a modos de solicitação distintos:  Domínio de Extensão  Domínio de Expansão De notar que estes domínios estão intimamente relacionados com o modo como é executada a estampagem. Como tal, uma estampagem sem cerra-chapas, conduz a deformações predominantes de extensão, enquanto, uma estampagem com recurso a um cerra-chapas conduz a deformações predominantes de expansão(Santos, Duarte, e Rocha 2005). Curva limite de estampagem CLE Quando se pretende obter sucesso num processo de estampagem é fundamental ter em atenção os parâmetros experimentais a selecionar. No entanto, esses parâmetros são numerosos e complexos (atrito, folga punção-matriz, lubrificante, configurações das ferramentas, pressão do cerra-chapas, velocidade do punção etc.. Todos estes parâmetros explicam por si só o sucesso da noção de curva limite de Estampagem (CLE) A CLE foi introduzida por Keeler e Godwin, nos anos sessenta para caracterizar a “formabilidade” das chapas finas ou seja a sua aptidão para a deformação plástica. Estes autores constataram que era possível definir no plano de deformações principais Ɛ1, Ɛ2, uma curva separando o domínio das deformações admissíveis do domínio das deformações de rotura. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 79 Marieta Rocha As curvas são determinadas experimentalmente em laboratório a partir de ensaios mecânicos que simulam as condições de estampagem, apresentando diferenças valores consoante o material em causa (Santos, Duarte, e Rocha 2005). Na Figura 71 seguinte é apresentado a CLE caracteristica dos metais. Figura 71 - Diagrama da Curva Limite de Estampagem dos metais - adaptado de (http://lib.znate.ru/docs/index99986.html). Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 80 2ºPARTE TRABALHO EXPERIMENTAL Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 81 Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 88 Marieta Rocha d. Soft 3-D Titanium Mesh Esta malha apresenta a mesma geometria que a Skull TM, mas difere na espessura que nesta é de 0.6mm e também no seu padrão que se repete mais vezes para a dimensão de 150x150mm podendo dizer-se que se encontra mais refinada (Figura 78). Foi adquirida também à empresa Beijing Hengjie Medical Devices que a caracteriza como sendo uma malha de alta elasticidade, fácil de moldar, mesmo com as mãos sendo a sua liga o TiCp Gr2. Figura 78 - Malha metálica “Soft 3-D Titanium Mesh”. Todas estas malhas estão certificadas pela norma da ASTM F67, tendo esta sido disponibilizada pelo fornecedor no momento da aquisição dos produtos. Como tal foi possível conhecer qual a composição química apresentada pelo TiCp Gr2 para estas malhas, estando a sua percentagem apresentada na Tabela 21. Tabela 21 - Composição química do TiCp Gr2 segundo a Norma ASTM F67 (ASTM 2013). Para além da composição química era necessário conhecer outras características bastante relevantes destas malhas, como a sua microdureza e microestrutura, uma vez que estes dados não foram fornecidos pelo fornecedor. Ensaios de dureza Foram realizados ensaios de dureza recorrendo ao método de Dureza Vickers com uma força de 50 gf, realizando 4 medições por cada amostra, estando os resultados representados na Tabela 22. Composição Química (%) Elemento Ni C H Fe O Ti % (máx) 0.03 0.08 0.015 0.30 0.25 99,3 Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 89 Tabela 22 - Valores de dureza Vickers para quatro malhas de titânio distintas. Malhas Metálicas Amostras Dureza HV (média) Square Hole Titanium Mesh 210 Skull Titanium Mesh 207 Hard 3-D Titanium Mesh 177 Soft 3-D Titanium Mesh 169 Análise microestrutural A análise das microestruturas das diversas amostras das malhas metálicas, teve como principal objetivo identificar a morfologia dos grãos em cada microestrutura com o intuito de verificar se as características apresentadas por estas malhas se assemelhavam as já apresentadas no ponto 2.5 para o TiCp Gr2. Para se realizar a análise microestrutural no microscópio ótico inicialmente foi necessário executar um polimento mecânico da superfície do material, e provocar um ataque químico, recorrendo ao reagente químico Kroll (2 ml de HF, 4 ml de HNO3 e 94 ml de H2O) Os resultados obtidos para as diferentes malhas estão representados nas figuras seguintes:  Square Hole Titanium Mesh Figura 79 - Registo da microestrutura do TiCp de uma malha "Sqare Hole", atacada com Kroll, TG < 40µm, encontandose A e B com diferentes ampliações.. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 90 Marieta Rocha  Skull Titanium Mesh Figura 80 - Registo da microestrutura do TiCp de uma malha "Skull", atacada com Kroll,TG < 20 µm, encontrando-se A e B com diferentes ampliações.  Hard 3-D Titanium Mesh Figura 81 - Registo da microestrutura do TiCp de uma malha "Hard 3D", atacada com Kroll, TG < 10 µm encontrandose A e B com diferentes ampliações.  Soft 3-D Titanium Mesh Figura 82 - Registo da microestrutura do TiCp de uma malha "Soft 3D", atacada com Kroll, TG < 100 µm encontrandose A e B com diferentes ampliações. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 91 Todas estas microestruturas demostraram concordância com as características apresentadas em 2.5 relativamente ao TiCp. É possível de constatar a orientação policristalina dos grãos, bem como a existência de uma única fase, caracterizada como fase α. De referir, que existem sempre diferenças nos grãos, que podem ser justificadas, pela existência constante de erros de empilhamento dos cristais, que podem ser defeitos pontuais lineares ou planos. É também visível nestas microestruturas a existência de maclas, mais salientes numas do que noutras (Figura 79Erro! A origem da referência não foi encontrada. e REF _Ref391887175 \h Figura 82). 6.2. Chapa Metálica A conformação de chapa metálica é fundamental quando se pretende saber se o processo de ISF traz vantagens a nível de formabilidade relativamente ao processo de estampagem convencional, uma vez que neste processo é sempre utilizada chapa como material base. No decorrer deste trabalho também foi utilizada chapa metálica, sendo esta de TiCp Gr2 por apresentar as características necessárias e também por se encontrar já disponível no INEGI (Figura 83). Figura 83 - Chapa Metálica de TiCp Gr2. Como forma de conhecer a composição química desta chapa e verificar qual o seu grau de pureza foi realizada uma análise química sobre a mesma. Esta demonstrou pureza quase total como se pode verificar nos resultados apresentados na Tabela 23. No entanto, dada a impossibilidade de no INEGI se analisar O, N, H, não se tornou possível de definir o grau do TiCp de entre os graus já apresentados na Tabela 4. Tabela 23 - Análise química da chapa de TiCp Gr2. Composição Química (%) Elemento Mo C Si Mn Cr Ni Fe Cu Nb Pd Ti % 0.013 0.023 0.013 0.007 0.017 0.008 0.050 0.002 0.005 0.009 99.9 Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 92 Marieta Rocha Foram também realizados uma análise microestrutural e o ensaio de dureza desta chapa. O ensaio de dureza Vickers seguiu as mesmas características aplicadas às malhas metálicas e revelou uma dureza de 196HV. Já no que diz respeito à microestrutura o resultado é apresentado na Figura 84 onde são visíveis as semelhanças na geometria de grão em relação as já apresentadas pelas malhas metálicas. Figura 84 - Registo da microestrutura do TiCp de uma chapa metálico, atacada com Kroll, TG < 40 µm encontrando-se A e B com diferentes ampliações. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 93 CAPÍTULO 7 - DESENVOLVIMENTO DE PRÓTESES CMF POR ESTAMPAGEM CONVENCIONAL Na realização de um processo de estampagem convencional, é essencial a existência de duas ferramentas fulcrais, um punção e uma matriz. Cada uma delas deve apresentar a forma pretendida da prótese a conformar, obrigando a que de caso para caso um punção e uma matriz sejam desenvolvidos. Neste trabalho foram projetadas e produzidas as ferramentas para os dois casos em estudo como também um suporte universal para fixação das mesmas. 7.1. Criação de um Suporte Universal Uma prótese à medida do paciente obriga a uma geometria própria de caso para caso sendo necessária a criação de um punção e de uma matriz para cada implante. Normalmente estas ferramentas são produzidas de forma a ser possível a conformação direta através das mesmas. No entanto, como nesta dissertação foram abordados dois casos de estudo, surgiu a ideia de criar um suporte universal, para adaptação dos diferentes punções e matrizes como forma de facilitar o processo de conformação, de diminuir os custos na obtenção de ferramentas e para ser utilizada em casos futuros. Este suporte universal, foi projetado no software SolidWorks® e é constituído essencialmente por quatro partes principais como se pode ver na Figura 85: a) Suporte para a Matiz; b) Suporte para o punção; c) Cerra-chapas; d) Guias; Figura 85 - Suporte Universal para ferramentas de conformação convencional. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 94 Marieta Rocha O fabrico do suporte do punção e da matriz foi realizado recorrendo a um processo convencional. Iniciou-se através do desenho de dois contramoldes representados na Figura 86, que foram traçados partindo de um plano de apartação entre o punção e a matriz. Figura 86 - Representação dos dois contramoldes do suporte universal. Estes foram posteriormente exportados no formato STL, e produzidos por estereolitografia nas instalações do INEGI num equipamento de prototipagem rápida Viper si2 da 3D Systems. O resultado é o apresentado na Figura 87. Figura 87 - Peças em SL: (A) Contramolde-suporte punção (B) Contramolde-suporte matriz. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 95 Estes contramoldes depois de lixados e regularizados com uma massa de poliuretano e revestidos com um desmoldante foram colocados no meio de uma caixa de contraplacado cada um, para onde foi vertida uma resina carregada de pós de alumínio. Após o vazamento esta caixa foi colocada num forno com o intuito de curar o material. Finalizado o processo foi necessário separar os contramoldes produzidos em SL dos respetivos suportes punção e matriz. As peças finais obtidas são exibidas na Figura 88. Figura 88 - Suporte universal de resina: (A) Suporte do punção (B) Suporte da matriz. 7.2. Criação das Ferramentas (Punção/Matriz) O desenvolvimento de um punção e de uma matriz para conformação de um implante à medida do paciente tem como ponto de partida uma prótese projetada em software CAD 3D. Através desta é possível desenvolver um modelo 3D de um contramolde do punção e de um contramolde da matriz com a geometria da prótese. Estes contramoldes depois de produzidos por processos de FA servem de auxílio à produção das ferramentas. Para os dois casos de estudo aqui abordados o procedimento de aquisição dos contramoldes foi praticamente o mesmo. O processo iniciou-se com a obtenção do desenho da prótese 3D já explicado no ponto 3.2. Com a prótese criada no software 3-matic® e recorrendo aos diferentes comandos existentes neste programa foi possível criar um contramolde do punção e da matriz, sendo que as etapas seguintes são repetidas para cada uma das ferramentas: 1) Selecionar a superfície da prótese Uma vez que os contramoldes são usados como um processo de obtenção direta das ferramentas é importante ter em conta qual a superfície da prótese a selecionar, pois a espessura da chapa/malha entre ambas as ferramentas deve ser considerada. Como tal, para estes casos, o contramolde que deu origem à matriz foi desenhado a partir da superfície inferior da prótese e extrudido na direção superior. Já o contramolde que deu origem ao punção foi desenhado na superfície superior da prótese e extrudido na direção inferior, ver esquema no anexo E. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 96 Marieta Rocha 2) Desenhar Sketch Desenhou-se num “Sketch” um quadrado com as dimensões de 150x150mm, que corresponde às mesmas dimensões das malhas adquiridas e também as dimensões dadas no suporte universal para encaixe das ferramentas. De notar que foi necessário centrar a prótese dentro das quatro linhas como se pode verificar na Figura 89. Figura 89 - 2º Caso de estudo: desenho do sketch com alinhamento centrado da prótese. 3) Estender a superfície Através do comando “Extend Surface” foi possível alongar a superfície da prótese para as dimensões de 150x150mm de forma a preencher o quadrado visível no sketch (Figura 90 A) e assim gerar uma superfície de área maior sem alterar a geometria da prótese (Figura 90 B). Figura 90 - 2º Caso de estudo: (A) Linhas que estendem a superfície estão para lá do Sketch (B) Superfície gerada. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 97 4) Unir a prótese e a superfície gerada Com recurso ao comando “Murge” uniu-se a superfície da prótese com a superfície estendida com o intuito de ficar com uma única superfície como se pode verificar na Figura 91. 5) Extrudir o quadrado do sketch Com o sketch que continha o quadrado com as dimensões de 150x150mm bem alinhado com a superfície da prótese, foi realizada uma extrusão do mesmo recorrendo ao comando “Extrude” de forma a ultrapassar a superfície da prótese e obtendo-se assim um sólido envolvente (Figura 92). Figura 91 - 2º Caso de estudo: "Murge" das superfícies. Figura 92 - 2º Caso de estudo: (A) Sketch alinhado com a prótese (B) Profundidade a aplicar pelo comando "Extrude" (C) Sólido gerado após aplicação do comando. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 104 Marieta Rocha Soft 3-D Titanium Mesh Figura 101 - Representação de uma simulação da malha Soft 3D do processo de estampagem convencional no software Abaqus CAE®. Analisando os valores máximos de deformação plástica acumulada entre os casos em estudo, verificou-se que a menor deformação ocorreu na malha metálica “Soft 3D”, enquanto que a máxima deformação ocorreu na malha metálica “Hard 3D”. De referir ainda que os valores máximos de deformação plástica, nas várias malhas metálicas e chapa estudadas, localizam-se, de modo geral, nas mesmas zonas. O estado de deformação pode também ser analisado segundo o domínio da extensão e da expansão. Para tal torna-se necessário comparar as deformações principais obtidas para os casos de estudo com a respetiva CLE do TiCp Gr2. Esse estudo foi realizado com recurso à utilização da CLE do TiCp Gr 2, definida através de vários ensaios mecânicos, já levados a cabo em trabalhos anteriores desenvolvidos no INEGI. Para uma explicação mais aprofundada destes ensaios consultar (Araújo 2012). A partir das figuras 102 a 106 é possível visualizar a representação das deformações correspondentes aos diferentes nós da malha no espaço das deformações principais do plano (𝜀2 para as abcissas e 𝜀1 para as ordenadas), nos cinco casos, comparando-se o seu comportamento com a CLE. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 105 Figura 102 - Gráfico das deformações apresentadas pela malha “Square hole” no espaço das deformações principais do plano e respetiva CLE. Figura 103 - Gráfico das deformações apresentadas pela malha “Skull” no espaço das deformações principais do plano e respetiva CLE. -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 Ɛ1 Ɛ2 Square hole Titanium Mesh CLE Deformações -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 Ɛ1 Ɛ2 Skull Titanium Mesh Deformações CLE Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 106 Marieta Rocha Figura 104 - Gráfico das deformações apresentadas pela malha “Hard 3-D” no espaço das deformações principais do plano e respetiva CLE. Figura 105 - Gráfico das deformações apresentadas pela malha “Soft 3-D” no espaço das deformações principais do plano e respetiva CLE. -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 Ɛ1 Ɛ2 Hard 3-D Titanium Mesh Deformações CLE -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 Ɛ1 Ɛ2 Soft 3-D Titanium Mesh Deformações CLE Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 107 Figura 106 - Gráfico das deformações apresentadas pela chapa metálica no espaço das deformações principais do plano e respetiva CLE. Através da análise dos diferentes gráficos apresentados nas figuras anteriores é possível retirar-se algumas elações sobre o comportamento das malhas e chapa:  Em todas elas é visível que o modo de deformação é maioritariamente uma combinação entre a tração uniaxial e a deformação plana;  A ocorrência de expansão biaxial não se verifica em nenhum dos casos;  Na chapa metálica a probabilidade de ocorrência de fratura é praticamente nula, uma vez que não existem deformações acima da CLE;  As malhas “Hard 3D” e “Square hole” apresentam um maior número de nós sob deformação na zona de compressão, podendo ser a causa do aparecimento de enrugamentos nos materiais após conformação; ao mesmo tempo são as malhas que apresentam uma maior tendência à fratura por apresentaram os maiores valores de deformação segundo a direção 𝜀1 ultrapassando a CLE. -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 Ɛ1 Ɛ2 Chapa Metálica Deformações CLE Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 108 Marieta Rocha 7.4. Estampagem Convencional de Chapa e Malhas Metálicas Realizados todos os procedimentos necessários de aquisição das ferramentas foi possível dar início ao processo de conformação das malhas e chapa de titânio para obtenção das próteses. Estas foram realizadas numa prensa existente no INEGI (Figura 107) com uma pressão de aperto do molde de 100 bar. 7.4.1. 1º Caso Fratura Frontal-Orbital O primeiro caso de estudo a ser conformado, tem por base o desenvolvimento de uma prótese Frontal-Orbital. Esta apresenta uma curvatura bastante acentuada na linha que delimita o contorno orbital, o que muitas vezes torna o processo de conformação manual da malha metálica, elaborado pelo médico no momento da cirurgia bastante difícil. Como forma de contornar esse problema decidiu-se testar a capacidade que o processo de estampagem convencional tem para realizar este tipo de geometrias em diferentes materiais. Para apoio na comparação e validação das geometrias obtidas por conformação das malhas e chapa metálica elaborou-se um modelo em estereolitografia do crânio com o defeito do paciente, e a respetiva prótese (Figura 108). Para a realização da conformação deste caso, foi necessário desenvolver um cerra chapas específico uma vez que a geometria da prótese a conformar era bastante complexa sendo necessário garantir que a malha/chapa se mantivesse centrada no momento da conformação. Como tal este foi desenhado no software Solidworks® e produzido numa chapa de alumínio sendo a sua geometria a apresentada na Figura 109. Figura 107 - Prensa. Figura 108 - Modelo em SL: (A) Crânio com o defeito presente, (B) Prótese do defeito (C) Crânio com defeito oculto pela prótese. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 109 O critério sequencial dos diferentes materiais que foram conformados teve por base a dureza apresentada pelos mesmos, iniciando-se por testar as malhas metálicas e posteriormente a chapa de titânio. Na Figura 110 está representada a sequência dos passos realizados na conformação. Square Hole Titanium Mesh O primeiro material a testar foi a malha Square Hole TM com um valor de dureza de 210 HV. Esta apresentou a formação de uma prega na área frontal com dimensões reduzidas como já se poderia esperar uma vez que esta foi visível na simulação (Figura 111). Figura 111 - Square Hole Titanium Mesh conformada por estampagem convencional. Figura 109 - Cerra chapas utilizado no caso da fratura Frontal-Orbital. Figura 110 - Processo de estampagem convencional: (A) Montagem da chapa de titânio com cerra chapas (B) Colocação do Punção (C) Conformação na prensa. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 110 Marieta Rocha Ocorreu também neste caso uma fratura desde o centro da área da prótese até à extremidade da malha metálica que pode estar na base da resistência mecânica que esta malha apresenta. Skull Titanium Mesh A conformação da malha 3D Skull revelou um bom resultado na aquisição da forma pretendida. A sua geometria ficou igual à do protótipo requerido, e não foram detetadas quaisquer tipo de fraturas (Figura 112). No entanto, o ponto de maior profundidade atingida pelo punção revelou ser um ponto crítico, uma vez que foi possível de constatar que nesse mesmo ponto ocorreu uma expansão acentuada da geometria da malha (Figura 113). Figura 112 - Prótese em malha de titânio conformada recortada com a forma pretendida do lado esquerdo, protótipo da prótese em SL do lado direito. Figura 113 - Geometria da malha de titânio Skull: (A) Geometria original (B) Geometria com expansão proveniente pela conformação Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 111 Hard 3-D Titanium Mesh A malha de titânio Hard-3D com uma dureza de 177 HV quando conformada apresentou uma deformação que foi ao encontro da geometria pretendida, como se pode ver na Figura 114, com a superposição do modelo estereolitográfico sobre a malha metálica. Figura 114 - Sobreposição do modelo estereolitográfico sobre a malha de titânio Hard 3-D. No entanto quando analisada a malha ao pormenor, foram detetadas duas irregularidades. A primeira, e mais visível, foi a flexão e sobreposição de alguns elementos da malha metálica (Figura 115). A segunda ocorreu com a rotura da malha, provocada pela força do punção numa zona que requeria maior profundidade (Figura 115). Figura 115 - Irregularidades localizadas na malha de titânio Hard 3-D. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 112 Marieta Rocha A sobreposição da malha é um fator que prova a alta elasticidade que esta malha apresenta, no entanto a rotura ocorrida demostrou que, em zonas de maior tração esta malha tem tendência a fraturar. Como forma de analisar sobre o modelo estereolitográfico a adaptação da prótese esta foi cortada segundo a geometria adequada e o resultado é o apresentado na Figura 116. De facto a aquisição de forma com esta malha foi perfeita, no entanto a fratura ocorrida sobre a mesma pode impossibilitar a sua aplicação a nível cirúrgico, ficando esta deliberação a cargo de uma identidade médica. Soft 3-D Titanium Mesh A última malha metálica a ser conformada foi a Soft 3-D, por apresentar a menor dureza entre todas, com um valor de 169 HV. Esta ostenta um padrão igual ao da malha de titânio Skull mas numa geometria mais refinada. A deformação que esta expôs, revelou ser muito fiel ao protótipo original na sua forma, e não apresentou qualquer tipo de rotura, sendo de todas a que melhor se adaptaria ao paciente. Numa análise realizada à malha com maior detalhe, foi possível de detetar que em algumas zonas a malha comprimiu e noutras expandiu o seu padrão (Figura 117), o que demonstra a elevada ductilidade que esta oferece. Figura 116 - Prótese de malha metálica TiCp Gr2 aplicada a modelo estereolitográfico. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 113 No entanto como esta malha de titânio se encontra mais refinada que a Skull, fez com que a expansão ocorrida no ponto crítico fosse menor, característica que se torna uma mais-valia no fabrico da prótese. Após o corte da malha metálica seguindo a geometria do protótipo estereolitográfico, foi possível de comprovar sobre o modelo do crânio o excelente resultado que esta malha poderá ter em aplicações cirúrgicas concretas (Figura 118). Figura 118 - Malha metálica Soft 3D aplicada no modelo estereolitográfico. Figura 117 - Malha de titânio Soft 3-D após conformação revelando zonas de compressão e expansão. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 120 Marieta Rocha  Punção O Punção utilizado nesta dissertação foi uma ferramenta de ponta hemisférica, com um diâmetro de 12 mm feita em aço inoxidável, que sofreu um tratamento de nitruração (Figura 125) com vista a endurecer e a reduzir o seu desgaste, contribuindo também para um melhor acabamento superficial da chapa de titânio Este punção foi posteriormente montado num contraponto rotativo, sendo o conjunto ainda apetrechado num cone apropriado para acoplamento à árvore do centro de maquinagem.  Suporte para fixação das chapas O suporte utilizado é constituído por três partes principais (Figura 126): Figura 126 - Representação explodida de suporte para fixação de chapa para o processo de SPIF com prato de apoio circular (Araújo 2012) Figura 125 - Ferramenta em aço inoxidável e ponta hemisférica para ISF com tratamento de nitruração (Araújo 2012) Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 121 a) A cinzento uma construção soldada em cantoneira 40x40x4 mm b) A laranja, o prato de apoio de chapas, circular, realizado por maquinagem; que se encontra soldado à base da cantoneira (alínea a)) c) A azul, o cerra chapas utilizado no suporte com prato de apoio circular, também este maquinado como no suporte apresentado; Além destes três elementos principais foram necessários ainda 4 calços de 1 mm de espessura (a verde) para permitir a correta fixação das chapas a conformar, 12 anilhas planas normais M8 e 12 parafusos CHC M8x25. 8.2. Elaboração do Código CNC Para a elaboração do código CNC das próteses a produzir nesta dissertação foi essencial recorrer a softwares como o SolidWorks® e o Mastercam X. Após realização de dois modelos 3D das próteses, no software 3-matic, estes foram gravados num ficheiro de extensão STL e posteriormente convertidos para uma extensão IGES, para serem lidos no software SolidWorks®. Neste software foram produzidas as paredes auxiliares ao suporte das próteses e analisados os ângulos que estas criavam recorrendo à função Draft Analysis. De notar que para a utilização de chapas de pequena espessura (0.6 mm-0.8 mm) o ângulo de parede máximo assume um valor de 56°, valor este que já foi comprovado num trabalho levado a cabo por Rogério Araújo (2013). Como tal, qualquer valor que ultrapasse-se este ângulo poderia por em causa a conformação da chapa, podendo esta vir a fraturar. Para o 1º Caso de estudo, o da fratura Frontal-Orbital, o Draft Analysis apresentou algumas áreas críticas aquando das primeiras paredes geradas, o que levou à necessidade de realizar diferentes ajustes. O melhor draft que se conseguiu obter para esta geometria é a presentado na Figura 127. Nesta estão visíveis algumas zonas a amarelo, que revelaram que o ângulo máximo da parede estava a ultrapassar o valor predefinido. Figura 127 - Realização de Draft Analysis em CAD 3D para determinação dos ângulos de parede do modelo de uma prótese Frontal-Orbital Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 122 Marieta Rocha No entanto não era possível modificar mais a geometria sem por em causa outras áreas da prótese pois esta apresentava uma geometria bastante complexa. Para o segundo caso, o da fratura parietal, a aquisição do Draft ideal já foi mais fácil de obter uma vez que a geometria da prótese tinha uma curvatura menor. O resultado foi o apresentado na Figura 128. Figura 128 - Realização de Draft Analysis em CAD 3D para determinação dos ângulos de parede do modelo de uma prótese Frontal-Orbital. Após a obtenção das paredes e de todos os ângulos necessários ajustados, foi criado o código numérico CNC. Para tal foi utilizado o software Mastercam X que gerou de forma automática a trajetória da ferramenta dando origem ao código que foi utilizado no centro de maquinagem OKUMA MC-40VA. Na Figura 129 é possível visualizar a amarelo as linhas que formam a trajetória a ser seguida pelo punção no processo de conformação para o primeiro caso em estudo. Esta trajetória foi definida num único estágio. Figura 129 - Geração de trajetória de ferramenta em Mastercam X para a geometria da prótese Frontal-Orbital. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 123 Após obtenção do código, passou-se para o fabrico propriamente dito com vista a obter as geometrias apresentadas na Figura 130. 8.3. Estampagem Incremental de Chapa e Malhas Metálicas Adquirindo todo o material necessário para o processo de estampagem incremental e após montagens do mesmo no centro de maquinagem, foi possível dar início à conformação das próteses. 8.3.1. 1º Caso Fratura Frontal-Orbital No primeiro caso a ser testado, a conformação ocorreu num único estágio sobre uma chapa de TiCp Gr2 de espessura 0.8 mm com 250x250 mm de dimensão. Durante o processo ocorreu rotura da chapa (Figura 131), provocada pelo ângulo da parede que demonstrou ser demasiado elevado na zona da fratura, não sendo viável prosseguir com a conformação. Figura 130 - Geometrias a obter pelo processo de SPIF (A) Prótese Frontal-Orbital (B) Prótese Parietal. Figura 131 - Fratura ocorrida na chapa de TiCp pelo processo de ISF. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 124 Marieta Rocha Tal já era esperado uma vez que nos cálculos realizados no Draft Analysis da chapa apareciam algumas zonas críticas que ultrapassavam o ângulo limite. No entanto foi essencial a execução deste caso para se conseguir compreender qual o nível de complexidade de próteses que este processo conseguia obter. Como tal, pode-se constatar que para a execução de próteses para fraturas frontais-orbitais este processo é ineficaz. 8.3.2. 2º Caso Fratura Parietal Passou-se então a analisar o segundo caso, onde a geometria em causa era bastante mais simples e onde as perspetivas de sucesso se revelavam bastante superiores não só pela simplicidade da forma mas também porque no Draft Analysis obtido anteriormente a geometria não apresentara qualquer ângulo de parede superior ao ângulo limite. Foi utilizada também uma chapa de TiCp Gr2 de espessura 0.8 mm com 250x250 mm de dimensão. O processo decorreu sem apresentar qualquer tipo de fratura do material (Figura 132) e todo o código de CNC foi processado. Após a etapa de conformação concluída com sucesso procedeu-se ao corte da prótese por arranque de apara (Figura 133). Este foi realizado no mesmo centro de maquinagem CNC onde foi conformada a prótese, de forma a manter o posicionamento da chapa no suporte de fixação. Os parâmetros de corte utilizados foram os seguintes:  Fresa de duas facas com diâmetro de 6 mm;  Velocidade de avanço de 40 mm/min; Figura 132 - Desenvolvimento de prótese parietal por ISF. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 125  Velocidade de rotação de 1000 rot/min;  Arrefecimento por meio líquido. O resultado final da prótese após o corte ficou aquém das espectativas. Quando comparada com o modelo estereolitográfico esta apresentou uma deformidade acentuada na sua concavidade, como se pode verificar na Figura 134. Tal pode ser justificado pelo retorno elástico que o material apresentou durante do corte. Analisando mais ao pormenor esta prótese de titânio verificou-se que esta apresentou uma variância de forma no centro da prótese (Figura 135). Esta pode estar relacionada com o diâmetro do punção utilizado, que não permitiu deformar o centro na sua totalidade, ou com a necessidade de aumentar o número de passagens do punção nesta zona. Fica também visível neste material um efeito de escada acentuado provocado pelo punção. Figura 133 - Etapas de Corte em ISF (A) Posicionamento da Fresa (B) Introdução do líquido de arrefecimento (C) corte final. Figura 134 - Comparação entre a prótese obtida por ISF e o modelo em SL. Figura 135 - Prótese de TiCp obtida por ISF. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 126 Marieta Rocha Uma vez que o resultado obtido com a conformação da chapa não foi bemsucedido porque ocorreu elevado retorno elástico, foi colocada a hipótese de se realizar este processo recorrendo não a chapa, mas a malhas metálicas. O uso de malhas metálicas nunca tinha sido utilizado até ao momento desta dissertação pelo INEGI, pelo processo de ISF, sendo uma hipótese que foi colocada para o desenvolvimento deste trabalho. Inicialmente esta possibilidade suscitou algumas dúvidas relativamente à sua viabilização pois este processo sempre foi utilizado em superfícies planas e totalmente lisas (chapa), o que no caso da malha não acontece. Como tal o processo de conformação destas poderia por em risco as ferramentas, em particular o punção, caso ocorresse elevada deformação e ou expansão da malha. Como forma de contornar este problema, surgiu a ideia de se criar a conformação da malha metálica através de um efeito sandwich entre a malha e duas chapas de alumínio (Figura 136) para que o punção estivesse em contacto com uma superfície lisa. Os materiais selecionados para o efeito foram a malha de TiCp Gr2 do tipo Soft 3-D Titanium Mesh e duas chapas de alumínio (AL 5182). A escolha do material da chapa foi fundamentada com base num caso de conformação pelo método de sandwich já realizado pelo INEGI onde se utilizaram chapas de cobre. Nesse processo, a chapa de cobre mostrou ser demasiado macia para utilizar sobre uma chapa de TiCp, pois esta acabou por fraturar segundo o contorno imposto pela trajetória de conformação (Araújo 2012). Como tal o alumínio por ser um material mais duro e por estar disponível nas instalações do INEGI foi o material de eleição para este método. Já no que diz respeito à malha metálica foi selecionada a que apresentava menor dureza e maior flexibilidade. Figura 136 - Montagem centrada de uma malha metálica de TiCp Gr2 sobre chapa de alumínio para criação de efeito Sandwich com a colocação superior de outra chapa. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 127 Após a montagem de todas as ferramentas no centro de maquinagem, deu-se início ao fabrico da prótese em causa. Durante o processo de conformação começou a surgir uma concavidade inesperada na chapa de alumínio superior, na direção Z positivo como se pode comprovar na Figura 137. Esta deformação pode estar relacionada com um conjunto de fatores que foram ocorrendo desde o início do processo. Quando se inicia a conformação de uma chapa normal, esta não apresenta qualquer tipo de inclinação em relação ao punção, começando este por formar uma trajetória segundo um ponto único (Figura 138 A). Só ao fim de algum tempo é que este começa por entrar em contacto com uma parede que vai surgindo e provocando a formação de um ângulo de inclinação (Figura 138 B) vantajoso ao processo. No entanto, neste caso em estudo começaram a aparecer não uma mas duas paredes com ângulos acentuados, em volta do punção que vieram alterar por completo a forma que se pretendia obter. Isto pode ter estado na base de elevadas tensões provocadas pela malha e pela chapa inferior colocadas para o efeito sandwich. Figura 137 - Concavidade inesperada ocorrida da chapa de alumínio no processo de ISF. Figura 138 - Processo ISF: (A) fase inicial (B) formação de ângulo de inclinação sobre a parede. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Página 128 Marieta Rocha Dando continuidade ao processo deparou-se, ao fim de algum tempo, o aparecimento de pequenas roturas na chapa de alumínio que se foram alargando até provocar a rotura total da concavidade que se estava a gerar ficando exposta a malha de titânio como se pode verificar na Figura 139. Uma vez que a malha não apresenta grandes deformações nem expansões no seu padrão decidiu-se continuar com o processo de conformação da malha, através do contacto direto do punção como forma de analisar o seu comportamento. Findo o processo de conformação foi possível de constatar que a geometria obtida na malha ficou muito aquém das espectativas, uma vez que ocorreu na malha de titânio o mesmo problema que na chapa de alumínio como se pode verificar na Figura 140 em comparação com a Figura 137. Figura 139 - Exposição de malha de titânio após rotura de chapa de alumínio pelo processo de ISF. Figura 140 - Deformação ocorrida em malha de titânio após processo de ISF. Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais por processos alternativos à fundição Marieta Rocha Página 129 No entanto apesar de não ter sido alcançada a geometria pretendida, verificouse que a malha teve um comportamento uniforme durante o processo, sem causar problemas indesejados à ferramenta e sem apresentar variações exageradas de expansões do seu padrão. Como tal, estas conclusões vieram demostrar a viabilidade de se criar a conformação de malhas metálicas diretamente no processo de ISF. Assim, esta contingência foi também posta em prática nesta dissertação, após se ter contornado alguns contratempos relacionados com as dimensões das malhas. As malhas metálicas adquiridas pelo INEGI apresentavam uma dimensão de 150x150mm o que não permitia a sua fixação direta no suporte uma vez que este apresentava dimensões de 250x250mm. Como forma de contornar esta questão, foi criada uma chapa de alumínio de 250x250mm onde se aplicou um corte circular central com diâmetro de 140 mm, sendo posteriormente fixada à mesma uma malha metálica (Figura 141). Com todos os indicativos direcionados para a obtenção de um bom resultado foi então realizado o processo de fabrico da prótese. Este decorreu de uma forma controlada do início até ao fim sem ter ocorrido problema algum. As respetivas fases do processo encontram se representadas no esquema da Figura 142. Figura 141 - Malha metálica fixa a uma chapa de alumínio.