DOMENIUL: INGINERIE INDUSTRIALĂ PROGRAMUL DE STUDIU: CONCEPȚIE, FABRICAȚIE ȘI MANAGEMENT ASISTATE DE CALCULATOR FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: ÎNVĂȚĂMÂNT CU… [308758]

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALĂ ȘI TEHNOLOGICĂ

DOMENIUL: INGINERIE INDUSTRIALĂ

PROGRAMUL DE STUDIU: CONCEPȚIE, FABRICAȚIE ȘI MANAGEMENT ASISTATE DE CALCULATOR

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: ÎNVĂȚĂMÂNT CU FRECVENȚĂ

LUCRARE DE DISERTAȚIE

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC

CONF.DR.ING. BUIDOȘ TRAIAN

ABSOLVENT: [anonimizat]

2019

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALĂ ȘI TEHNOLOGICĂ

DOMENIUL: INGINERIE INDUSTRIALĂ

PROGRAMUL DE STUDIU: CONCEPȚIE, FABRICAȚIE ȘI MANAGEMENT ASISTATE DE CALCULATOR

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: ÎNVĂȚĂMÂNT CU FRECVENȚĂ

APLICAȚII ALE PROTOTIPĂRII RAPIDE ÎN MEDICINĂ. STUDIU DE CAZ

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC

CONF.DR.ING BUIDOȘ TRAIAN

ABSOLVENT: [anonimizat]

2019

Rezumat

Expansiunea tehnologică din ultimele decenii aduc reale beneficii dezvoltării noastre ca și societate fiind pus în prim plan o calitate a vieții mult mai mare și dorința continuă de evoluție și optimizare a tuturor elementelor care ne înconjoară.

[anonimizat], sau medicină sau alte domenii care fac parte din viata noastră de zi cu zi au luat un avânt considerabil în multe cazuri fiind vorba de o coexistență între acestea.

Nu este de o mare noutate faptul că de ani buni încoace domeniile ingineriei curtează cu mare seamă domeniile medicinei livrând soluții de reala eficiență pentru a [anonimizat].

Pe lângă aspectele legate de evoluția proceselor tehnologice, o [anonimizat] o mare importanță pe aspectul legat de biocompatibilitate.

Biocompatibilitatea este esențială în cazul implanturilor cât și în cazul elementelor sau dispozitivelor care intră în contact cu organe sau mucoase sensibile sau care au contact cu sistemul circulator uman.

Această lucrare dorește să prezinte o abodare modernă a utilității sistemelor de inginerie inversă și prototipare rapidă în cadrul aplicațiilor medicale. Deși este un proces cu o [anonimizat] a ingineriei cu medicina.

Cuprins

Capitolul 1 – [anonimizat] 2 – [anonimizat] 3 – [anonimizat] 4 – Concluzii –

Capitolul 5 – Bibliografie –

Capitolul 1 – Noțiuni generale despre prototiparea rapidă

1.1 – Introducere și stadiu actual

Prototiparea rapidă reprezintă o metodă neconvențională de fabricație fiind bazată pe realizarea pieselor prin metoda depunerii de material. [anonimizat].[1,2]

Prototiparea rapidă este cunoscută în cea mai populară formă sub imprimarea 3D. Imprimarea 3D [anonimizat], acestea variind de la plastic la materiale sinterizate. Evoluția imprimării 3D [anonimizat] de calculator, acestea contribuind foarte mult la realizarea obiectelor complexe în formatul virtual.

Nu în ultimul rând, procesul de imprimare și tehnologia folosită în interiorul imprimantelor 3D care au fost în așa măsură îmbunătățite încat realizarea formelor complexe rezultate din programele asistate de calculator sunt reproduse într-o manieră exactă si calitativă.

Vorbind despre procesul de prototipare rapidă, aceasta reprezintă în sine un circuit închis care are la bază noțiuni mult amintite anterior: optimizare și îmbunătățire. Prototiparea rapidă reprezintă un ciclu care evoluează pentru a îmbunătății orice sistem sau obiect supus acestei acțiuni. [2]

Fig.1 – Procesul de prototipare – are la bază ciclul continuu de prototipare-revizuire-rafinare

Metodele de prototipare rapidă sunt prezente sub forma a multor tehnologii fiecare având avantaje și dezavantaje și fiecare fiind suitabil unor anumite bugete de care dispun cei care folosesc aceast proces. Metodele sunt următoarele:

Stereolitografierea (Stereolithography – SLA)

Stereolitografia a fost primul proces comercializat pe piață. Este cel mai pe larg cunoscut și folosit în proporție de 37% pe piață. În procesul SLA, fiecare strat este creat prin tratarea selectivă a unei rășini fotosensibile folosind un laser cu UV. Deoarece acest proces folosește rășina lichidă ca material de bază, structurile de susținere sunt cerute pentru a sprijini suprafețele cu orientare în jos. Odată ce piesa a fost construită, trebuie să fie apoi tratată într-un cuptor cu UV. Odată ce acest proces este terminat, suporturile de susținere sunt îndepărtate.

Depunere de material topit (Fused Deposition Modeling – FDM)

Materialul sub formă de filament trece printr-un cap de extrudare și este încălzit până aproape de punctul său de topire. Acest material este apoi scos prin capătul capului și depozitat pe masa mașinii sub forma unui singur fir de material; aceste „fire” sunt depuse unul după altul pentru a crea stratul. O data ce stratul a fost terminat, masa de construcție coboară cu un strat și procesul continuă până când următorul strat este completat. Piesele cu suprafețe orientate în jos necesită susținere substanțială. În timp ce la celelalte procese aceste susțineri sunt generate automat, în cazul FDM se folosește material diferit de cel al piesei. Materialul este un plastic ABS, și piesele construite în timpul procesului au o tărie de 80% din cea a materialului de origine.

Fabricarea de piese stratificate prin laminare (Laminated Object Manufacturing – LOM)

În LOM, obținerea straturilor ce compun piesa se face prin decuparea dintr-o foaie de material solid (hârtie), folosind o sursa de laser infraroșu. Materialul care nu formează stratul prezent este „făcut cuburi” care vor fi îndepărtate manual la sfârșitul procesului. Odată ce fiecare strat este terminat, este legat la cel anterior folosind un adeziv (aflat pe partea inferioara a colii de hârtie) activat de căldură.

Sinterizare laser selectivă (Selective laser sintering – SLS)

Procesul SLS este în prezent unul din cele mai versatile de pe piață, datorită în mare parte numărului mare de materiale disponibile. În procesul SLS, pulberea este sinterizată selectiv sau topită de o sursă laser infraroșu. Din nou, odată ce un strat este terminat, patul de pulbere coboară pe o grosime de un strat și un nou strat de pulbere este depus și procesul continuă. Nu sunt necesare dispozitive de susținere, deoarece pulberea nesinterizată susține materialul piesei.[1,2,9]

Tabel 1.1. – Analiză comparativă între metode conveționale de prelucrare și imprimare 3D

De asemenea dacă este să punem în comparație metodele noi și neconvenționale au anumite beneficii față de metodele convenționale folosite în industrie. Această comparație putem să o vedem în tabelul prezentat mai sus.

Imprimarea 3D nu ar putea avea eficiența prezentată dacă nu ar avea ajutorul programelor de proiectare asistată de calculator. Proiectarea asistată de calculator sau Computer Aided Design(CAD), aceasta fiind forma cea des întalnită, reprezintă o treaptă a evoluției ingineriei care a apărut prin anii 1970 și inițial a reprezentat o trecere de la planșa de desenat la monitorul unui calculator. Între timp, aceastea au evoluat spre un alt nivel, pornind de la desenul 2D care era transformat în desen 3D sub forma unui cadru de sârmă numit și wireframe până la programe de proiectare parametrizată și care incorporează module de inginerie asistată de calculator (Computed Aided Engineering-CAE), producție asistată de calculator (Computer Aided Manufacturing-CAM) și analiză cu element finit (Finite Element Method). [4,8]

Cerințele la care trebuie să se supună un sistem de proiectare asistată de calculator sunt urmatoarele:

Parametrizarea desenelor 3D astfel în loc de măsurători precise elementele vor fi interconectate prin funcții matematice;

Realizarea de modele hibrid care reprezintă combinații între modele solide și de suprafața pentru un efect optim;

Bază de date continuă și lipsită de date stocate în mod inutil de mai multe ori pentru a îmbunătăți capacitatea de stocare și viteză programului;

Posibilitatea de conectare la un sistem de prototipare rapidă;[5]

Fig.2 – Ciclul proceselor asistate de calculator – CAD-CAE-CAM

1.2 – Ingineria inversă ca și derivație a prototipării rapide

Conceptul de inginerie inversă reprezinta un procedeu care a cunoscut o creștere fulminantă în ultima perioada datorită materialelor noi și ușoare de prelucrat, în special mase plastic, o oarecare rentabilitate în achiziționarea echipamentelor aferente tehnologiei de Reverse Engineering, și o înclinare spre inovare a generațiilor noi, fiind un interes crescut asupra ingineriei și prototipării.

Procesul de Reverse Engineering este un proces de analizare al unui sistem pentru a determina componentele și relațiile dintre acestea, pentru a crea reprezentări ale sistemului într-un alt format la un nivel mai ridicat și pentru a crea reprezentarea fizică a acestui sistem cât și îmbunătățirea și dezvoltarea atributelor acestuia.

Ingineria inversă este înrudită într-o mare măsură cu prototiparea rapidă deoarece o include pe acesta în timpul proceselor. Imprimarea 3D este imperativ necesară pentru a putea desfășura corect întreg procesul deoarece în cadrul ingineriei inverse vorbim despre optimizarea pe baza unor informații deja receptate din piesa analizată.

Elementul auxiliar aflat în procesul de inginerie inversă o reprezintă dispozitivul care analizează obiectul, sistemul sau sub-sistemul dorit. În cele mai dese cazuri vorbim despre un scanner 3D care „fotografiaza” elementul analizat tridimensional si transpune obiectul respectiv sub forma digitala in forma unui nor de puncte. Mai departe acest nor de puncte este rafinat și transpus sub forma unui solid tridimensional care mai departe poate fi imbunătățit într-un program de proiectare asistată de calculator.

Ingineria inversă de reconstrucție este utilă pentru a analiza funcționalitatea produselor, pentru a analiza sub-componentele, estima costuri și pentru a identifica posibile încălcări de patent. De asemenea, se poate folosi pentru a completa documente pierdute sau niciodată scrise, în mod specific pentru piese proiectate înainte de dezvoltarea programelor CAD.[7,8,9]

Fig.3 – Procesul de Inginerie Inversă

Ingineria inversă are originea în analiza dispozitivelor pentru a investiga avantajele comerciale sau militare. Scopul este acela de a afla deciziile de design al produselor finite, cu cunoștințe minime suplimentare cu privire la procedurile implicate în producția originală.

Fig.4 – Scanner 3D – Elementul de bază în cadrul inginerie inverse care are ca și rol achiziția de date din modelul analizat. Reprezintă puntea de legatură între solidul analizat și solidul reprodus virtual

Aceleași tehnici sunt ulterior cercetate pentru aplicarea acestora la sistemele analizate existente, nu pentru scopuri industriale sau de apărare, ci mai degrabă pentru a înlocui documentația incorecta, incompleta, sau indisponibilă.

Motivațiile ingineriei inverse sunt următoarele:

• Interfațare. Ingineria inversă poate fi folosita atunci când un sistem ar trebui să se cupleze cu un alt sistem și va trebui stabilit modul în care ambele sisteme vor lucra. Aceste cerințe există de obicei pentru interoperabilitate.

• Spionaj militar sau comercial. Aceasta presupune investigarea dușmanului în ceea ce privește cele mai recente descoperiri prin furtul sau capturarea unei unități prototip și dezmembrarea acestuia.

• Îmbunătățirea deficiențelor de documentare. Ingineria inversă poate fi utila atunci când documentația unui sistem în ceea ce privește producția, operarea sau întreținerea are limitări și designeri originali nu sunt capabili să o îmbunătățească. Ingineria inversă poate oferi cele mai recente documentații necesare pentru înțelegere și utilizare.

• Analiza securității unui produs. Aici, metoda mai sus amintita se folosește pentru a analiza modul în care funcționează un produs, investiga specificațiile componentelor sale, estimarea costurilor și identificarea potențială a încălcării brevetului. Achiziția datelor sensibile prin ingineria inversă este aplicata la demontare, analiza și proiectarea unei componente noi.

• Corectarea erorilor: Pentru a rezolva sau pentru a îmbunătăți sistemul care nu mai este suportat de către creatorii săi.

• Crearea de duplicate fără licență/neaprobate.

• Academică, cu scopuri de învățare. Ingineria inversă în scopuri de învățare poate fi folosita pentru a înțelege aspectele cheie ale unui design de succes. • Inteligență tehnică competitiva. Înțelegerea concurentei, ceea ce aceștia produc, față de ceea ce ei spun că produc. Lucrarea de fata poate fi încadrată la „academică, cu scopuri de învățare”. Compresorul cu unde de presiune, descris în capitolul următor, prezintă avantaje deosebite, dar și limitări, care pot fi înțelese cu ajutorul acestei metode.[4,9]

Fig.5 – Procesul de Inginerie Inversă reprezentată în format complex

Formatul complex prezentat in Fig.5 ne arata pasii unei analize amanuntite pe care se bazeaza procesul de inginerie inversa. Pasii sunt urmatoarele:

1.Determinarea scopului proiectului; se află motivul pentru care se dorește revizuirea proiectului, care de cele mai multe ori o reprezintă optimizarea și îmbunătățirea piesei supuse analizei.

2.Determinarea parametrilor proiectului; selectarea parametrilor care vor putea fi optimizate.

3.Determinarea elementelor ce vor fi supuse procesului; alegerea elementelor care vor putea fi supuse procesului de optimizare și îmbunătățirile si care nu aduc atingere stării optime a piesei inițiale.

4.Determinarea funcției produsului; aici se verifică dacă produsul sau piesa supusă procesului îndeplinește criteriile funcționale pentru care a fost gândită și mai apoi optimizată.

5.Dezasamblarea produsului: demontarea produselor care au în componență diferite piese, pentru a se putea realiza un proces cât mai eficient și precis.

6.Analiza fiecarei componente: examinarea componentelor prin reproducerea acestuia în diferite formate, cel mai uzual fiind reproducerea într-un program de proiectare asistată de calculator.

7.Deducerea procesului pentru construcția produsului: prezumarea proceselor tehnologice prin care se poate prelucra produsul, în cazul cel mai frecvent se folosește prototiparea rapidă pentru a menține un grad de optimizare continua ridicată.

8.Analiza unor eventuale optimizări: procesul de inginerie inversă la care este supus obiectul este într-o permanenta îmbunătățire și optimizare, fapt la care contribuie și prototiparea rapidă care facilitează realizarea unor produse prototip în timp foarte scurt și care pot să fie îmbunătățite pe baza unor revizuiri ulterioare.

9.Documentarea și comunicarea rezultatelor: ultimul proces o reprezintă documentarea soluțiilor care este de o importanță majoră mai ales în cazul reperelor analizate care nu dispun de documentație anterioară.[1,2,4]

1.3 – Materiale

Evoluția tehnologiei aduce în prim plan și noi descoperiri legate de materiale. Caracteristicile acestora se îmbunătățesc de pe o zi pe alta și capătă complet alte întrebuințări, fiind mai evoluate de la o generatie la alta. De la materiale sinterizate care apar sub forma pulberilor până la nanotehnologii și realizarea aerogel-ului, materialele din zilele noastre se diferențiază de predecesorii săi printr-un comportament mai bun la diferite sarcini și tensiuni, dispunând în același timp și de o durabilitate crescută.

Preponderent în domeniul prototipării rapide avem de-a face cu mase plastice care pot fi mai ușor prelucrate în interiorul imprimantelor 3D. Indiferent de metoda de imprimare(SLS, FDM), masele plastice confera o calitate bună pieselor prelucrate, fiind ușor de reprodus și astfel fiind reduse aspectele temporare ale operatiilor.

In cazurile de față, materialul folosit este Acrilonitril-Butadien-Stiren, cunoscut și sub denumirea uzuala de ABS.

ABS-ul este un  polimer amorf produs prin emulsie sau prin polimerizarea în masă a acrilonitrilului cu stirenul în prezența polibutadienei. Cele mai importante proprietăți ale ABS-ului sunt rezistența la impact și duritatea.[2]

Fig.6 – Creier, folosit in scop didactic, imprimat 3D din ABS

ABS are rezistență chimică și rezistență la cracare la soluții anorganice de sare, alcalii,acizi minerali (cu excepția acizilor oxidanți puternici) și unele uleiuri minerale, vegetale și animale. ABS este ușor de prelucrat pentru a îndepărta toleranțele, este dur, stabil și dimensional și poate fi, de asemenea, termoformat. Uleiurile pe bază de petrol, solvenții și vopselele nu trebuie utilizate deoarece acestea vor provoca degradarea materialului.

ABS este, de asemenea, unul dintre puținele materiale nemetalice care pot fi ușor galvanizate (după ce a fost aplicată o suprafață de placare electroless folosind un procedeu selectiv de gravare).

Partea medicala în schimb se lovește de alte greutăti. Este imperativ necesara ca la realizarea unor dispozitive sau organe acestea să indeplinească criteriul de biocompatibilitate.

Știința biomaterialelor este „știința care se ocupă cu interacțiunile dintre organismele vii șimateriale”, iar biomaterialeleca fiind „orice substanță sau combinație de substanță, de origine naturală sau sintetică, care poate fi folosită pe o perioadă de timp bine determinată, ca un întreg sau ca o parte componentă a unui sistem care tratează, grăbește, sau înlocuiește un țesut, organ sau o funcție a organismului uman”

Astfel s-a născut știința biomaterialelor cu un vocabular medical și științific îmbogățit de noi termeni, destinați definirii interacțiunii între un organism viu si un material.

Ortopedia, chirurgia estetica, oftamologia, chirurgia maxilo-facială, cardiologia, urologia si neurologia și practic toate specialitățile medicale nu numără mai puțin de 400 de produse diferite și 10% din activitățile medicale necesită utilizarea de biomateriale în scopuri de: diagnosticare, prevenție și terapie.

Din categoria dispozitivelor medicale fac parte următoarele materiale: polimerii, metalele, ceramicele și compozitele.

O gamă largă de polimeri se folosesc în aplicațiile medicale, aceasta datorându-se faptului că aceștia segăsesc sub diferite forme complexe și compoziții (solide, fibre, fabricate, filme și geluri). Totuși în cazul implanturilor folosite la protezarea articulațiilor aceste materiale se folosesc mai puțin datorită faptului că nu îndeplinesc în totalitatea proprietățile mecanice ce se necesită în astfel de cazuri.Metalele sunt unele dintre cele mai folosite biomateriale în cazul implanturilor ortopedice, și nu numai. Acestea sunt cunoscute pentru rezistența mare la uzură, ductibilitate și duritate ridicată.Cel mai des folosite metale pentru realizarea implanturilor sunt otelurile inoxidabile, aliajele de cobalt-crom-molibden, titanul si aliajele de titan.

Principalele dezavantaje ale acestor metale sunt rigiditatea ridicata pe care o au in comparatie cu țesuturile gazdă, precum și tendința de a crea artefacte în cazul procedeelor de diagnosticare avansate (investigarea cu computerul tomografic și rezonanță magnetică).De asemenea, oțelurile inoxidabile și aliajele de cobalt cu crom sunt predispuse la coroziune,eliberând în organism ioni metalici ce pot cauza reacții alergice.[5,10]

Fig.7 – Implant bi-component din metal și plastic realizat la Universitatea din Waterloo – Canada

Aceste materiale utilizate in medicina se pot clasifica în mai multe domenii astfel:

Materialele bioinerte cum ar fi titanul, tantalul, polietilena și alumina, expun o foarte mică interacțiune chimică cu țesuturile adiacente. Țesuturile pot adera la suprafața acestor materiale inerte fie prin creșterea acestora în microneregularitățile suprafeței (osteointegrare) fie prin folosireade adeziv special (acrilat). Pe termen lung, acesta din urmă nu este modul ideal de fixare aimplanturilor, de regulă cele ortopedice și stomatologice.

Materialele bioabsorbante cum ar fi fosfatul tricalcic, acidul copolimeric polilactic-poliglicolic,chiar și unele metale, sunt astfel concepute încât acestea să poată fi ușor absorbite de organism și înlocuite de țesuturile adiacente (țesutul osos sau pielea). Acest tip de materiale sunt folosite în cazul transportului de medicamente sau în cazul structurilor implantabile biodegradabile cum ar fi ața chirurgicală.

Materialele bioactive sunt materialele sticloase, ceramicele, combinațiile ale materialelor sticloase cu ceramicele și hidroxiapatita care conține oxizi de silicon și alți constituenți de materiale care ajută la formarea de legăturichimice cu țesutul osos. Aceste materiale sunt bioactive datorită legăturilor pe care acestea lerealizează în timp cu țesutul osos și în unele cazuri cu țesutul moale. În particular, are loc o reacțiede schimb de ioni între materialul bioactiv și lichidele corpului, prin care particule de material difuză în lichid și viceversa, rezultând în timp, un strat biologic activ de fosfat de calciu, care este chimic și cristalografic echivalent cu structura osoasă. De asemenea, materialele bioactive par sa fie raspunsul ideal in cazul fixari oaselor in urma fracturilor, dar nu sunt potrivite in cazul implanturilor de articulatii, acolo unde gradul de frecare dintre materialele in contact este foarte mare.[11]

Capitolul 2 – Abordări și aplicații ale prototipării rapide în medicină

2.1 – Achiziția de date

Achiziția de date reprezintă un proces de captură a unei forme tridimensionale a unui organ folosind dispozitive de măsură care pot sau nu să atingă organul respectiv. Preponderent, în zona medicala avem de-a face cu metode non-contact datorită inaccesibilității asupra organelor posibil analizate.

Imagistica medicala este folosită în general pentru a vizualiza configurația sistemului osos, organelor sau a țesuturilor dar au și posibilitatea să trimită imagini scanate, date și informații adiționale în format recunoscut de programele inginerești asistate de calculator.

Cele mai cunoscute metode o reprezintă: Computer-Tomograf (CT), Rezonanța Magnetică (RMN), Tomografia, Raze X și ultrasunetele. Toate aceste metode aduc în prim plan date importante despre structura anatomica care poate fi folosită mai departe în diagnosticare și de asemenea poate fi folosit mai departe in obținerea datelor despre structurile geometrice ale corpului.[4]

2.2 – Procesarea datelor rezultate

Informațiile obținute prin tehnicile de imagistică medicală amintite anterior pot fi rafinate în programe de proiectare asistată de calculator special gândite pentru domeniul medical: MIMICS, 3D Doctor, Voxim, etc.. Imaginile rezultate sunt transpuse sub formă de straturi care sunt pe urma stivuite pentru a obține diferite elemente componente. Aceste programe realizeaza aceea segmentare necesara a anatomiei unui organ prin metode de selecție tridimensionale speciale și diferite subprograme de editare care realizează interfațarea dintre datele rezultate din Computerul-Tomograf sau Rezonanța Magnetică și scanarea și sistemul de prototipare rapidă.

Aceste programe au ca și caracteristici permitivitatea modificării imaginilor definind diferite densități sau modelarea anumitor zone de interes care conteaza net mai mult în analiza separată a unor organe. Un alt avantaj al acestor programe o reprezintă posibilitatea segmentării și vizualizării elementelor obținute pe baza imagisticii care pe urmă pot fi convertite în uzualul format de date STL care este compatibil cu marea majoritate a sistemelor de prototipare rapidă.[4]

Fig.8 – Captură de ecran din progrmaul MIMICS reprezentând o vertebră în diferite opțiuni de simulare – primul fiind formatul STL, al doilea discretizarea pentru analiză cu element finit, al treilea – distribuția de material

2.3 – Aplicații

Prototiparea rapidă își are aplicativitatea în medicină datorită consecvenței din multe ramuri ale ingineriei. Inevitabil procedeele de inginerie inversă și prototipare rapidă și-au găsit rostul și în varii domenii ale medicinei și a domeniilor conexe acestuia.

2.3.1 Planificarea chirurgicală

Prototiparea rapidă s-a dovedit ca fiind eficientă în planificarea chirurgicală, deoarece modelele simulate și realizate virtual oferă un real ajutor pentru a structura o operație, pentru a studia componenta și structura osului sau a altor organe supuse intervenției chirurgicale și mai ales pentru a reduce timpii de operație și de a reduce riscurile acestora printr-o eficientizare a etapelor și până în final la facilitarea unui diagnostic și recuperare rapidă. De asemenea aceste modele pot fi folosite și pentru a înțelege mai bine diferite anomalii în cazul unor intervenții care vizează anormalități sau deformații.

Unele studii sugerează că prototiparea rapidă în cazul operațiilor pe coloana vertebrală, operațiile cranio-faciale și maxilo-faciale și a protezelor de sold reprezintă un real beneficiu dovedind îmbunătățiri semnificative în cazul diagnosticelor. Chirurgii estimează o scădere a timpului operațiilor cu peste 17% datorită modelelor implantate obținute prin prototipare rapidă.

2.3.2 Elemente de didactică medicală

Modelele obținute prin prototipare rapidă au un real beneficiu când vine vorba despre partea didactică și de învățare în cadrul scolilor de medicină. Posibilitatea de a realiza detalii, structuri interne sau externe ale anatomiei umane cât și posibilitatea folosirii diferitelor culori pentru a demonstra funcțiile sau atributele unor organe reprezintă un rol bine definit pentru a fi folosit puternic în universitățile de medicină și nu numai. Posibilitatea de a practiza pe aceste modele a studenților sau medicilor tineri fără a cauza disconfort pacientului este înca un atuu al acestui procedeu.

2.3.3 Implanturi

O alta utilitate a procedurii o reprezintă posibilitatea de a realiza implanturi personalizate în funcție de necesitatea fiecărui pacient în parte. Acestea se pot realiza datorită rezistenței pieselor fabricate cât și datorită posibilității de a realiza geometrii complexe. Uniunea dintre tehnica de RP și programele CAD fac posibilă realizarea acestor geometrii complexe.

Datorită flexibilității, tehnica permite medicului să realizeze cu acuratețe implanturi pentru mărimea specifică pacientului în loc să folosească una de mărime standard. În acest caz se poate face referire la diferite implanturi dentale, articulații, implanturi de sold, articulații ale genunchiului. Datorită preciziilor scad timpii de operație și astfel se reduc riscurile complicațiilor.

Fig.9 – Implant realizat prin prototipare rapidă

2.3.4 Instrumentar, dispozitive și aparatură medicală

Prototiparea rapidă reprezintă o modalitate prin care se dezvolta aparaturi medicale. Astfel se pot realiza îmbunătățiri și ajustări pentru a modela și a rafina produsul care urmează să intre pe piață. Amintim aici instrumentar chirurgical, aparate auditive și dispozitive stomatologice și alte dispozitive medicale.

Fig.10 – Dispozitiv de masurare continuă a glicemiei – Modelul Dexcom G4 reprezintă un aparat care a fost dezvoltat pentru pacienții cu diabet zaharat pentru a-și putea monitoriza valorile glicemice într-un ritm continuu. Transmițătorul prezentat în imagine a fost îmbunătățit și optimizat în modelele noi apărute pe piață – Dexcom G5 și Dexcom G6.

2.3.5 Protezare și ortezare

Beneficiile metodei de prototipare rapidă sunt prezente în zona protezării și ortezării și sunt bazate pe capacitatea de modela specific asupra anatomiei pacientului. Caracteristicile pacientului pentru a avea un aliniament corect și o postură cât mai buna pot fi incluse în modelare permițând astfel o dezvoltare a unei geometrii biomecanice corecte care îmbunatațește stabilitatea și confortul.

Datorită faptului că nu există un corp anatomic care să aibă o mărime standard întotdeauna vor exista pacienți care au mărimi diferite sau au nevoie de caracteristici speciale datorită unor boli sau sindromuri. În aceste cazuri metoda RP își are cea mai mare contribuție.

2.3.6. Realizarea replicilor de oase

Prototiparea rapidă se extinde către domeniile de reproducere a elementelor componente a sistemlui osos. Toata acestea sunt pe urma folosite in domeniile cercetării pentru a înțelege mai clar forțele și sarcinile care acționează asupra sistemului amintit.

Structura osului poate să fie reconstruită sub forma unor zăbrele și se pot atribui diferite proprietăți a noului element care să simuleze comportamentul osului studiat în diferite cazuri de solicitare.

2.3.7 Realizarea țesuturilor și organelor

O nouă aplicabilitate o reprezintă realizarea țesuturilor. Genetica contribuie cu multe aspecte deoarece modelarea și reproducerea celulelor stem reprezintă un factor important. Celulele stem se clasifcă în două categorii: hematopoietice și mezenchimale, cele din urma având calitatea de a da naștere altor celule cum ar fi: osoase, cartilaginoase, musculare, interstițiale, tegumentare, nervoase, etc.. În funcție de modelarea genetică și obținerea acestor tipuri de țesuturi, cu ajutorul imprimantelor 3D biologice se pot reproduce diferite organe.

Metoda este la început și reprezintă mai multe deficiențe. Trecând peste problema legată de costuri, se pune foarte mare accent pe realizarea vascularizării organelor, care este înca un subiect greu de îndeplinit. Lipsa vascularizării duce la moartea organului reprodus dar se fac progrese mari în domeniul imprimării celulelor biologice astfel încat probabilitatea ca în următorii ani, eficiența sistemelor să crească exponențial rezultând direct și o posibilitate de a contracara efectele bolilor care au efect asupra organelor care pot fi reproduse pe baza metodei de imprimare a organelor.

2.3.8 Criminalistica

Deși pare un mediu complet separat de aplicațiile ingineriei, prototiparea rapidă ajută în criminalistică la reproducerea și simularea rănilor, mai ales în cazul unor zone din corp greu accesibile, cum ar fi craniul. Folosind modele simulate și făcând comparația cu elementele anterioare unor acțiuni criminale se pot determina diferite momente și se pot analiza amănunțit detaliile. Folosind modele reproduse prin prototipare rapidă acestea pot fi de multe ori folosite ca și dovezi în instanțele de judecată.[6,10,11]

3 – Aparate și studii de caz

În acest capitol se vor prezenta alături de aparatele folosite doua studii de caz din sfera medicală. Aceste abordări sunt datorate pe lângă dotarea laboratorului cu echipamente de inginerie inversă și participării mele în calitate de coordonator de studiu în studii clinice de fază II și III în domeniul diabetului zaharat și a bolilor metabolice.

3.1 – Aparate

Aparatura de Inginerie Inversă cuprinde o imprimantă 3D, un scanner 3D și o masă turnantă pentru a putea analiza piese din diferite unghiuri cu precizie ridicată.

Aparatele au fost achiziționate prin proiectul cofinanțat din Fondul Social European prin Programul Operațional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Proiect:POSDRU/161/2.1/G/133930 – Sprijin pentru o carieră de succes in Reverse Engineering.

Fig.11 – Scanner 3D OptimScan 5M-3D

Scannerul 3D este un model OptimScan 5M-3D fixat pe un trepied cu rolul de ai conferi stabilitate și precizie care este folosită împreună cu o masă turnantă pentru a putea scana o piesă din mai multe unghiuri fără a introduce eroarea umana în calcul.[15]

Fig.12 – Masa turnantă din componența sistemului de scanare care este țintită de camerele 3D ale scannerului și lumina ultravioletă care ajută în definirea precisă a muchiilor pieselor scanate

Sistemul complet se poate vedea în figura 13, putând a se remarca cât de restransă este celula de prototipare rapidă și inginerie inversă. Acest lucru conferă un avantaj prin prisma faptului că este ușor integrabilă în orice poziție a unui laborator sau zonă de producție, nefiind nevoie de condiții speciale.[1,2]

Fig.13 – Celula de inginerie inversă și prototipare rapidă achiziționată prin proiectul european POSDRU/161/2.1/G/133930 și prezent în laboratorul de tehnologii neconvetionale a Facultății de Inginerie Managerială și Tehnologică

3.2 – Studiu de caz – Reproiectarea senzorului unui dispozitiv de măsurare continuă a glicemiei

Participarea mea în calitate de coordonator de studiu in studii clinice de diabet și boli metabolice de fază II și III din ultimii 4 ani m-au adus într-o strânsă relaționare cu elemente de tehnică medicală asupra cărora se pot realiza reproiectări sau optimizări pentru a crea un element mult mai bun în concordanță cu nevoile pacientului.

Dispozitivele de masurare continuă a glicemiei, cunoscute ca și CGM – Continuos Glucose Monitoring Systems, reușesc să aducă în prim plan corelația dintre medicină și inginerie prin simplul fapt că un dispozitiv minuscul poate să monitorizeze valorile glicemice ale unui pacient care suferă de diabet zaharat, fiind astfel realizat un contur al comportamentului acestui pacient, fiind posibil ca mai departe, pe baza unor rapoarte și profile rezultate din citirile acestui aparat, să fie optimizate cantitățile de medicamente antidiabetice, fie că vorbim despre insulină sau antidiabetice orale, astfel încat pacientul sa nu aiba parte de diferite episoade hiperglicemice sau hipoglicemice.[12]

Fig.14 – În acestă imagine se poate vedea componenta sistemului de masurare continua a glicemiei – în stânga jos avem receptorul care are rolul de a capta informația de la transmițător, vizibil în partea de sus a imaginii, și în pachetul steril avem senzorul împreuna cu dispozitivul de aplicat.

Fig.15 – Senzorul alături de transmițător

Plusul acestor dispozitive o mai reprezintă și faptul că sunt un foarte bun indicator al stării pe moment, fiind detectate creșteri sau scăderi ale valorilor și astfel pacientul putând să ieie contramăsuri pentru a contracara efectele complet nebenefice.

Dispozitivul care l-am folosit în acest studiu de caz reprezintă un CGM Dexcom G4 și am supus suportul senzorului proceselor de inginerie inversă și prototipare rapidă. [12,14]

Fig.16 – Realizarea unui desen CAD – reprezintă prima etapă pentru a începe realizarea unui nou model sau prototip, în cazul de față acest suport de senzor

Realizarea pieselor prin prototipare rapida cuprind doua faze:

Faza digitala sau faza virtuală unde elementele sunt realizate într-un program de proiectare asistată de calculator și optimizate într-un mediu virtual pentru a putea realiza o piesă finită cât mai buna

Faza fizică, unde piesa 3D din programul CAD este reprodusă la scara reală și realizată cu ajutorul unei imprimante 3D

Fig.17 – Zona de alimentare cu materiale termoplastice: Cele două role de materiale, primar și auxiliar care urmează să treacă prin capul de extrudat

Fig.18 – Purjarea și curățarea duzelor reprezintă prima etapă de calibrare și curățare a imprimantei 3D

Fig.19 – Ecranul de pornire a imprimantei 3D, unde ne sunt afișate zona de lucru și detalii legate de sistemul de operare propriu

Fig.20 – Inițializarea imprimantei 3D

Fig.21 – Panoul de comandă de unde este posibilă mișcarea capului de extrudare, ridicarea și coborârea mesei de lucru cât și încălzirea și purjarea duzelor cu material principal și auxiliar

Fig.22 – Imprimarea propriu-zisă

Fig.23 – Imprimarea finalizată – capul de extrudat se retrage la distanță

Fig.24 – Piesa finita luată de pe masa de lucru – Se vede stratul de material auxiliar care are rolul de desprinde mai ușor piesa de pe masa de lucru.

3.3 Studiu de caz – Realizarea unor branturi ortopedice

Un al doilea studiu de caz se referă la realizarea unor branturi ortopedice. Posiblitatea de a realiza forme complexe sunt de real ajutor în realizarea formelor pentru branturi. Acestea sunt recomandate în cazul disfuncțiilor de tipul piciorului plat sau picior strâmb congenital.

De asemenea sunt propice pentru un mers corectat și pentru a reduce din disconfortul rezultat de purtarea îndelungată a încălțămintelor.[1,2,12]

Fig.25 – Diferite tipuri de branturi și diferite mărimi, folositoare pentru a reduce din problemele amintite mai sus.

Fig.26 – Etapa de proiectare a unui brant ortopedic

Fig.27 – Detaliu legat de brantul ortopedic

Fig.28 – Fereastra de parametrii din timpul imprimării

Fig.29 – Piesa finită

Capitolul 4 – Concluzii

In concluzie putem afirma ca metodele de prototipare rapida și inginerie inversă din cadrul medicinei au parte de o mare aplicabilitate. Această aplicabilitate se datorează posibilității de a modela și a forma diferite entități care pe urma pot să fie folosite în medicină cu rezultate peste măsură. Rezultatele tiind să fie mulțumitoare datorită flexibilității soluțiilor oferite, deoarece nici un om sau corp uman nu are o mărime standard sau caracteristici standardizate.

Evoluția domeniilor ingineriei merge mână în mână cu evoluția domeniilor medicale fiind astfel vorba de o colaborare bilataral câștigătoare. Medicina fiind domeniul care primește soluții oferite de inginerie are ca și beneficiu un mai bun timp de raspuns al pacienților la tratament, o evoluție mai rapidă și un timp de intervenție redus.

Ținând cont de precizia aparaturilor dezvoltate putem vedea combinația câștigătoare între cele trei mari elemente cheie care definesc un produs bun: timp de execuție rapid, calitatea piesei de nivel înalt și costuri optimizate în funcție de cerințe.

Ascendența și beneficiile acestor două domenii foarte vaste, ingineria și medicina, au o contribuție majora in dezvoltarea unui sistem medical mai abil, mai rapid si mai eficient și contribuția cea mai de seamă se bazează pe bunăstarea pacienților care au parte de un tratament optimizat, o perioadă de convalescență mult mai redusă și în ansamblu o evoluție mult mai rapidă și promițătoare.

În final, concluziile acestor realizări ne aduce in vedere faptul că direcția de dezvoltare este una foarte buna care trebuie susținuta din răsputeri pentru a menține ritmul constant de rezultate favorabile.

Capitolul 5 – Bibliografie

[1] Buidoș T., Stănășel I., – „RAPID PROTOTYPING TECHNOLOGY AND 3D SCANNING VERIFICATION. CASE STUDY” – Nonconvetional Technologies Review – Nr.1/2017

[2] Buidoș T., ”Echipamente si tehnologii pentru prelucrări neconvenționale”, Ed. Universității, Oradea, 2006;

[3] Ruisheng Li, Bin Ma ,Lili He – „Design and Implement of Intelligent Insole System” – International Conference on Ubiquitous Information Technologies and Application – Dec. 2017

[4] Iliescu, M., Nutu, E., Georgescu, L., Finite Element Method Simulation and Rapid Prototyping, Proceedings of the 8th WSEAS International Conference

[5] Sushant Negi, Suresh Dhiman, Rajesh Kumar Sharma – „Basics and applications of rapid prototyping medical models” – Rapid Prototyping Journal – Volume 20, Number 3 – 2014

[6] Jelena Milovanovic, Miroslav Trajanovic – „Medical applications of Rapid Prototyping” – Facta Universitatis – Volume 5, Number 1 – 2007

[7] Bibb,R. – „Medical modeling: The application of advanced design and development techniques in medicine” – University of Wales, UK – 2006

[8] Gibson, I. – „Advanced Manufacturing Technology for Medical Applications: Reverse Engineering Software Conversion and Rapid Prototyping” – Engineering Research Series – 2006

[9] Berce, P., Chezan, H. and Balc, N. – “The application of rapid prototyping technologies for manufacturing the custom implants”, Proceedings of the ESAFORM conference in Cluj-Napoca, Romania, 2005

[10] Gibson, I., Cheung, L.K., Chow, S.P.,. Cheung, W.L., Beh, S.L., Savalani, M., Lee, S.H., „The use of rapid prototyping to assist medical applications”, Rapid Prototyping Journal – 2006

[11] D. Ma, F. Lin, C. K. Chua, – „Rapid Prototyping Applications in Medicine. Part 2: STL File. Generation and Case Studies” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology – 2001

[12] Veres,R. – „Rapid prototyping as an aid in medicine” – Review of Nonconventional Technologies – October – 2018

[13] Tukuru,N., Gowda, S.K.P.,Ahmed,S.M. – „Rapid prototyped technique in medical field”, Research Jorunal of Pharmacy and Technology, Vol.1, No.4

[14] Dexcom G4, G5, G6 – User manuals and clinical study protocols

[15] http://imtuoradea.ro/POSDRU_133930/