ANDRÉ LUIZ ALVES GUIMARÃES

APLICAÇÃO DE TECNOLOGIAS ASSISTIDAS NA MODELAGEM DE

PRÓTESES ACESSÍVEIS UTILIZANDO PROGRAMAS CAD, CAM E RP

Trabalho referente a Iniciação Cientifica

PIBIC, da Universidade Estadual Paulista

(UNESP) “Júlio de Mesquita Filho”

Orientador: Prof. Dr. Luiz Antônio Vasques

Hellmeister

Bauru

2015

RESUMO

O processo de prototipagem rápida está mudando rapidamente o cenário de

manufatura, principalmente porque está permitindo à pessoa comum, sem

muitas habilidades especificas, construir em seu próprio lar o que quiser.

Auxiliado pelos já conhecidos softwares de projeto auxiliado for computador

(CAD) e manufatura auxiliada por computador (CAM), é possível

desenhar/projetar uma peça e gerar seu código G de uma maneira simplificada.

Com essa ideia, o presente trabalho busca averiguar e compreender o processo

de modelagem por depósito de material fundido (FDM), popularizado pelas

impressoras 3D, na confecção de próteses para mãos, de uma forma econômica

e de fácil acesso. Para isso é averiguado do custo para se construir uma

impressora 3D caseira, as características de suas diferentes configurações, além

das etapas necessárias para se iniciar a impressão de um objeto 3D. Outra parte

do trabalho é obter dados referente a mudança da resistência mecânica sofrido

pelo polímero após o processo de FDM.

Palavras-chave: prototipagem rápida, impressora 3D, prótese de mão, PLA.

ABSTRACT

The rapid prototyping process is rapidly changing the scene of manufacturing,

mainly because it is allowing the common people, without the normally required

skills, build in their own home whatever they want. Aided by the already known

software of computer aided design (CAD) and computer aided manufacture

(CAM), it is possible to design a part and generate its G-code in an easier way.

With this in mind, the given work aims to investigate and to understand the

process of fused deposit modeling (FDM), popularized by the 3D printers, at the

confection of hand prosthesis, in an unexpansive and accessible way. The cost

of build an home-build 3D-Printer, the characteristics of its default configurations,

and also the required steps to print a 3D object. Another part of this work is to

acquire data referring to the change of the mechanical resistance that happens

after the polymer goes through the FDM process.

Key-words: rapid prototyping, 3D printer, hand prosthesis, PLA.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO

2. OBJETIVOS

3. METODOLOGIA E MATERIAIS

4. IMPRESSORA 3D

a. PROJETO

b. CONSTRUÇÃO

c. CONVERSÃO PARA CÓDIGO G

5. IMPRESSÃO

6. PRÓTESE

a. IMPRESSÃO

b. TESTES PRELIMINARES

7. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS

8. REFERÊNCIAS

1. INTRODUÇÃO

Pessoas com deficiências físicas passam por diversas dificuldades no dia,

até o que parece ser a mais banal tarefa para pessoas comuns, como levantar

da cama e ir até a cozinha pegar um copo de água, pode ser um esforço para

aqueles que possuem deficiência nos membros, como pernas e mãos. De acordo

com o censo demográfico de 2010 realizado pelo IBGE, 23.9% da população

possui algum tipo de deficiência sendo a deficiência motora/física apontada

como presente em 7% da população.

A tecnologia para facilitar essas dificuldades já existem a algum tempo,

porém são de difícil acesso. Produtos de ponta chegam a custar mais de cem

mil Reais² e modelos mais “modestos” tem valor superior a dez mil Reais. Além

do preço, o fato de que poucas pessoas possuem acesso a tratamento de

reabilitação, de acordo com pesquisa realizada pela Fundação Banco do Brasil

e Fundação Getúlio Vargas, apenas 5% da população deficiente tem acesso a

esse tratamento². Combinando esses dois fatores, segundo a Abotec

(Associação Brasileira de Ortopedia Técnica), apenas 3% dos deficientes físicos

tem acesso a próteses de alta tecnologia.

Como, então, possibilitar grande parte da população a ter acesso a

próteses/órteses que melhorem suas respectivas vidas? Um modo é tornar a

prótese mais simples, de modo a cortar custos e facilitar a montagem e

adaptação pelo usuário. A ausência de componentes eletrônicos, sendo o

movimento puramente mecânico através do movimento do próprio usuário, e a

possibilidade de um produto feito em casa, através de tecnologias assistidas e

prototipagem rápida (RP), o custo é drasticamente reduzido, obtendo uma

prótese funcional e acessível para grande parte do população.

Com o uso de softwares de projeto auxiliado por computador (CAD) e de

análise e simulação, é possível diminuir as iterações necessárias para a

produção de um protótipo funcional, sendo possível desenvolver a prótese de

com menor custo, devido a utilização de testes preliminares estáticos e

dinâmicos antes mesmo da versão física. Graças a essa tecnologia, é possível

desenvolver próteses por si próprio ou adquirir projetos já feitos, disponibilizados

para download gratuito em sites como Thingverse³ e Cubify4. Outra tecnologia

utilizada é a de RP5, mais precisamente o método conhecido como FDM,

modelagem por deposição de material fundido, popularizado pelo uso de

impressoras 3D. O FDM pode ser definido como um processo de fabricação

através da adição de material em forma de camadas planas sucessivas, isto é,

baseado no princípio da manufatura por camada. Esta tecnologia permite

fabricar componentes (protótipos, modelos, etc.) físicos em 3 dimensões (3D),

com informações obtidas diretamente do modelo geométrico gerado no sistema

CAD, de forma rápida, automatizada e totalmente flexível, necessitando da

tecnóloga CAM (computer aided manufacturing) para fazer a transição entre o

modelo CAD e a linguagem de máquina (código G).

2. Objetivos

O objetivo deste trabalho é construir uma impressora 3D a partir do

modelo Open-Soure Graber I3, com materiais de fácil obtenção e baixo custo e

realizar testes de tração a fim de avaliar a resistência mecânica, módulo de

elasticidade e outros parâmetros menores, com as diferentes configurações

padrões existentes, grosseira, comum e final, utilizando diferentes métodos de

preenchimento, como triângulos, retilíneo, hexágono (favos de mel), linha,

concêntrico etc.

Uma prótese usando material impresso em PLA foi montada e o preço

total da confecção foi averiguado e testes serão realizados com a mesma para

averiguar sua funcionalidade.

3. Metodologia

A impressora foi construída com estrutura em MDF, Medium Density

Fiberboard, possuindo 3 eixos, x, y e z, sendo o eixo x e y movidos cada um por

um motor de paço acoplado a um sistema de polia-correia, já o eixo z é movido

por dois motores de paço acoplados a fusos. O quinto motor é responsável pela

extrusão do material através de um extrusor e bico de aquecimento, possuindo

esse modelo apenas um, possibilitando apenas a extrusão de um material/cor

por vez.

A prótese será projetada através de um software CAD, convertido em STL

(Standard Template Library, em português, Biblioteca Padrão de Gabaritos um

outro software fatia o modelo STL em finas camadas transversais, para que

possa ser feita a construção física do modelo, através uma impressora 3D que

empilha camada sobre camada, utilizando o modo de modelagem por deposição

de material fundido (FDM, Fused Deposition Modeling).

O primeiro modelo será uma mão mecânica já existente, projetado pela

Robohand, para cobrir a falta de dedos, executando o movimento de abrir e

fechar. Esse primeiro modelo será testado pelo aluno, e será executado testes

para determinar a resistência mecânica da prótese, realizando ensaios de tração

para saber a tensão máxima antes do rompimento, consequentemente a carga

máxima suportada.

4. Impressora 3D

a. PROJETO

Para que fosse possível a utilização do processo de FDM foi construída

uma impressora 3D, com estrutura de MDF e guias de aço cromado retificado.

O modelo da impressora é a Graber i3 6, modelo open-source, parte da

comunidade RepRap, impressoras auto replicáveis, ou seja, impressoras feitas

com partes impressas, e caseiras. Esse modelo especifico apenas utilizada a

extrusora feita com material impresso, sendo a estrutura cortada a laser ou em

CNC, feita de MDF, o que facilita a sua confecção e fator determinante para a

escolha do modelo.

Figura 1: Renderização da estrutura da impressora em CAD.

Figura 2: Esquema de eixos da impressora.

b. CONSTRUÇÃO

Após a determinação modelo e adquirido os desenhos em CAD, o projeto

foi enviado para a empresa GTMax3D que cortou a estrutura a laser.

Figura 3: Peças da estrutura cortada a laser, cortesia de GTMax3D

Os motores, o extrusor, bico aquecido e as peças eletrônicas foram

adquiridas via Mercado Livre e as ferragens, eixos lineares, acoplamentos

elásticos, polias, correias, rolamentos, fusos e molas foram compradas em

diversas lojas da cidade de Bauru.

Peças Qtd Preço Peças Qtd Preço

Fuso Itens Gerais

M5 x 292mm 2 Molas 4 R$15,00 Eixo Linear Abraçadeira de nylon 7 8mm x 317mm 2 R$44,38 Rolamento 608zz 2 R$5,08 8mm x 342mm 2 R$47,88 Acoplamento Flexível 5mm x 5mm 2 R$19,92 8mm x 400mm 2 R$56,00 Rolamento Linear LM8UU 10 R$72,00 Parafusos Extrusor R$75,00 Allen M3x10mm 19 Polia GT2 6mm 2 m R$10,99 Allen m3x12mm 6 Polia com 20 dentes GT2 5mm 2 R$16,95 Allen M3x16mm 5 Eletrônicos Allen M3x20mm 42 Kit Arduino Mega2560 R3 ATmega2560 1 R$269,90 Allen M3x25mm 6 a) Ramps 1.4 1 Allen M3x40mm 8 b) Controlador LCD 1 Allen M4x16mm 2 c) Modulo de driver A4988 para motor

de paço 5

Escareado M3x20mm

4 Mesa aquecida 1 R$78,50

M8x45mm 1 Motor de paço Nema 17 1 R$450,90 M8x30mm 1 Chave de fim de curso 3 R$8,90 Arruela Fonte 12V 15A 5 R$34,00 M3 100 Porca 1 M4 4 M3 M8 3 M3 Nyloc 55 M4 25 Bico Aquecido 1 M5 2 Estrutura em MDF 1 R$103,00 M8 2

Tabela 1: Lista de Materiais, incluindo preços das não ferragens.

A impressora foi montada pelos alunos orientados do Professor Dr. Luz

Antônio Vasques Hellmeister e supervisionados pelo mesmo. O preço das peças

sem as ferragens, cotado no dia 21/09/2015, foi de R$1324,92 e com as

ferragens, o preço não passa de R$1350,00. Impressoras comerciais com

características parecidas, como a Cube e 3DMachine ONE, custam por volta de

R$6000,00, ou mesmos outras impressoras RepRap vendidas prontas, custam

mais de R$2000,00.

Figura 4: Construção da Impressora.

Figura 5: Impressora 3D Graber i3 pronta e funcionando.

c. Conversão para Código G

A impressora 3D é, similar a uma fresadora CNC, uma máquina operada

por controle numérico, sendo assim é necessário uma linguagem de

programação para faze-la funcionar. Essa linguagem, conhecida como código G.

Porém, diferente de maquinas industriais, a impressora é feita para utilização

doméstica, por essa razão não é necessário conhecer código G, mas ainda

assim é necessário gera-lo para executar o trabalho. Para isso existem os

ferramentas conhecidos como CAMs, manufatura assistida por computador.

Após o desenho do que for impresso estiver pronto e salvo em STL, é

necessário que ele seja “fatiado” em camadas e cada camada convertida para

código G. Foi utilizado o softwere gratuito MatterControl, que contém a

ferramenta MatterSlicer7, capaz de dividir o desenho STL em várias camadas e

em seguida converte-las para código G. Através desse programa de

computador, é possível para o usuário escolher todos os parâmetros de

impressão, como a espessura da camada, formato e densidade de

preenchimento, velocidade de avanço, entre outros.

Figura 6: Visão do programa MatterControl, com o objeto 3D fatiado em camadas e o código G

gerado

5. Impressão

Foram feitos os primeiros testes com ABS, impressos sobre uma placa de

vidro, revestida com spray para fixação de cabelo, para criar aderência do

plástico ao vidro. Embaixo da placa de vidro está localizada a mesa aquecida,

que mantem a placa de vidro próxima a cem graus Celsius, sendo responsável

por evitar o empenamento do material devido ao choque térmico que existiria se

o material recém fundido, com uma temperatura no bico de 230 graus Celsius,

entrasse em contato direto com o vidro frio a temperatura ambiente.

Para realizar a impressão, o filamento deve ser colocado no extrusor, de

forma a manter contado com o parafuso trator. A impressora deve ser aquecida,

elevando as temperaturas do bico e da mesa aquecida, respectivamente, para

210-260 e 100 graus Celsius para ABS e 200-225 e 100 graus para PLA. Ha

duas formas de carregar o código G para a impressora, uma delas sendo pelo

próprio software (usado nesse projeto foi Repetir-Host) ou salvando o código G

em um arquivo de texto e em seguida inserido, através de um cartão de memória,

no leitor da impressora.

Figura 7: Primeira impressão utilizando ABS.

6. Prótese

a. IMPRESSÃO

A prótese foi baseada no modelo Robohand9, constituída de dedos mecânicos, ativados através da tração de fios tensionados ligados ao punho. A escolha desse modelo se deu devido a sua simplicidade, possibilidade de alterar seu tamanho facilmente em programas de CAD, por ser leve, já que de acordo com Beller e Dollar9, muitas das próteses comercias hoje são descritas pelo usuário como sendo muito pesadas.

Figura 8: Render Robohand

As peças foram impressas em PLA, demorando cerca de 9h e 27min para

ficarem prontas.

Figura 9: Prótese impressa com a impressora de fabricação própria.

b. TESTES PRELIMINARES

Para se ter uma ideia do que ocorre com o material durante a impressão

e verificar qual a resistência do material final, foi realizado teste de tração em

dois corpos de prova, diferenciados pela cor, verde e preto, com a mesma área

da seção transversal, com 40% de preenchimento e do tipo colmeia (hexagonal).

Figura 10: Corpos de prova

Os testes foram realizados em uma máquina de tração analógica, com

gráficos plotados a caneta em um papel milímetro e carga verificada por ponteiro

analógico, como mostrado na figura 11.

Figura 11: Medição do ensaio de tração

Os resultados foram plotados em um gráfico (figura 12) e inseridos na

tabela 2

Figura 12: Diagramas tensão deformação

Para os diagramas, cada milímetro no eixo Y (para cima, carga), equivale

a 30kgf e a cada milímetro no eixo X (para a direita, deformação), equivale a

0,5mm.

PLA Largura Espessura Carga Elonga/to l0 ε% σ σ tabelado

mm mm Kgf mm mm KPa KPa

Verde 14.1 3.3 415 0.85 /100 0.85 87495.1644 65713.94886

Preto 14.1 3.3 410 0.80 /100 0.80 86441.0058 Tabela 2: Ensaio de tração, resultados.

Figura 13: Corpos de prova submetidos a tração.

7. CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS

A construção de uma impressora 3D, feita com materiais de fácil

obtenção, provou ser uma alternativa econômica em comparação com os preços

atuais das impressoras 3D disponíveis no mercado.

O peso final dos componentes impressos da prótese, em PLA, é de

63.17g, muito mais leve do que a maioria das próteses disponíveis no mercado9.

Levando em conta o preço do material, em torno do R$110 reais (disponível no

Mercado Livre), o custo material é de R$6,95, somado com o termoplástico

moldável (interface braço-prótese), utilizado em terapia ocupacional, o preço não

ultrapassa R$40,00.

Figura 14: Prótese final

Portanto, se existir a possibilidade de utilizar uma impressora já montada,

é possível produzir próteses a um preço muito inferior comparado a aquelas

comercializadas normalmente, sem perder a funcionalidade já que esse prótese

possui a capacidade de agarrar objetos comuns, até mesmo pequenos como

uma moeda.

Após a impressão, foi averiguado um aumento na resistência a ruptura no

material, sendo a média dos dois corpos de prova 32,34%. Essa ocorrência

necessita averiguação, realizando-se mais testes com vários corpos de provas,

em uma máquina de preferência digital, que possui maior facilidade de leitura.

Se for confirmado o aumento, os motivos para tal devem ser estudados.

A prótese será submetida a uso diário, para averiguação de suas falhas,

o que deve ser melhorado e qual seu tempo estimado de vida. Após coletados

esses dados, um novo modelo deve ser apresentado, visando melhorar as falhas

e manter os pontos positivos.

8. Referências

[1] Censo IBGE 2010, Disponível em: <http://www.ibge.gov.br/home/>.

Acessado em 19 set. 2015

[2] GARCIA, Vera. Próteses no Brasil são para poucos, ago. 2009. Disponível

em: <http://www.deficienteciente.com.br/2009/08/proteses-no-brasil-sao-para-

poucos.html>. Acesso em: 19 set. 2015

[5] VOLPATO, N., Prototipagem Rápida - Tecnologias e Aplicações, editora

Edgard Blucher 2007.

[6] Impressora 3D modelo Graber i3. Disponível em:

<http://reprap.org/wiki/Graber_i3>. Acesso em: 20 set. 2015

[7] Informação sobre ferramenta de CAM, MatterSlice. Disponível em:

<http://reprap.org/wiki/MatterSlice>. Acesso: 21 set. 2015

[8] RODA, Daniel Tietz, Propriedades do polímero ABS, Jan 2014. Disponível

em: <http://www.tudosobreplasticos.com/materiais/abs.asp#>. Acesso em: 21

set. 2015

[9] BELTER, J. T.; DOLLAR, A. M., Performance Characteristics of

Anthropomorphic Prosthetic Hands. 2011. Disponível em:

http://www.eng.yale.edu/grablab/pubs/Belter_ICORR2011.pdf Acesso em: 09

fev. 2015