Usinagem do Titânio

Usinagem do Titânio

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Márcio A Schmidt

Henrique Kohmann Augusto Kunrath

Com a constante evolução da engenharia e das ciências da saúde, estas áreas passaram a atuar em conjunto na implantação de componentes para a correção de traumas ou imperfeições do corpo humano, de forma que o mesmo recupere suas funções originais. Devido ao relevante custo de implantes osseointegráveis, pela utilização de titânio, e à necessidade de sua importação, procura-se uma nacionalização desta tecnologia, de modo a torná-la mais acessível. O objetivo central deste trabalho é desenvolver o método de fabricação de implantes bucomaxilofaciais, a partir de chapas de titânio em uma fresadora CNC em cooperação com uma empresa do setor. Visa-se desenvolver o método de programação dos parâmetros geométricos e de usinagem dos implantes através da utilização de um sistema CAD/CAM, definir uma forma eficiente de fixação das chapas de Ti sobre a mesa da fresadora, e usinagem dos implantes. A produção de diversas séries de implantes teve seu processo de fabricação desenvolvido, os quais propiciaram o tratamento de vários pacientes. O próximo passo está sendo a implantação do processo de fabricação na indústria, tornando possível o atendimento a um maior número de pacientes. (PROMM, BIC/UFRGS).

The evolution of engineering and medical sciences have yielded great development on the implants technology allowing the correction of damages caused by trauma or congenital ill formation. Due to the high costs of the imported prosthesis, which are manufactured mainly in titanium, there is great interest in the development of nationalized manufacturing techniques. The main focus of this study was to produce implants for oral and maxillofacial surgery by machining from titanium plates using CNC milling. The work was done in partnership with a local company and most of the study was directed to developing machining parameters and set up and NC programs using CAD-CAM technology. Several "standard" and customized implants were designed, machined and actually implanted in patients. The next step is to transfer the technology to the industry, allowing for the production of larger batches which will lower the costs of the implants maintaining high quality. (PROMM, BIC/UFRGS).

1. INTRODUÇÃO

Implantes bucomaxilofaciais são utilizados na correção de eventuais traumas ou imperfeições do corpo humano, de forma que o mesmo recupere suas funções originais. Dado o elevado custo de implantes osseointegráveis, em grande parte devido à necessidade de sua importação, procura-se uma nacionalização desta tecnologia, de modo a torná-la mais acessível. Este trabalho objetivou desenvolver e aperfeiçoar o processo de fabricação de implantes bucomaxilofaciais de titânio seriados, de uso geral, e de reconstrução do maxilar, específico para cada paciente, utilizando sistemas CAD (desenho assistido por computador)/CAM (manufatura assistida por computador) file:///O|/Homepage/livrosalao/artigo_marcio.htm (1 of 5) [25-10-2002 18:19:10] integrados com uma fresadora CNC. Estas possuem uma grande capacidade de flexibilização da geometria a ser fabricada, por serem facilmente reprogramáveis. No país, principalmente no Rio Grande do Sul, na Faculdade de Odontologia da UFRGS, tem se desenvolvido um extenso programa de reabilitação de pacientes portadores de deformidades faciais decorrentes de traumatismos, malformações congênitas e de necessidade de cirurgias oncológicas. Com a utilização de implantes osseointegrados de titânio em deformidades faciais, passou a ser possível a construção de próteses mais delicadas, evitando-se o uso de outros elementos para sua fixação, e conseqüente recuperação mais rápida. São freqüentes os casos de fratura de mandíbula, ocupando o segundo lugar dentre as fraturas dos ossos da face, com incidência de 38%, ocasionados principalmente por acidentes automobilísticos. Nestes casos, para um tratamento correto há a necessidade de se realizar um implante que atenda as necessidades específicas do paciente, isto é, que seja fabricado sob medida. Como os implantes tinham que ser importados a altos custos, era praticamente impossível se tratar esses casos de uma maneira correta. Neste trabalho foram desenvolvidas várias etapas de usinagem visando produzir rapidamente implantes de reconstrução facial sob medida para cada paciente, como ilustra a figura 1.

2. TRABALHO DESENVOLVIDO

Implantes cirúrgicos possuem grande parte de seus custos associada ao processo de fabricação por usinagem. Isto se deve à baixa usinabilidade do titânio e ao estreito controle dimensional e de acabamento das peças necessárias para o bom desempenho do implante. No desenvolvimento deste trabalho, os seguintes passos foram seguidos:

- Foi feito um levantamento dos parâmetros de usinagem indicados para o titânio.

- Os implantes foram modelados em software comercial de CAD paramétrico.

Este procedimento, além de indispensável para o uso da tecnologia CAM, facilita a alteração de projeto para a adequação a cada paciente. o Os arquivos em CAD foram exportados para um software de CAM onde foi planejada toda a operação de usinagem. São determinados os parâmetros de usinagem, sistema de fixação, ferramentas de corte (fresas e brocas), tipo de máquina e caminho de ferramenta. o Usinagem das peças e acabamento dos implantes e posterior implantação nos pacientes.

2.1 Sistemas CAD

Em um ambiente de CAD (computer aided design, ou projeto assistido por computador), a informação geométrica é representada analiticamente através de pontos, linhas, cones, planos, superfícies quadráticas, etc., e por funções booleanas. Essas representações são geradas interativamente quando o usuário modela a geometria da peça na interface do CAD. Para a fabricação de implantes, um software de CAD precisa ter ferramentas para a modelagem de geometrias complexas, que devem ser facilmente alteradas, se necessário, devem ser parametrizadas. No Laboratório de Usinagem utilizou-se o software SolidWorks, que produz arquivos com extensão PRT e SLDPRT.

2.2 Sistemas CAM

A principal função de um software de CAM (computer aided manufacturing, ou manufatura auxiliada por computador) é gerar o programa que controla o deslocamento da ferramenta de corte, fresa ou broca, para a máquina-ferramenta CNC, a partir da geometria da peça gerada no CAD. Na figura 2 estão representadas as etapas utilizadas para a fabricação de componentes. Pode-se também destacar outras funções para os sistemas CAM:

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- estimativa de custos; - auxiliar o CAPP (fabricar uma peça de acordo com suas especificações);

- biblioteca de parâmetros de corte;

- usinagem de formas 3D;

- informações de controle;

- integridade superficial da peça;

- detecção de erros e simulação de usinagem;

- pós-processamento da informação de acordo com cada CNC.

O programa de CAM importa os desenho do CAD, o qual é usado para gerar os caminhos de ferramenta. Os padrões de comunicação utilizados foram o IGES (initial graphics exchange specification, ou especificação inicial de troca de dados gráficos) e o DXF (drawing interchange file, ou arquivo de intercâmbio de desenho). O software de CAM utilizado foi o SURFCAM, capaz de converter arquivos do SolidWorks para .DSN, padrões do Surfcam.

Na geometria importada são selecionados os contornos geométricos a serem usinados. Numa biblioteca de ferramentas, mantida pelo CAM, são selecionados a forma geométrica da ferramenta e a tolerância do conjunto peça-ferramenta. Os caminhos da ferramenta são gerados automaticamente nas superfícies selecionadas, seguindo as estratégias de usinagem utilizadas (figuras 3 e 4) e fixação das peças adotadas para cada caso. Esta geração é feita através de algoritmos matemáticos implementados no CAM.

Os caminhos curvos figura 5 da ferramenta são interpolados linearmente através de pequenas retas, figura 6, gerando um arquivo de pontos chamado de CL-data, ou seja, dados de localização da ferramenta (CL significa cutter location). O CL-data é armazenado em formato binário, numa tentativa de reduzir o tamanho do arquivo e agilizar seu pós-processamento. O CL-data é escrito na sintaxe da linguagem de programação. Esta sintaxe é uma forma de alto nível que o controlador da máquina ferramenta é incapaz de ler e interpretar. Portanto, o CL-data precisa ser pós-processado por um pós-processador. Um pós-processador foi escrito para uma combinação específica de controlador e máquina utilizada no Laboratório de Usinagem. Ele converte os dados do CL-data em instruções e códigos G e M que o controlador pode aceitar, conhecidas como linguagem de baixo nível.

2.3 Simulação de usinagem

Após a codificação do programa, foi utilizada simulação para verificar não só os erros de sintaxe, mas também alguma eventual movimentação perigosa, não percebida anteriormente, que possa ocasionar choques da ferramenta de corte com elementos de fixação, com partes da máquina ou com a própria peça. Sistemas de simulação de processos de usinagem podem ser utilizados para verificar programas CN bem como para otimizar a fase de usinagem da produção mecânica de um elemento. Estes sistemas contribuem no sentido de melhorar a confiança e a eficiência do processo de usinagem bem como a qualidade do produto final.

2.4 Transferência de programas para o CNC

Os dados do CAM foram transferidos para a fresadora através de um sistema DNC (distributed numeric control, ou comando numérico direto), que basicamente é uma rede de chão-de-fábrica. Utilizou-se um PC, um cabo RS-232 e um software de comunicação. Esse sistema possibilitou ao operador da máquina transferir para o comando CNC programas armazenados no PC, e a utilização de alimentação contínua, (on-line) de file:///O|/Homepage/livrosalao/artigo_marcio.htm (3 of 5) [25-10-2002 18:19:10] programas quando os mesmos não cabem na memória do CNC. Executada e aprovada a simulação, foram realizados testes na máquina, fazendo-se inicialmente uma usinagem com uma peça de prova para, posteriormente, considerar o programa como pronto e aprovado. Na figura 7 está representado todas as etapas do processo de fabricação de implantes de titânio.

3. CONCLUSÃO

Os diversos tipos de implantes desenvolvidos no laboratório de usinagem apresentaram dimensões e geometrias dentro das tolerâncias de projeto. A utilização da tecnologia CAD-CAM, além de acelerar a fabricação, torna o processo mais flexível, facilitando alterações de projeto para a adequação às necessidades de cada paciente. O próximo passo será a plena implantação do processo de fabricação na indústria, tornando possível o atendimento a um maior número de pacientes.

4. PERSPECTIVA DE CONTINUIDADE OU DESDOBRAMENTO DO TRABALHO

O atual estado de desenvolvimento do projeto envolve a aplicação de todos os passos citados anteriormente em implantes de geometria e usinagem cada vez mais complexas. As placas parafusáveis, que já puderam ser fabricadas, foram plenamente aceitas pela empresa que forneceu os seus desenhos, o que valida todos os esforços no sentindo de prosseguir o trabalho.

Ainda há muitos pontos onde o trabalho pode ser aprofundado, além da possibilidade de estudo de sua extensão para outros tipos de produtos, tais como moldes e matrizes, que envolvem necessidade de grande conhecimento tecnológico, e também dependem de perfeita harmonia em todo o sistema operacional de manufatura (CAM/CAM/NC).

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ZEID, I. CAD/CAM theory and practice. New York: McGraw-Hill, 1991. 1052p. TEICHOLZ, E. CAD/CAM handbook. New York: MacGraw-Hill, 1985. 423p.

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GROOVER, M. P.; ZIMMERS JR., E. W. CAD/CAM: Computer aided design and manufacturing. Englewood Cliffs (N.J.): Prentice-Hall, 1984.

Simões, F. M. S.; Implementação de um sistema CAD/CAM para fresadoras CNC a partir de funções CAM integradas no CAD. Dissertação de Mestrado. Uberlândia: Universidade Federal de Uberlândia, MG, 1999.

http://www.sosdoutor.com.br/sosbucomaxilofacial/trauma_fraturamandibula.asp http://www.lavezzi.com/PDFs/LaVezzi_article.pdf http://www.bmpcoe.org/bestpractices/pdf/strit.pdf

AUTORES Márcio A Schmidt

Henrique Kohmann

Augusto Kunrath1 CURRÍCULO LATTES | GRUPO DE PESQUISA EMAIL 1 - Laboratório de Usinagem - Departamento de Engenharia Mecânica - Escola de Engenharia - UFRGS file:///O|/Homepage/livrosalao/artigo_marcio.htm (5 of 5) [25-10-2002 18:19:10]

Figura 1 - Placas de reconstrução facial por usinagem FIGURA 1 - MÁRCIO SCHMIDT

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Figura 2 - Seqüência de operações no sistema CAM utilizada para fabricação de implantes de titânio

FIGURA 2 - MÁRCIO SCHMIDT file:///O|/Homepage/livrosalao/marcio_figura1.htm [25-10-2002 18:19:23]

Figura 3 - Usinagem 2D

Usinagem 2D: o material é eliminado por sucessivos contornos paralelos em função do perfil da peça, para cada altura. Os movimentos podem ser em offset, do exterior para o interior, do inferior para o exterior e automático (otimizado), ou simples rasgos, com a ferramenta seguindo um contorno recortando a peça.

FIGURA 3 - MÁRCIO SCHMIDT file:///O|/Homepage/livrosalao/marcio_figura22.htm [25-10-2002 18:19:46]

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