ANÁLISE DAS VANTAGENS DE PRODUÇÃO E DESENVOLVIMENTO COM IMPRESSÃO 3D DE LIGAS METÁLICAS DE UMA PRÓTESE DE MEMBRO SUPERIOR (DEDOS DA MÃO)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE 
		 UNIDADE ACADÊMICA DE ENGENHARIA MECÂNICA 
				 
PROJETO DE PESQUISA
ANÁLISE DAS VANTAGENS DE PRODUÇÃO E DESENVOLVIMENTO COM IMPRESSÃO 3D DE LIGAS METÁLICAS DE UMA PRÓTESE DE MEMBRO SUPERIOR (DEDOS DA MÃO)
Jéssyla Ravenna Venceslau de Souto
Campina Grande Maio / 2021
		
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 3
2. REVISÃO DE LITERATURA .................................................................................... 5
2.1. Manufatura de Próteses de Membro Superior ................................................... 5	
2.2. Abordando o conceito de Impressão 3D ........................................................... 6
	2.2.1. Um breve histórico .................................................................................... 6 	2.2.2. Desenvolvimento utilizando Softwares ..................................................... 7
		2.2.3. Métodos de impressão ............................................................................... 8
 
2.3. Impressão de Ligas Metálicas .......................................................................... 9
	2.3.1. Funcionamento da Impressão com Ligas Metálicas ................................ 10
	2.3.2. Vantagens da utilização de Ligas Metálicas ............................................ 11
		2.3.3. Contexto Brasil ....................................................................................... 14
3. METODOLOGIA ....................................................................................................... 15
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 16
1. INTRODUÇÃO
	De acordo com a definição do Ministério da Saúde do Brasil, “amputação” é o termo utilizado para definir a retirada total ou parcial de um membro, sendo este um método de tratamento para diversas doenças e complicações. O processo tem como objetivo retirar o membro acometido e criar novas perspectivas para a melhora da função da região amputada. Considerando que as amputações, principalmente de membros superiores, afetam diretamente no convívio social, mercado de trabalho e nas atividades cotidianas, a reprodução das características físicas da mão e, consequentemente, dos dedos é um fator imprescindível a ser observado na construção de próteses para membros superiores, sejam elas estéticas ou funcionais, dado que o alto grau de rejeição destes tipos de próteses é também relacionado a este fator, e assim tornando-se uma exigência dos usuários.
	As próteses de membro superior podem ser classificadas de acordo com seu potencial funcional, seus componentes e as fontes de energia. São classificadas em próteses não funcionais: estéticas; próteses funcionais: convencionais, mio elétricas e híbridas. As fontes de energia podem ser através do sistema endo energético ou de propulsão muscular cuja energia se origina no próprio corpo do paciente, transmitindo-se através das correias e cabos para o dispositivo terminal; o sistema exo energético ou de propulsão artificial cuja energia é originada externamente ao corpo e que independe de transmissão via cabos ou correias e o sistema híbrido o qual resulta da combinação dos dois acima citados.
	A mão é a estrutura mais complexa de membro superior. As suas principais funções são a manipulação de objetos, preensão e a pinça. A pinça exige ao menos dois dedos em oposição, com mobilidade e sensibilidade preservadas, os tipos básicos de pinça: bi digital (ponta-ponta), tri digital e lateral (chave). Uma prótese para amputação parcial de mão apenas terá utilidade se aumentar a funcionalidade com o mínimo comprometimento da sensibilidade e da função residuais da mão e se melhora a estética. Com dois dedos o indivíduo pode aduzir ou opor um dedo ao outro. 
	Atualmente, o procedimento adotado na concepção dos dispositivos necessita ainda de uma abordagem sistematizada e personalizada. Nesse sentido, a utilização de tecnologias de digitalização tridimensional e tomografia computadorizada, associadas a técnicas de fabricação aditiva, possibilitam o desenvolvimento de soluções altamente customizadas, como custo, tempo de produção e passos intermédios reduzidos. O recurso às tecnologias mencionadas permite a recolha digital das geometrias anatómicas, possibilitando não só a sua reprodução física de elevada qualidade e rigor dimensional, como também a sua edição, espelhamento e escalamento às dimensões adequadas à fase atual do crescimento da criança- por exemplo-, o que nestes casos é apontado como um fator determinante.
2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1. Manufatura de Próteses de Membro Superior 
	A mão do ser humano, segundo a teoria da evolução, foi uma aquisição extremamente importante, pois permitiu a utilização de instrumentos, com os quais podiam mais facilmente se defender e modificar o meio ambiente para melhor sobreviverem. É capacitada para realizar uma ampla variedade de movimentos, através deum conjunto complexo de ferramentas e implementos. É a articulação mais sofisticada e completa, se comparando a mão de outros animais ou patas. Capaz de coordenar vários movimentos ao mesmo tempo, e rica em precisão, a mão humana tem grande poder para executar movimentos desde os mais delicados até os mais bruscos, aqueles que exigem força e preensão.
	As tecnologias de apoio vêm surgindo nos últimos anos em um processo cada vez mais acelerado, com objetivo de fornecer dispositivos de reabilitação para pessoas com diferentes graus de alteração e malformações nos membros superiores. Atualmente, o uso de próteses de baixa complexidade é bastante utilizado no Brasil e, muitas vezes, esse tipo de solução não supre as necessidades básicas do usuário como conforto, mobilidade, prevenção de dores, cansaço recorrente e irritações. Ainda, é válido dizer que a principal função da prótese, além de substituir o membro amputado, é a de recuperar a maior parte possível da eventual autoestima e da independência perdida pelo paciente com sua amputação e, tais fatores estão diretamente ligados com as características estéticas e funcionais da prótese utilizada. Dessa forma, para otimizar o processo de criação da prótese, a modelagem 3D é uma ferramenta importantíssima, visto que com técnicas de modelagem é possível criar modelos ajustáveis e adaptáveis, que possam atender a necessidades específicas de cada usuário. 
	 O modelo desenvolvido da prótese tem como princípio o funcionamento da mão humana. O movimento de fechar e abrir a prótese é baseado em um sistema simplesmente de cordas e elásticos, o que diminui o custo da mesma. Ao puxarmos as cordas (que funcionam como os tendões da nossa mão) presas aos dedos, induzimos o fechamento da prótese. Ao soltarmos as cordas, os dedos retornam à posição inicial devido à presença dos elásticos. O polegar possui, além do movimento de abrir e fechar, a possibilidade de mudança na posição do mesmo para que possa ter o movimento tanto de pinça, quando colocado na mesma linha que o dedo indicador, quanto o movimento de punho, quando utilizado em outra posição. Essa mudança na posição do polegar é realizada com a outra mão do usuário. As pequenas esferas nas pontas dos dedos facilitam o movimento de preensão, de tal forma que o objeto não escorregue pelos dedos.
2.2. Abordando o conceito de Impressão 3D
2.2.1. Um breve histórico
A primeira impressora tridimensional data do ano de 1984, quando o norte americano Chuck Hull criou a primeira impressora que construía objetos camada por camada, técnica denominada estereolitografia. A mesma utilizava resina como fonte de material e uma lâmpada utilizada para a solidificar (3D Printing Industry 2017).
	A prótese mecânica mais famosa historicamente é a mão de ferro de Gotz von Berlichigen, utilizada pelo autor após perder sua mão em batalha. A prótese se destacava pela quantidade de graus de liberdade epela adaptação ao formato de objetos (Putti 2005).
Figura 1
Mão de ferro de Gotz von Berlichigen
2.2.2. Desenvolvimento utilizando Softwares
Ao iniciar a análise do membro a receber a prótese, define-se o uso da prótese e consequentemente os conceitos nos quais seriam necessários para o funcionamento da prótese. Posteriormente, foram determinadas quais ferramentas seriam utilizadas pela prótese e um esboço do design da estrutura que seria projetada.
	A partir dos esboços realizados sobre a estrutura da prótese, a modelagem da prótese foi feita no software CAD utilizando referências de modelos disponíveis 11 na internet como modelo base. A partir do modelo CAD foi possível realizar a análise de elementos finitos para validação da estrutura mecânica sobre determinado esforço.
Figura 2
Feito no Solids
Figura 3
Definição da Prótese após uma leitura do membro a amputado
2.2.3. Métodos de impressão
	Com o uso de um scaner que analisa com um objeto para coletar dados, as informações obtidas são usadas para construir modelos digitais e tridimensionais, que são usados para o desenvolvimento de diversas coisas, em nosso caso sendo aplicado a readequação de membro perdido, reabilitando funções fundamentais.
	Após a importação do modelo 3D para o software de preparação, precisamos definir alguns parâmetros importantes para o processo de impressão 3D, como por exemplo, a espessura da camada de impressão, o posicionamento do modelo tridimensional na bandeja, a velocidade de extrusão ou de deslocamento do cabeçote.
	Atualmente, podem ser utilizados vários métodos de impressão, usando variados elementos na construção de projetos:
· FDM – O FDM (Fused Deposition Modeling) é o método mais comum. Um bocal que se move no plano referente utiliza o filamento derretido como material de deposição, ABS ou PLA que são materiais plásticos; 
· SLA – Destinadas inicialmente ao setor profissional, a impressora SLA (Stereolithography Apparatus) utiliza de uma resina fotossensível líquida. Quando os feixes de luz ultravioleta entram em contato com a resina, a mesma se solidifica;
· SLS – O método SLS (Selective Laser Sintering) ainda é limitado ao setor industrial devido ao alto custo. O processo utiliza raio laser para derreter o pó do material, fazendo com que o mesmo se solde à camada anterior. Esta tecnologia permite trabalhar com diversos materiais como cera, metal, entre outros (sendo o mais ideal para o uso de ligas metálicas na impressão).
	
Figura 4
Impressora S3x também faz impressão em FDM, SLA e SLS (que é capaz de imprimir utilizando ligas metálicas)
2.3. Impressão de Ligas Metálicas
	A impressão a base de ligas metálicas não é algo novo, desde sua concepção e fabricação em 2003 pela empresa alemã EOS, que hoje lidera o mercado em vendas desse tipo de impressora, esse tipo de impressão vem ganhando espaço nos mais variados tipos de mercado, começando na indústria, mais especificamente na automobilística, depois de alguns anos e de barateamento de equipamentos, peças, etc. a medicina começou a usar esse tipo de impressão para construir próteses mais baratas e mais rápido que jeitos tradicionais.
 	Logo começou a se popularizar próteses à base de impressão 3D, possuindo mais vantagens para o paciente e para a medicina em geral, do que as feitas de maneiras tradicionais, sendo as principais o preço final da peça, tempo para ser feito e a customização por parte do paciente.
Figura 5
Impressora M400 de tamanho médio da empresa EOS.
Figura 6
	
Impressora Metal Jet da HP
2.3.1. Funcionamento da Impressão com Ligas Metálicas
	Existem vários tipos de impressão, mas a técnica mais utilizada é a DMLS (Solidificação Direta a Laser em Metal). O termo reflete a uma tecnologia de fusão em leito de pó e utiliza feixe de laser para fundir o pó metálico entre as camadas até a construção total da peça. O DMLS segue a sequência básica do processo para a maioria das tecnologias de impressão 3D: modelo, divisão de camadas e impressão camada por camada.
	Para começar, o reservatório da impressora DMLS é preenchido com o pó metálico desejado. Os aquecedores da impressora levam o pó a uma temperatura próxima a faixa de sinterização da liga. A impressora utiliza um gás inerte, que protege o pó aquecido e a peça é construída. A construção começa com a distribuição de uma fina camada de pó metálico na plataforma de construção. Após isso, o laser irá fundir o material em locais pré-determinados pelo arquivo em formato “STL”. Então, uma nova camada de pó é espalhada na área de impressão e o processo inteiro se repete até a conclusão da peça.
· Principais materiais utilizados 
	Para a impressão de ligas metálicas são usados: pó metálico muito fino (na casa de 20 a 40 micrômetros), sendo as principais e mais utilizadas, as ligas de titânio, de alumínio, de cromo-cobalto, aço inoxidável e superligas de níquel. Dentre estas, a mais utilizada em impressão de próteses são as ligas de titânio, pois se trata de um material leve, de baixa densidade e bastante forte - mais forte e leve que o aço. Entretanto, o pó de alumínio vem ganhando espaço em impressão 3D, devido ao uso de novas máquinas, no processo de construção de uma peça em alumínio, a resistência se torna parecida com a do titânio, mesmo o titânio sendo 6 vezes mais resistente que o alumínio, o que mostra a evolução das máquinas em trazer matérias mais baratos, com alta resistência.
Figura 7
Pó de titânio
Figura 8
Pó de aço inoxidável
2.3.2. Vantagens da utilização de Ligas Metálicas
	A impressão à base de ligas metálicas possui mais vantagens do que desvantagens, sendo elas:
· Custo final de prótese mais barato que métodos tradicionais, pois o processo de usinagem da parte de metal da prótese não vai existir e será feito com menos material, mesmo possuindo uma resistência maior; 
· O tempo para se fazer uma prótese é menor. Já que atualmente o metal é importado para o Brasil, tendo esse tempo de transporte levado em conta na maneira usual de se fabricar as próteses. Assim, com essa parte feita nacionalmente, em um dia toda a parte metálica da prótese é impressa;
· Qualidade e acabamento final superior as que são feitas com métodos tradicionais, pelo fato de que a impressora, durante o processo de “colagem” de cada camada, não deixa falhas na superfície do metal, não havendo necessidade de a peça passar pelo processo de lixação e polimento, portanto, diminuindo mais o tempo de fabricação;
· Customização da peça de acordo com os gostos ou interesses do paciente. Devido ao fato de todas as próteses disponíveis no mercado serem idênticas, o processo de impressão pode dar ao paciente uma gama de variadas cores e formatos (exemplo da empresa canadense Alleles Design, que faz capas para todos os tipos de próteses, sendo mecânicas ou não).
Figura 9
Próteses feitas em impressoras 3D.
Figuras 10, 11, 12
 
Capas feitas por encomenda para próteses, pela empresa Alleles Design.
· Exemplos de Próteses feitas em Impressoras com Ligas Metálicas
· Depois de desenvolver câncer no pulmão, um espanhol perdeu parte das costelas e esterno (osso de sustentação da caixa torácica). Após a cirurgia feita por médicos do Salamanca University Hospital, eles fizeram um scanner em 3D da caixa torácica do paciente e a enviaram para Anatomics, que é uma empresa australiana, especializada em fazer próteses em 3D. A prótese do paciente foi produzida com pó de titânio.
Figura 13
Prótese em titânio de parte da Caixa Torácica, feita pela Anatomics
· Prótese feita de pó de titânio, para uma senhora de 83 anos na Holanda. A paciente havia desenvolvido infecção óssea crônica. A prótese possui juntas articuladas, cavidades para incentivar a formação de conexões com os músculos e sulcos para direcionar o crescimento dos nervos e veias.
Figura 14
· O designer William Root desenvolveu próteses feitas de pó de titânio para pacientes vítimas de acidentes, sendo elas mais baratas e mais leves que as convencionais.
Figura 152.3.3. Contexto Brasil
	Hoje podemos ver que o ramo de imprimir próteses em 3D com ligas de metais é algo crescente no mundo. Os três exemplos utilizados nos tópicos anteriores, já são “exemplos antigos”, pois ocorreram entre 2011 e 2015, o que prova que esse mercado já existe antes mesmo da popularização da impressão 3D. No Brasil, esse tipo de prótese seria fundamental, já que, de acordo com a Folha de São Paulo, são quase 1 milhão de pessoas no Brasil necessitando de alguma prótese ou órtese, necessitando dessa tecnologia que, além de fazer o processo mais ágil, diminui o custo de produção e distribuição, ajudando e beneficiando mais vidas. Será um processo longo para a implementação consolidada desse tipo de tecnologia no Brasil, mas a projeção é que com o tempo, a popularização e a necessidade dessa tecnologia por demanda, possa chegar no país em poucos anos.
3. METODOLOGIA
	O presente trabalho de conclusão se apoiou em uma pesquisa qualitativa, que é um esforço de elaborar evidências sobre aspectos da realidade na busca de respostas para os problemas levantados (LÜDKE E ANDRÉ, 1986); com revisão bibliográfica sistemática, que se diz o ato de buscar e analisar informações sobre determinado assunto, por meio de um levantamento realizado em base de dados, com o objetivo de definir se algum tema ou conceito é consenso ou polêmico na literatura do assunto, (WEBSTER; WATSON, 2002). É importante ressaltar que é sistemático por possuir um procedimento realizado, seguindo certos passos para se encontrar a melhor problemática acerca do assunto.
	Os dados coletados foram de classificação secundária, durante a qual foram selecionados os dados e informações que já houveram sido coletados, delimitados, discutidos e analisados. Desse modo, justificando-se a metodologia utilizada.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
	Morimoto, Sandra Yoshie Uraga et al. Órteses e próteses de membro superior impressas em 3D: uma revisão integrativa. Cadernos Brasileiros de Terapia Ocupacional [online]. 2021, v. 29 [Acessado 25 Maio 2021], e2078. Disponível em: <https://doi.org/10.1590/2526-8910.ctoAO2078>. Epub 16 Abr 2021. ISSN 2526-8910. https://doi.org/10.1590/2526-8910.ctoAO2078.
	Scholten, S. & Alvim, J. & Santos Cavalcante, Reidner & Cardoso, Alexandre & Soares, Alcimar & Lamounier Jr, Edgard. (2018). MANUFATURA DE PR�TESES DE MEMBROS SUPERIORES DE BAIXO CUSTO ATRAV�S DE T�CNICAS DE MODELAGEM E IMPRESS�O 3D. 10.29327/cobecseb.79027.
	INTERVENÇÃO PROTÉTICA EM AMPUTAÇÃO DE MEMBROS SUPERIORES (MMSS) Pollyana Costa Tavares (1) ;Luis Henrique Tormes (2) ; Roberta Aragão Araújo (2) ; Benonias Rodrigues Torres (3) Centro de Ciências da Saúde/ Departamento de Fisioterapia/ MONITORIA
	Lopes, Vandermon & Cardoso, R. & Leite, Marco & Silva, Miguel & Castro, M.J.. (2017). CONCEPÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE UMA PRÓTESE DO MEMBRO SUPERIOR.
	https://www.lwtsistemas.com.br/2020/11/16/como-funciona-uma-impressora-3d/
	https://www.demdv.cefetmg.br/wp-content/uploads/sites/54/2019/04/Bruno-Coutinho.pdf
	https://docplayer.com.br/109980412-Desenvolvimento-de-metodologia-para-projeto-e-impressao-3d-de-uma-mao-bionica.html
	https://historiablog.org/2014/03/27/a-evolucao-das-proteses/