In prezent, interventiile minim invazive neurochirurgicale sunt standardul de aur pentru tratarea herniilor de disc. [304558]

[anonimizat] “standardul de aur” pentru tratarea herniilor de disc.

[anonimizat], folosind instrumentar special conceput care permite neurochirurgului o buna vizualizare a campului operator prin incizia mica. [anonimizat]. [anonimizat]. Astfel, întreaga procedura este mai sigura pentru pacient.

Tratamentul standard neurochirurgical al herniei de disc cervicale consta in indepartarea discul intervertebral degradat (discectomie) si fuziunea vertebrelor cervicale adiacente cu scopul de a umple spatiul ramas liber pentru a preveni colapsarea si frecarea vertebrelor. [anonimizat] (grefon osos obtinut de la pacient) sau allograf (grefon osos obtinut de la un donor).

Popularitatea mare a [anonimizat]. De-a [anonimizat].

a. Metale și aliaje pentru vertebre: Titan nealiat (cpTi), aliaje de Titan (Ti-6AI-4V, Ti-6AI

7Nb, Ti-5Al-2.5Fe ), [anonimizat]-Cr-Mo, Fe-Cr-Ni, [anonimizat] b. Ceramică: [anonimizat], [anonimizat], β [anonimizat], [anonimizat]-Siliciu c. Polimeri și materiale compozite: polimetilmetacrilat (PMMA), polietilenă, Polytetrafluoroethylene, Polysulfone, Polietereterketonă PEEK.

Metalele au o serie de proprietăți biomecanice care le recomandă ca materiale optime pentru realizarea de implanturi. [anonimizat]. Totuși succesul lor clinic relativ scăzut a determinat înlocuirea lor treptată cu Titanul (Ti) și aliajele sale ( Ti-6Al-4V) [3]. Dezavantajele implanturilor metalice includ: [anonimizat], [anonimizat] a unor fenomene invecinate [4]. [anonimizat], [anonimizat] [5]. Ca urmare a problemelor estetice a [anonimizat] a faptului că tot mai mulți pacienți solicită reconstrucții vertebrale realizate inegral din materiale nemetalice [6], cercetările s-[anonimizat], dar care să fie în același timp biocompatibile și capabile să reziste la forțele din cavitatea orală [7, 8]. Implanturile ceramice au fost propuse și introduse cu aproximativ 40 [anonimizat]. [anonimizat] (zirconia), care pare a fi o alternativă bună la titan datorită culorii sale, proprietăților mecanice, biocompatibilității și afinității reduse pentru placa bacteriană [9]. În 1969, cercetările privind implanturile din polimetacrilat au dus la dezvoltarea conceptului de implant vertebral din polimer de către Milton Hodosh, care a raportat că polimerii sunt substanțe biologice tolerabile [10]. Polimerii au rezistența și modulul de elasticitate mai scăzute, dar alungirea la rupere mai mare comparativ cu alte clase de biomateriale. Comparativ cu osul, ei au modulul de elasticitate mai scăzut, mai degrabă apropiat de cel al țesuturilor moi. Polieteretercetona (PEEK) este un polimer utilizat deja de câteva decenii în domeniile inginerești, dar intrat mai târziu în domeniul medical. Fiind un material biocompatibil și deoarece a prezentat rezistență la degradare in vivo, a fost lansat în aprilie 1998 ca biomaterial pentru implanturi destinate utilizării pe termen lung . De atunci, PEEK a demonstrat că este un polimer termoplastic de înaltă performanță, capabil să înlocuiască componentele metalice implantare, la început în domeniul ortopediei [11] și a traumatologiei [12]. Aceste constatări au sugerat că PEEK ar putea înlocui titanul și pentru implanturile vertebrale. Scopul acestui studiu retrospectiv a fost de a identifica studiile publicate asupra implanturilor vertebrale metalice din titan și nemetalice, pentru a face o analiză comparativă asupra proprietăților și a comportamentului acestora. MATERIAL ȘI METODĂ Pentru identificarea articolelor necesare studiului, am utilizat baza de date PubMed și cuvintele cheie: implant vertebral, implant vertebral din titan, implant vertebral din zirconia, implant vertebral din polimeri. Căutarea a vizat articolele publicate în perioada 1995 – 2016, atât în extenso cât și în rezumat. Criteriile de includere au fost următoarele: (1) limba engleză, (2) să vizeze implanturile vertebrale din zirconia, titan și/sau polimer, (3) studii in vitro, (4) studii in vivo, (5) anul publicării. REZULTATE SI DISCUTII Am identificat un număr de 158 articole, dar numai 90 au îndeplinit criteriile de includere în acest studiu. Aspectele urmărite au fost: (1) proprietățile de material, (2) proprietățile de suprafață, (3) osteointegrarea. 1. PROPRIETĂȚILE DE MATERIAL 1.a. Evaluarea proprietăților de material ale TITANULUI Utilizarea titanului în stomatologie se datorează proprietăților sale, printre care se numără densitarea scăzută (4.5 g/cm), rezistența la flexiune relative mare comparative cu cea a aliajelor de cobalt și a oțelului inoxidabil.

Modulul de elasticitate al aliajului Ti6Al-4V este cel mai apropiat de al osului comparativ cu al celorlalte biomateriale utilizate în realizarea implanturilor. Aliajele de titan sunt capabile să mențină un echilibru între o rezistența la fractură sub acțiunea forțelor ocluzale și un modul de elasticitate scăzut, pentru a asigura o distibuție mai uniformă a tensiunilor de-a lungul interfeței implant/os [13]. Kohal a evaluat comparativ rezistența la fractură a implanturilor de titan acoperite cu coroane metalo-ceramice, a implanturilor de zirconia acoperite cu coroane ceramice Empress I și implanturi de zirconia acoperite cu coroane Procera înainte și după expunerea la mediu oral artificial. Valorile pentru coroanele metal-ceramice și Procera au fost semnificativ mai mari decât pentru coroanele Empress I. Concluzia a fost că implanturile de zirconia restaurate cu coroane Procera pot îndeplini cerințele biomecanice pentru dinții anteriori [14]. 1.b. Evaluarea proprietăților de material ale ZIRCONIEI ZrO2 este un material polimorf și are trei forme: monoclinic, tetragonal și cubic. Faza monoclinică este stabilă la temperatura camerei până la 1170°C, faza tetragonală la temperaturi de 1170-2370°C și forma cubică la peste 2370°C [15]. Prin alierea zirconiei pure cu oxizi de stabilizare (CaO, MgO, Y2O3), se permite menținerea structurii tetragonale la temperatura camerei. Zirconia tetragonală policristalină stabilizată cu ytriu (Y-TZP) prezintă rezistență superioară la coroziune și uzură, precum și o rezistență ridicată la încovoiere (800-1000 MPa) în comparație cu alte ceramici vertebrale [16, 17]. De asemenea, s-a constatat că prelucrarea și încărcarea ciclică scad rezistența la fractură a implanturilor de zirconia monobloc, dar aceste valori sunt totuși în limite acceptabile din punct de vedere clinic pentru a rezista forțelor medii ocluzale [14]. Aceleași constatări au făcut și Andreiotelli si colab în studiul lor, în care au evaluat rezistența la fractură a implanturilor de zirconiu monobloc după expunerea la mediul oral artificial, simulând o utilizare clinică de 5 ani. Fractura implantului de zirconiu a apărut la valori cuprinse între 725 – 850 N când capetele implantelor nu au fost preparate și între 539 – 607 N când s-au preparat. Ei au concluzionat că prepararea capului implantului a avut o influență negativă asupra rezistenței la fractură, chiar dacă rezistența medie la fractură a variat în limitele acceptării clinice [6]. Rezultate contrare au obținut Silva și colab. într-un studiu în care au examinat efectele șlefuirii pentru o coroană de acoperire asupra fiabilității implantului monobloc de zirconia. Ei au constatat că rezistența la fractură a implanturilor de zirconia fără preparare a fost de 1023,3 N, iar cu prepararea pt coroană completă a fost de 1111,7 N, deci prepararea nu a avut nici o influență asupra fiabilitatii implantului ceramic monobloc [18]. În schimb, utilizarea ceramicii a fost limitată din cauza altor caracteristici, ca de exemplu fragilitatea și ductilitatea redusă. Implanturile vertebrale din materiale ceramice pot face față doar la valori relativ mici ale forțelor de tracțiune sau forfecare, dar în schimb pot tolera forțe de compresiune chiar mari [3]. Rezistența la flexiune biaxială a implanturilor din oxid de zirconiu este cuprinsă între 900 și 1100 MPa, iar cea uniaxială între 409-899 Mpa. Împreună cu aceasta, rezistența la fractură este unul din primii parametri folosiți pentru evaluarea performanțelor ceramicii vertebrale. În cazul implanturilor din oxid de zirconiu, rezistența la rupere este 4 – 6.2 Mpa, iar distribuția tensiunilor este similară cu cea a titanului. Valorile rezistenței la compresiune, tracțiune și încovoiere depășesc rezistența osului compact de 3 până la 5 ori. Aceste proprietăți combinate cu un modul de elasticitate mare și în special cu rezistența la oboseală și fractură, au dus la cerințe de proiectare specializate pentru această clasă de biomateriale [7].

1.c. Evaluarea proprietăților de material ale polimerilor utilizați pentru realizarea implanturilor vertebrale Polimerii au rezistența și modulul de elasticitate mai scăzute, dar alungirea la rupere mai mare comparativ cu alte clase de biomateriale, sunt izolatori termici și electrici și sunt relativ rezistenți la biodegradare. PEEK (polieter-eter-cetonă) este un polimer de nouă generație, cu performanțe excelente, intrat recent în domeniul implantologiei datorită proprietăților care-l recomandă: proprietăți mecanice excelente, ca rigiditate, tenacitate, durabilitate, rezistență la fluaj, compresiune, tracțiune și oboseală. Respectă toate standardele de biofuncționalitate pentru implanturile vertebrale (ISO 18192-3:2017). Implanturile PEEK nu se sparg sau crapă nici după 5.000.000 de cicluri de funcționare [19]. Are rezistență chimică ridicată, nu produce coroziune iar lipsa metalului elimină schimburile ionice la nivelul cavității orale. Flexibilitate echivalentă cu a osului maxilar, de aceea și deformația va fi similară acestuia Spre deosebire de implanturile din Titan, care au modulul de elasticitate foarte mare (110 GPa), deci sunt foarte rigide, implanturile din polimerul PEEK au modulul de elasticitate de 3,6 GPa, care este mai aproape de cel al osului (≈1–30 GPa) ceea ce limitează tensiunile în os și stimulează vindecarea acestuia. Modulul de elsticitate poate fi modificat (uneori chiar mult crescut) prin armarea polimerului cu fibre de carbon (CFR PEEK), de exemplu, pentru a obține un modul de 15- 18 GPa, similar cu cea a osului cortical [20]. CFR PEEK este un material compozit format din straturi de fibre de carbon, fibrele având orientări diferite, într-o matrice polimerică de PEEK. În funcție de orientarea fibrelor, modulul de elasticitate poate crește până la valori de 150 Gpa, așa cum este în cazul fibrelor dispuse paralel .Proprietățile mecanice ale CRF PEEK, ca în cazul oricărui material compozit, sunt determinate de volumul, lungimea și alinierea fibrelor. Acest material are mai multe avantaje biomecanice în comparație cu metalele utilizate în mod tradițional, cum ar fi titanul sau oțelul inoxidabil. Rezistența mare la oboseală și modul de elasticitate redus fac din CFR-PEEK un material ideal pentru implanturi în ortopedie [20]. Modulul de elasticitate al PEEK este de 3,5 GPa, comparativ cu 230 GPa pentru oțel inoxidabil, 210 GPa pentru cobalt crom, 106- 155 GPa pentru aliaje de titan, 12 – 20 GPa pentru osul cortical și 1 GPa pentru osul spongios. Compatibilitatea radiologică și rezonanța magnetică (RMN) a CFR-PEEK sunt încă două caracteristici suplimentare care fac ca acest material să fie benefic, datorită lipsei de artefacte atât pe tomografia computerizată (CT), cât și pe RMN.

2. PROPRIETĂȚILE DE SUPRAFAȚĂ Caracteristicile de suprafață ale implantului sunt de importanță fundamentală pentru succesul pe termen scurt și lung al acestuia. Tensiunea superficială și energia de suprafață determină umectabilitatea suprafeței implantului de către sânge, îmbunătățind deasemenea adeziunea osteoblastelor la suprafața implantului. Energia de suprafață afectează deasemenea adsorptia proteinelor [21].

Rugozitatea suprafeței Din punct de vedere al aspectului suprafeței, implanturile pot fi netede, frezate, texturate și placate (acoperite). Suprafețele cu microrugozități favorizează o mai bună apoziție osoasă, asigură un procent mai mare de contact între os/implant, influențează proprietățile mecanice ale interfeței, distribuția solicitărilor și remodelarea osoasă. Suprafețele netede determină resorbție osoasă și formarea unui strat de țesut conjunctiv fibros Modificarea rugozității suprafeței implantului influențează răspunsul celular prin faptul că mărește mult suprafața de contact dintre implant și os, și astfel îmbunătățește mult atașamentul celulelor la implant. Modificarea proprietăților suprafeței poate fi realizată prin optimizarea micro-rugozității (sablare, gravare acidă) sau acoperiri bioactive (aplicarea unor straturi de fosfat de calciu, bifosfonat, colagen) [22]. Modificarea suprafețelor se poate face prin metode aditive (de acoperire) și substractive. Metodele aditive de depunere a unui strat pe suprafața implantului, determină creșterea suprafeței funcționale de la interfața implant/os, ceea ce duce la un transfer mai eficient al solicitărilor, apoziție osoasă și implicit o mai bună osteointegrare. Metodele aditive sunt: acoperirea cu carbon, sticlă sau ceramică, hidroxiapatită (HA), fosfat de calciu, titan prin pulverizare cu plasmă, acoperirea cu film de oxid de titan (titania), bombardarea cu ioni rapizi. Metodele substractive sunt: sablarea cu jet de particule de Al2O3 sau SiO2 sub presiune, sablarea urmată de gravare acidă (SLA), împușcare (shooting), laser, tehnica dublei gravări acide. Prin sablare unui metal cu particule de 250-500 μm se produce creșterea neregularităților de la nivelul suprafeței, favorizând adeziunea, proliferarea și diferențierea osteoblastelor. Pe de altă parte, unele studii au constatat că fibroblastele aderă mai dificil la o astfel de suprafață, acest lucru putând limita proliferarea țesuturilor moi și formarea de os. Sablarea urmată de gravare acidă(SLA) este o metodă foarte folosită, ce constă în gravarea cu acid clorhidric a suprafețelor sablate anterior. Se formează astfel rugozități care duc la creșterea suprafeței dintre os și implant. Principalul obiectiv al sablării este obținerea unei suprafețe rugoase, iar a tratamentului acid de curățare a acesteia și de a realiza o microtextură. Concluziile studiilor au arătat că osteointegrarea este superioară în cazul implantelor sablate și tratate acid decât suprafețele tratate prin pulverizare cu plasmă, având proprietăți osteoconductive mai bune și o mai mare capacitate de a induce proliferarea celulară [23]. Laserul permite modificarea suprafeței fără contact direct cu aceasta, fără utilizare de particule abrazive, deci fără risc de contaminare. Fasciculul de laser lovește suprafața generând o undă de șoc în implant, determinând îmbunătățirea rezistenței la uzură și la coroziune. Tehnica dublei gravări acide produce o microtexturare a suprafeței, sporind procesul de osteoconducție prin atașarea de fibrină și osteoblaste, rezultând formare de os direct pe suprafața implantului. Tratarea acidă a suprafeței implantului nu produce reziduuri ca sablarea, evită un tratament neuniform al suprafeței și controlează pierderea de substanță metalică din implant. Acest tratament se realizează cu diferite combinații de acid clorhidric, acid sulfuric, acid

fluorhidric și acid nitric, iar rezultatul este influențat de rugozitatea inițială a suprafeței, de amestecul acid folosit, de temperatura băii și de durata tratamentului acid [23]. Yang și colab. au investigat zirconia cu 4% CeO2 și zirconia cu 3% Y2O3, care au fost depuse pe implanturi de titan și CoCrMo utilizând tehnica de pulverizare cu plasmă. Rugozitatea medie a zirconia cu 3% Y2O3 și zirconia cu 4% CeO2 a fost corelată cu dimensiunea inițială a pulberii. Nu s-a observat o diferență semnificativă între duritatea acoperirilor și substraturilor. Forța adezivă a acoperirii din zirconia cu 4% CeO2 la substraturile de titan și CoCrMo a fost semnificativ mai mare decât cea a acoperiri cu 3%Y2O3 [24]. În alt studiu au fost evaluate implanturile de zirconia cu trei tipuri diferite de suprafețe: prelucrate mecanic, sablate și suprafețe sablate + tratate acid (SLA). Rugozitatea suprafeței zirconiei a fost mărită prin abraziunea cu aer și, în plus, prin gravare acidă. Proliferarea celulară a evidențiat valori semnificative statistic mai mari la 3 zile pentru suprafețele de zirconia tratate în comparație cu cele prelucrate mecanic. Cu toate acestea, nu s-au observat diferențe între grupurile de zirconia și titan SLA la 6 și 12 zile [24] Gahlert și al. au examinat implanturile de zirconia cu o suprafațăprelucrată mecanic sau sablată și le-au comparat cu implanturile de titan SLA. Analizele de suprafață au arătat că cea mai mare rugozitate a fost măsurată pentru implantul de titan SLA, urmat de implantul de zirconia sablat și implantul de zirconiu prelucrat mecanic [25]. Duritatea ridicată zirconiei face ca procesul de modificare a suprafeței să fie foarte dificil, de aceea, recent, Laserul a fost folosit pentru a grava suprafața de zirconia. Un studiu microscopic (SEM) efectuat pentru a evalua influența diferitelor tipuri de lasere (Er: YAG, a dioxidului de carbon (CO2) și laser cu diodă) asupra proprietăților suprafeței netede a implanturilor din zirconia, a demonstrat că laserele diodă și Er: YAG nu au produs modificări de suprafață vizibile, în timp ce laserul CO2 a produs modificări distincte la zirconia [26]. 3. OSTEOINTEGRAREA Termenul de osteointegrare utilizat prima dată de Branemark în 1985 se referă la procesul de atașare a osului la suprafața implantului, care să reziste la forțele de forfecare și tracțiune [27]. Osteointegrarea este unul dintre cele mai importante criterii pentru aprecierea succesului tratamentului implantar și depinde în mod esențial de rugozitatea suprafeței. Apoziția osoasă depinde de rugozitatea suprafeței implantului. Studiile au arătat că acoperirea cu zirconia a suprafațelor implanturilor de titan

favorizează apoziția osoasă care s-a dovedit a fi mult mai bună decât în cazul implanturilor de titan neacoperite [28] În timp ce apoziția osoasă directă poate apare pe diferite tipuri de suprafețe, sa demonstrat că un anumit grad de rugozitate a suprafeței este benefic în accelerarea apoziției osoase pe suprafața implantului [29-30]. Din acest punct de vedere, suprafața netedă a implanturilor de zirconia pare să fie un dezavantaj De asemenea, s-a constatat că rugozitatea implanturilor de zirconia sporește apoziția osului și are un efect benefic asupra rezistenței la forfecare interfacială, concluzie care ulterior a fost contrazisă de Hoffmann et al. Aceștia au evaluat histologic gradul de apoziție timpurie osoasă în jurul implanturilor vertebrale din zirconia la 2 și 4 săptămâni după inserare. Implanturile din zirconia au demonstrat un grad ușor mai mare de apoziție osoasă (54% -55%) comparativ cu implanturile de titan (42% -52%) la 2 săptămâni, dar apoziția osoasă a fost mai mare în cazul titanului (68% %) decât pentru zirconia (62% -80%) la 4 săptămâni [31]. Akagawa si colaboratorii a examinat interfața inițială implant-os pentru un implant tip șurub de zirconia, în diferite condiții de încărcare ocluzală. La 3 luni, nu s-a observat o diferență semnificativă pentru interfața os/implant între grupuri.

Aceiași cercetători au studiat osteointegrarea în jurul implantului din zirconia, cu diferite condiții de încărcare după doi ani de funcționare. Peste implant au fost aplicate trei tipuri de suprastructuri: (1) implant unic, (2) implanturi independente și (3) o combinație de implant și dinte. Din punct de vedere clinic, toate implanturile au fost stabile pentru o perioadă de încărcare de 24 luni, iar mucoasa peri-implantară a avut un aspect sănătos.Acelasi colectiv a examinat osteointegrarea în jurul unui implant tip șurub de zirconia în diferite condiții de încărcare, nu a evidențiat nici o diferență în raportul de contact os-implant între implanturile de zirconia încărcate și neîncărcate [32]. Aceste constatări au fost în concordanță cu un alt studiu care a comparat interfața os-implant în cazul implanturilor din zirconia cu a celor din titan [33]. Același rezultat a fost obținut de Dubruille și colab. într-un studiu în care au comparat interfața implant/os pentru 3 tipuri de implanturi: de titan, de alumină și de zirconia introduse în mandibulă la câine. La 10 luni, s-a obținut 68% pentru alumină, 64,6% pentru zirconia și 54% pentru titan, nefiind diferențe semnificative statistic între ele [34].

Scarano et al au studiat răspunsul osos la implanturile de zirconia pe o perioadă de patru săptămâni. A fost observată o cantitate mare de os nou format la contactul cu zirconia (68,4%), autorii concluzionând că implanturile de zirconia sunt biocompatibile și osteoconductive [35]. Kohal și colab au evaluat țesuturile moi și dure care vin în contact cu implanturile de zirconia sablate și le-au comparat cu implanturile de titan sablate și gravate acid (SLA). Interfața mineralizată obținută după 9 luni de vindecare și 5 luni de încărcare a fost de 72,9% pentru implanturile de titan și 67,4% pentru implanturile cu zirconia. Zirconia modificată cu laser a demonstrat o mai bună aderență a osteoblastelor datorită caracteristicilor mai bune de umectabilitate. Unele studii au arătat că implanturile de zirconia ar putea suporta sarcini ocluzale pe o perioadă mai lungă de timp [14 ]. Într-un studiu realizat de Deprich et al, au fost comparate 24 de implanturi de zirconia tip șurub gravate acid, cu 24 de implanturi de titan pur comercial gravate acid. La 12 saptamani, s-au gasit dovezi ale succesului osteointegrarii ambelor materiale. Nu s-au obținut diferențe semnificative privind rezistența șirigiditatea legăturii dintre cele două implante [8]. Aceeasi cercetatori au comparat comportamentul osteoblastilor față de suprafețele structurate din zirconia si din titan. În prima zi, proliferarea celulară pe suprafețele de zirconia a fost similară cu cea a suprafețelor de titan. În ziua a-3-a, creșterea celulelor a fost semnificativ mai mare pe zirconia. În ziua a-5a, proliferarea celulelor a continuat să fie mai mare pe zirconia decât pe suprafețele de titan. În ultimul studiu efectuat de acest grup, vindecarea osoasă a implanturilor de zirconia a fost comparată cu aceea a implanturilor de titan gravate cu acid. Cu toate acestea, nu a fost observată o diferență statistic semnificativă între cele două grupuri. Rezultatele au demonstrat că implanturile cu zirconia cu suprafețe modificate au condus la o osteointegrare comparabilă cu aceea a implanturilor de titan [8]. Franchi și colaboratorii au evaluat microscopic țesuturile periimplantare din jurul unor implanturi din titan cu suprafața modificată prin acoperire cu zirconia sau gravate acid. După două săptămâni, toate implanturile au arătat formarea de noi trabecule osoase, spații medulare vascularizate și contact strâns cu osul preexistent. Aceiași autori au evaluat

țesuturile peri-implantate pentru implanturi de titan având diferite suprafețe: netede, pulverizate cu plasmă și sablate cu zirconia. După 3 luni, s-a observat că morfologia suprafeței implantului a influențat puternic rata și modalitatea de osteogeneză peri-implantară. Suprafețele rugoase, în special cele sablate cu zirconia, păreau să favorizeze depunerea osoasă pe suprafața titanului [36]. Un studiu clinic realizat de Blaschke et al asupra implanturilor de zirconia a concluzionat că acestea sunt o alternativă viabilă la implanturile din titan, având pe lângă rezultatele estetice excelente, un grad mai ridicat de osteointegrare și un răspuns al țesuturilor moi superior celui al implanturilor vertebrale din titan [37]. Oliva et al au raportat în 2007 prima evaluare clinică a 100 implanturi de zirconia (CeraRoot, Spania) cu 2 rugozități diferite, pe subiecți umani, timp de 1 an. Două implanturi au eșuat după 15 zile (cele plasate în situații care au necesitat sinus-lift), rata generală de succes raportată fiind de 98% [38 ]. Polietereterketona (PEEK) a fost sugerată ca alternativă pentru a înlocui titanul în realizarea implanturilor vertebrale. Literatura de specialitate conține în acest moment un număr foarte mic de studii care să raporteze PEEK (polietereterketonă) ca material alternativ pentru implanturile vertebrale . În 4 din 5 studii in vitro, titanul a prezentat o proliferare celulară mai mare, angiogeneză, maturizarea osteoblastelor și osteogeneză comparativ cu PEEK; Un studiu in vitro a observat rezultate comparabile indiferent de materialul implantului. În toate studiile efectuate pe animale, titanul neacoperit și acoperit a prezentat un comportament mai osteogenic decât PEEK neacoperit, în timp ce contactul implant/os observat în cazul PEEK acoperit cu hidroxiapatită (HA) și a implanturilor de titan acoperite a fost comparabil. PEEK nemodificat este mai puțin osteoconductiv și bioactiv decât titanul. Prin urmare, în forma sa nemodificată, PEEK nu este potrivit pentru a fi folosit ca implant vertebral. Cercetări și studii pe termen lung trebuie să se concentreze pe îmbunătățirea bioactivității PEEK înainte de a fi utilizată ca implant vertebral [39]. Un experiment pe câini a comparat CFR-PEEK cu implanturile CFR-PEEK acoperite cu titan, inserate în femur și evaluate după 4, respectiv 8 săptămâni. Implanturile acoperite cu titan au prezentat o rată semnificativ mai mare a contactului implant/os, autorii concluzionând că adăugarea stratului de titan crește aparent biocompatibilitatea suprafeței implantului. Într-un alt studiu pe câini, implanturile din PEEK pur au fost inserate în mandibule lângă implanturi din titan, zirconia și din zirconia acoperit cu un strat de oxid de titan,

cu scopul de a le evalua osteointegrarea. După 4 luni, implanturile din PEEK prezintă cel mai mic contact implant/os. În nici una dintre cele două investigații pe animale nu sau observat semne de inflamație sau reacții ale corpului străin, fapt care subliniază biocompatibilitatea PEEK.[40]. Un studiu FEM a comparat distribuția stresului în osul perimplantar în 4 modele distincte de testare, constând fie dintr-un implant din titan sau CFR-PEEK, conținând 30% fibre de carbon pentru a obține un modul de elasticitate de 17,4 GPa similar cu cel al osului cortical, fiecare în combinație cu un stâlp din titan și din CFRPEEK, completat cu o coroană artificială cimentată. Implanturile CFR-PEEK au prezentat o concentrație mai mare a sarcinii în zona cervicală și la nivelul osului cortical decât implanturile de titan, în timp ce implanturile de titan au prezentat vârfuri echivalente ale stresului în porțiunea cervicală și o distribuție mai omogenă a sarcinii pe tot corpul implantului. Autorii au concluzionat că implantul CFR-PEEK demonstrează vârfuri de stres mai mari datorită rigidității reduse în comparație cu titanul, nu prezintă avantaje în comparație cu implantul de titan și nu poate fi recomandat pentru utilizarea clinică. Deoarece implantul din CFR-PEEK au un aspect intunecat datorită fibrelor de carbon, utilizarea sa ar putea fi nefavorabilă, mai ales în zonele frontale [41].

Datele existente în literatură privind implanturile vertebrale din PEEK demonstrează că PEEK este, în principiu, osteointegrat ca material biocompatibil in vivo. Investigații viitoare sunt necesare pentru a găsi modalități de îmbunătățire a comportamentului biomecanic pentru a obține o distribuție mai omogenă a stresului la osul din jur, care nu a fost încă dovedit experimental. Articolele existente despre implanturile vertebrale din PEEK indică faptul că acestea ar putea reprezenta o alternativă viabilă pentru implanturile din titan, dar noi studii experimentale privind modularea chimică a PEEK par a fi necesare, în principal pentru a crește interfața os/impalnt și a minimiza distribuția stresului la osul perimplantar [42].

CONCLUZII Având în vedere varietatea largă de biomateriale existente pe piață la momentul acesta, este de importanță capitală o foarte bună cunoaștere a caracteristicilor și mai ales a indicațiilor fiecărui tip de implant. Pe baza datelor existente la acest moment în literatura de specialitate referitoare la comportamentul mecanic, biologic și clinic al celor mai utilizate tipuri de implanturi vertebrale, se pot formula următoarele concluzii: – implanturile din Titan si-audemonstrat în timp proprietățile mecanice și fizice. Deși titanul este recunoscut ca un material biocompatibil, o serie de studii clinice asupra dermatitelor de contact sau a reacțiilor granulomatoase la dispozitivele din titan pun în discuție o eventuală alergie sau hipesensibilitate la titan. În plus, rezultatele unor studii sugerează posibilitatea ca aceste metale să inducă o imunomodulare și autoimunitate nespecifică. O altă problemă ar putea apărea datorită diferenței de gradient între modulul de elasticitate al implantului de titan și a osului său înconjurător. Acest lucru poate provoca stres la nivelul interfeței implant-os în timpul transferului de sarcină care poate duce la pierderea osoasă perimplantară. – implanturile din Zirconia au proprietăți potrivite pentru un implant vertebral, biocompatibilitate, osteoconductivitate, răspuns favorabil din partea țesuturilor moi și estetică datorită culorii sale și a transmisiei luminii. Rezistența este bună, dar mai mică decât a titanului. Osteointegrarea este inferioară celei a titanului, dar poate fi optimizată prin metode de modificare rugozității suprafeței, deși procedeele sunt mult mai dificile decât în cazul titanului. Sunt necesare studii clinice pe termen lung pentru a evalua performanțele clinice ale implanturilor de zirconia și a le recomanda pentru utilizarea de rutină în practică. – implanturile din Polietereterketona(PEEK) au fost sugerate ca alternativă pentru a înlocui titanul în realizarea implanturilor vertebrale iar literatura de specialitate conține în acest moment un număr foarte mare de studii care le recomanda cu certitudine. Sunt necesare insa multe studii comparative pe animalele și studii clinice pentru a determina potențialul PEEK ca alternativă viabilă la titan.

In proiectarea implantului inovativ, s-a plecat de la prelevarea imaginilor CT si transformarea acestora in fisiere 3D.

In acest fel s-a reusit vizualizarea optima, tridimensionala, pe baza geometriei reale a zonelor supuse protezarii.

S-a pornit de la ideea inovativa si care a captat foarte mult interes din partea cercetatorilor la momentul actual, de a crea structure poroase, capabile sa integreze tesut nou, integrat in noul implant.

Aceasta reprezinta o provocare majora pentru cercetatorii ce lucreaza in domeniul specializat de inginerie a tesuturilor si care dezvolta materiale biocompozite cpabile sa accelereze repararea defectelor. In acest fel, se reduce atat timpul cat si costurile in ceea ce priveste reabilitarea pacientilor.

Pentru testele initiale s-a ales o structura intretesuta, cu straturi successive dispuse cu orientari de 45 de grade.

Polieteretercetona – PEEK

Acest produs termoplastic semi-cristalin este bazat pe rășină polietereteracetonă. Este un material foarte avansat din punct de vedere tehnologic, caracterizându-se printr-o combinație specială de remarcabile proprietăți mecanice, rezistență la temperatură și o excelentă rezistență la chimicale.

Caracteristici:

Excelentă stabilitate dimensională

Greu inflamabil și cu proprietăți de auto-stingere

Densitate foarte scăzută a gazelor de evacuare

Rezistență ridicată la doze mari de radiații energetice

Excelente proprietăți de alunecare

Bună abraziune și rezistență la uzură

Raport excelent între rigiditate, rezistență și elasticitate

Tendință slabă de alungire

Bună aplicabilitate, termoplasticitate, bune proprietăți adezive și sudabilitate

Stabilitate dimensională ridicată la temperaturi calde

Temperatură de funcționare continuă ridicată

Coeficient scăzut al extensiei liniare

Bună izolație electrică la temperaturi diferite

Polieter eter cetona este un polimer termoplastic organic incolor ce face parte din familia poliaril eter cetona, material folosit in aplicatiile ingineresti. A fost introdus pe piata de catre firma Victrex PLC, apoi Imperial Chemical Industries (ICI), la inceputul anilor 1980.

Polimerul Polieter eter cetona se obtine prin polimerizare graduala

PEEK polymers are obtained by step-growth polymerization by the dialkylation of bisphenolate salts. Typical is the reaction of 4,4'-difluorobenzophenone with the disodium salt of hydroquinone, which is generated in situ by deprotonation with sodium carbonate. The reaction is conducted around 300 °C in polar aprotic solvents – such as diphenyl sulphone.

Conceptul de Imprimare 3D pare să fie puțin interesant, însă atunci când modelezi un obiect într-un soft CAD și ți se spune că îl poți imprima în real, atunci sigur că ai fi interesat.

Imprimarea 3D mai este cunoscută ca și modelarea computerizată care poate fi executată printr-o varietate de metode și la care se poate folosi diferite tipuri de materiale, dar la baza oricăruia din ele stă principiul creării stratificate (în creștere) a unui obiect solid – tehnologia utilizată pentru a crea straturi –  Acest proces reprezintă crearea construcție reale după modelul 3D computerizat. Modelul 3D digital se salvează în formatul de fișier STL (Standard Template Library) și este transmis pentru a fi imprimat la imprimanta 3D. Apoi 3D imprimanta aranjează prin suprapunere strat după strat formând astfel obiectul real.

Imprimanta 3D se diferențiază de imprimanta obișnuită. Imprimanta 3D produce imprimarea obiectelor în spațiu 3D. Modelul 3D este construit pe calea de suprapunere a straturilor de materie. Acest proces mai este numit și machetare rapidă sau 3D imprimare.

La ziua de azi practic tot se poate face la imprimanta 3D: piese pentru industria aviatică, producerea de modele prototipuri în domeniul tehnic și industrial, crearea de decorațiuni și opere de artă, execuții arhitecturale, modele cu aplicație în industria modei, industria jucăriilor pentru copii, industria alimentară-culinară, în medicină, pentru protezare și producerea de implanturi (fragmente de schelet, oase, cartilaje. Totuși cele mai complexe obiecte se pot executa doar cu ajutorul imprimantelor 3D profesionale, iar acestea la rândul lor sunt foarte scumpe.

Fabricația aditivă prin depunere de filamente de material. Aspecte generale (I)

Articolul de față este primul dintr-o serie consacrată procedeului de fabricație aditivă (FA) cu depunere de filamente de material cunoscut ca FDM (Fused Deposition Modeling – denumire proprietară a firmei americane Stratasys, www.stratasys.com, principalul producător de mașini bazate pe acest principiu de formare a straturilor de material) sau FFF (Fused Filament Fabrication – denumire a procedeului dată de dezvoltatorii de mașini concepute ca inițiativă a RepRap, www.reprap.org).

Am ales să ne concentrăm atenția asupra acestui procedeu având în vedere creșterea spectaculoasă a numărului de mașini instalate (tendință prezentă și în România conform semnalelor pe care le avem), în special prin răspândirea mașinilor low-cost, asamblate din kit-uri sau construite de entuziaști. Această evoluție s-a manifestat accentuat începând cu 2009, an în care a expirat brevetul deținut de Scott Crump (co-fondator al firmei Stratasys) pentru FDM, ceea ce a determinat o adevărată avalanșă de modele noi de mașini despre care am discutat în articolele trecute, ca și o creștere a numărului și a tipului de aplicații în care se folosesc obiecte fabricate prin acest procedeu.

Procedura de lucru

Ca în orice procedeu de FA, și în FDM se pleacă de la modelul digital tridimensional al obiectului de fabricat. Fișierul în format STL al obiectului, verificat și corectat în prealabil pentru a evita erorile, este importat în software-ul mașinii (QuickSlice, Catalyst sau Insight pentru mașinile Stratasys, sau Skeinforge pentru cele de tip RepRap). Utilizatorul selectează materialul, grosimea secțiunilor (de exemplu, 0.127-0.332 mm pentru mașinile produse de firma Stratasys), stilul de formare a straturilor și a structurilor suport – în funcție de cerințele specifice legate de aplicația pentru care este fabricat obiectul, apoi alege orientarea în care se va face construirea în manieră aditivă. Software-ul de preprocesare secționează obiectul virtual cu plane paralele între ele și perpendiculare pe direcția de construire. Curbele de intersecție generate prin intersecția dintre aceste plane și modelul STL, reprezintă traseele pe care duza de extrudare va depune materialele pentru obiect și pentru structura suport. Fișierul în format SML (Stratasys Machine Language), care conține traseele capului de extrudare, este apoi trimis către mașina de FA.

Figura 1: FA prin depunerea de filament de material – schemă de principiu (www.reprag.org)

Obiectul este construit pe o platformă (figura 1), în funcție de modelul de mașină utilizat, mișcările necesare formării fiecărui strat fiind realizate de capul de extrudare și/sau de platformă, de exemplu platforma deplasabilă pe axa z, capul de extrudare deplasabil pe axele x și y sau platforma deplasabilă pe axele x și y, capul de extrudare deplasabil pe z.

Capul de extrudare poate avea o singură duză care depune material sau două duze care depun rândurile de material pentru piesă și, respectiv, material pentru structura suport. Filamentul de material este extrudat în stare semi-topită, rândurile și apoi straturile de material aderând unele la altele până la formarea completă a obiectului. Pentru a obține o precizie ridicată de fabricare a obiectului, mișcarea de înaintare a filamentului de material în capul de extrudare trebuie să fie cuplată cu mișcarea capului de extrudare, astfel încât în timpul accelerării/decelerării la deplasarea pe traiectoriile de depunere, grosimea filamentului să poată fi menținută constantă. Dacă diametrul filamentului variază, și/sau filamentul alunecă printre role, rezultă o curgere insuficientă și astfel apar defecte (goluri) în piesă.

Figura 2: Formarea a 2 straturi successive prin deplasarea în zigzag a capului de extrudare (-45°, 45)

Depunerea materialului se face prin trasarea mai întâi a perimetrelor exterioare și interioare ale fiecărui strat, urmată de formarea stratului utilizând anumite modele de umplere, cel mai folosit fiind cel în zigzag (sau raster, figura 2), cu diferite orientări (0°, 90°), (-45°, 45°), (30°, 60°) etc. Aceste valori ale unghiului de raster influențează caracteristicile mecanice ale pieselor fabricate, cercetările (Ahn, 2002), (Sood, 2010), (Ziemian, 2012) evidențiind în mod clar această dependență. Pe lângă diametrul duzei de extrudare, grosimea stratului și unghiul de raster, un alt parametru de proces al FDM este distanța dintre două rânduri adiacente de material. Și valoarea acestui parametru influențează rezistența mecanică a obiectului fabricat.

În acest context, optimizarea valorilor parametrilor de proces, pentru atingerea diferitelor obiective legate de caracteristicile obiectului fabricat pentru o anumită aplicație, reprezintă un subiect foarte important de investigație în domeniu (Lee, 2005), (Peng, 2012), (Peng, 2014).

Structuri suport

După fabricarea obiectului, structurile suport utilizate sunt eliminate în două moduri, corespunzătoare celor două variante de structuri ce pot fi construite: prin dizolvare într-un rezervor cu soluție pe bază de apă, pentru structurile solubile în apă, respectiv prin ruperea legăturii dintre piesă și structura suport, în cazul structurilor de tip break away (Grimm, 2003).

În FDM se construiesc structuri suport de bază pentru a evita depunerea primului strat de material al piesei direct pe platformă, pentru a asigura că primul strat de material piesă depus este orizontal, pentru părțile în consolă ale pieselor sau pentru pereții înclinați ai acestora, pentru porțiuni independente ale straturilor de material sau pentru construirea cavităților.

Figura 3: Structuri suport utilizate la construirea unei piese prin FDM

Structurile suport sunt fabricate ca niște coloane cu pereți subțiri (figura 3), putând fi eliminate ușor, fără deteriorarea piesei. În cazul în care atât materialul, cât și structura suport se construiesc cu aceeași duză (situație întâlnită frecvent la mașinile, pe care generic le denumim, RepRap), modelul depus pentru suport este mai rar, având o interfață slabă cu materialul pentru piesă.

Figura 4 prezintă câteva modele de piese fabricate din ABS (acrilonitril-butadien-stiren). Alte materiale de construcție folosite în procedeul FDM sunt PC (policarbonat), PC-ABS, PLA (acid poli lactic – material bioplastic) sau PPSU (polifenilsulfonă).

Figura 4: Exemple de piese fabricate prin FDM

Cauze ale defectelor în fabricația aditivă

Obiectele obținute prin FDM pot prezenta anumite tipuri de defecte, de suprafață și/sau defecte interioare, cauzate de: proces (limitări hardware, software și de strategia de construcție a straturilor), caracteristici ale materialului de construcție (neuniformitatea filamentului, proprietățile sale mecanice și/sau reologice etc.) sau de combinația primelor două (Argawala, 1996). Aceste defecte trebuie luate în considerare la proiectarea obiectului (v. conceptul de Design for Additive Manufacturing – proiectare pentru fabricația aditivă), la alegerea parametrilor de proces pentru FDM și la stabilirea tipului de operații de postprocesare.

Cele mai des întâlnite defecte de suprafață, care nu sunt însă caracteristice doar FDM-ului, ci tuturor procedeelor de FA, sunt determinate de efectul de scară (inerent stilului de construire prin suprapunere de straturi de material), respectiv de erorile de aproximare a suprafețelor curbe cauzate de formatul STL, așa cum s-a detaliat în articolul din numărul anterior al revistei.

De asemenea, în cazul procedeului FDM, ultimul strat de material depus este striat, din cauza formei filamentului de material, în scopul îmbunătățirii aspectului suprafeței fiind necesare diferite operații de post-procesare. Informații suplimentare referitoare la rugozitatea suprafețelor obiectelor fabricate prin FDM, pentru trei tipuri de mașini produse de firma Stratasys pot fi găsite în (Grimm, 2003).

Tot în categoria defectelor de suprafață pentru obiectele fabricate prin FDM intră și bavurile cauzate de structurile suport. După cum s-a menționat anterior, în funcție de tipul mașinii, materialul pentru structura suport și materialul pentru prototip pot fi depuse cu aceeași duză de extrudare, adică utilizând același material. În acest caz eliminarea structurilor suport lasă, uneori, bavuri fine sau găuri mici în suprafețele obiectului care se află în contact cu suportul.

Punctele de pe fiecare strat în care se începe, respectiv se încheie depunerea filamentului de material pentru perimetrul exterior, pot fi vizibile pe suprafața exterioară a obiectului dacă mișcarea capului de extrudare nu este coordonată cu cea a rolelor, apărând curgeri în exces, respectiv, în minus. Cu alte cuvinte, dacă rolele care aduc materialul în capul de extrudare se opresc din mișcare prea devreme, există posibilitatea formării unui gol la sfârșitul depunerii perimetrului, iar dacă rolele se rotesc mai mult timp alimentând duza, apare un exces de material ca o aglomerare de material sau o suprafață rugoasă (Agarwala, 1996).

În ceea ce privește defectele interne ale obiectelor fabricate prin FDM, acestea apar sub forma unor goluri sub-perimetrice cauzate de umplerea incompletă a stratului la schimbarea direcției capului de extrudare, în zonele unde segmentele raster se întorc în interiorul perimetrului. Atât diametrul duzei de extrudare, cât și unghiul dintre rând și curba perimetru determină mărimea acestor goluri, fiind necesare ajustări ale traiectoriei, în sensul depășirii perimetrului de capul de extrudare sau prin lărgirea segmentelor de întoarcere pentru a le aduce cât mai aproape de perimetru (Agarwala, 1996).

Goluri în interiorul pieselor mai pot să apară și din cauza unei legături slabe între rândurile de material, determinată de un diametru neuniform al filamentului sau de o lungime prea mare a rândului, acesta apucând să se răcească până când următorul rând este depus. Totodată, piesele fabricate prin FDM pot prezenta și deformări și contracții cauzate de tensiunile reziduale induse de ciclurile de răcire-încălzire (Peng, 2012). Astfel, pentru a evita apariția acestor fenomene, mai ales dacă straturile au o suprafață mare cu traiectorii lungi de depunere, mașinile FDM profesionale folosesc o temperatură controlată în interiorul spațiului de lucru, iar mașinile low-cost folosesc o platformă încălzită.

Apariția unora dintre defectele menționate mai sus poate fi prevenită printr-o orientare corespunzătoare a obiectului în spațiul de lucru al mașinii. De asemenea, structura suport (ca volum, poziție, zone de contact cu suprafețele piesei), precizia de formă și dimensională, calitatea suprafețelor, timpul și costul de construire sunt și ele influențate de orientarea de construire aleasă de operator.

Fabricația aditivă prin depunere de filamente de material. Aspecte generale (II)

Continuăm seria dedicată procedeului de fabricație aditivă (FA) prin depunere de filamente de material (FDM – Fused Deposition Modeling sau FFF – Fused Filament Fabrication) prin prezentarea mai multor considerații legate de orientarea de construire a obiectelor în spațiul de lucru al mașinii.

În articolul trecut am prezentat etapele care trebuie parcurse pentru fabricarea unui obiect în manieră aditivă prin procedeul FDM. Le reamintim și în continuare:

Obținerea modelului virtual tridimensional al obiectului de fabricat și exportul/salvarea acestuia în format STL;

Importul/deschiderea fișierului STL al obiectului în software-ul mașinii;

Orientarea obiectului STL în spațiul de lucru al mașinii (rotire, translatare);

Alegerea parametrilor de proces pentru FDM;

Secționarea obiectului, cu plane paralele între ele și perpendiculare pe direcția de construire;

Generarea structurilor suport (fișier format .SSL – Stratasys Sections Language);

Generarea rândurilor/traseelor de depunere a filamentelor (fișier format .SML – Stratasys Machine Language);

Transmiterea fișierului SML către mașină;

Construirea obiectului prin suprapunerea straturilor de material;

Post-procesarea obiectului (eliminarea structurii suport, prelucrarea suprafețelor etc).

Alegerea orientării optime de construire reprezintă una dintre problemele fundamentale în FDM (ca de altfel în toate procedeele de FA), influențând în mod semnificativ diferite aspecte cum ar fi: timpul și costul de construire, calitatea suprafețelor, precizia dimensională și de formă, caracteristicile mecanice, dar și volumul structurilor suport și poziția acestora față de obiect. Decizia referitoare la orientarea de construire se ia în funcție de geometria și de dimensiunile obiectului, ca și de alte caracteristici dictate de aplicația pentru care acesta este fabricat, experiența operatorului având un rol foarte important în această etapă de planificare a procesului. Din acest motiv, de o bună perioadă de timp, se desfășoară cercetări cu scopul de a automatiza selecția orientării optime pe baza anumitor criterii, acest lucru presupunând coroborarea informațiilor legate de specificul procedeului și parametrii de proces, de geometria obiectului și de modul în care caracteristicile obiectelor fabricate sunt influențate de orientarea de construire, aplicându-se, apoi, diferite tehnici de optimizare multi-criterială.

Parametri care influențează procesul tehnologic

Efectul de scară (figura 1)apare în toate procedeele de FA ca urmare a modului stratificat de construire. Pentru a rezolva această problemă se pot utiliza straturi de grosimi cât mai mici, ceea ce conduce la îmbunătățirea calității suprafeței, dar, evident și la creșterea timpului de fabricație. O altă soluție, mai des folosită în practică, are în vedere prelucrarea suprafețelor după fabricarea piesei (post-procesare), astfel încât ele să fie aduse la calitatea dorită. O a treia variantă de rezolvare a problemei efectului de scară este alegerea unei orientări corespunzătoare de construire. Astfel, efectul de scară poate fi diminuat prin selectarea unei anumite poziții de construire a obiectului, adică orientând suprafețele importante ale prototipului cât mai aproape de orizontală sau verticală.

Figura 1 Orientare pentru minimizarea efectului de scară (reprezentare exagerată a efectului de scară)

În procedeul FDM construirea se face folosindstructuri suport. Poziția și volumul acestora depinde nu doar de forma geometrică a obiectului de fabricat, ci și de orientarea acestuia pe platforma mașinii (figura 2). Dacă volumul structurii suport este prea mare, atunci poate fi necesar mai mult timp pentru eliminarea acestuia. În plus, suprafețele de contact dintre prototip și structura suport pot fi mai mari, cu efect negativ asupra calității acestora, știut fiind faptul că suprafețele obiectului care intră în contact cu structura suport au o rugozitate mai mare. Astfel, orientarea piesei trebuie să aibă în vedere și aspecte legate de structura suport. Cu alte cuvinte, piesa trebuie orientată astfel încât structura suport să poată fi eliminată (să nu fie blocată în interiorul piesei și, în cazul suporturilor de tip break away, să se asigure accesul pentru desprinderea structurii de pe piesă), pentru anumite aplicații putând fi necesar ca aria de contact cu suprafețele obiectului și volumul structurii suport să aibă valori cât mai mici din rațiuni legate de calitatea suprafețelor.

Figura 2 Două orientări de construire ale aceleiași piese: (a) nu necesită structură suport (exceptând suportul de bază), (b) necesită structură suport (capturi de ecran din software-ul Catalyst)

Alți factori influențați de orientarea de construire în FDM sunttimpul și costul de fabricație a obiectului. Timpul total de fabricare constă din timpul de depunere a materialului pentru piesă, a materialului pentru structura suport, timpul de deplasare al duzei și/sau platformei atunci când nu se depune material și timpul necesar pentru eliminarea structurilor suport (timp de post-procesare), fiind astfel evidentă legătura dintre orientarea prototipului și timpul total de construire. De asemenea, numărul de straturi necesare pentru construirea obiectului este dependent de orientarea acestuia, la rândul său influențând timpul total de construire.

Costul de fabricațieal unui prototip FDM se calculează, de obicei, în funcție de timpul de fabricare și un coeficient care ține seama de costul de amortizare a mașinii, salariul operatorului și costul materialelor de construcție. Astfel, orientarea prototipului influențează și costul de fabricație a acestuia.

Precizia piesei în funcție de parametrii tehnologici

Precizia dimensională și precizia de formă depind, de asemenea, de orientarea de construire.Figura 3 prezintă o piesă prototip de tip carcasă, construită în două orientări, pentru care s-au măsurat și comparat preciziile dimensionale pentru găurile de pe suprafețele din planele orizontal, respectiv vertical, abaterea de la circularitate a acestora, ca și planitatea acelor suprafețele, toate acestea pentru ambele plane și pentru ambele orientări de construire. Rezultatele, în cazul analizat, au arătat că cea mai bună precizie dimensională se obține pentru entitățile geometrice (găuri) construite în plan vertical, explicația fiind aceea că, în plan vertical straturile de material au o grosime de 0,254 mm, iar în plan orizontal valoarea lățimii rândurilor de material este de 0,308 mm. De asemenea, cele mai mici abateri de la circularitate se obțin pentru găurile construite în plan orizontal. Măsurările nu au putut pune însă în evidență în mod clar dacă planitatea suprafețelor este sau nu mai bună decât a celor construite în plan orizontal.

Figura 3 Orientări diferite de construire pentru aceeași piesă – analiza preciziei dimensionale și de formă

Orientarea piesei în FDM trebuie să țină seama și de deformațiile care apar din cauza ciclurilor de încălzire-răcire a filamentelor de material. Astfel, dacă piesa este orientată astfel încât suprafața din plan orizontal (și lungimea rândurilor) este mare, între rândurile de material poate să apară o interfață slabă sau chiar goluri, deoarece un rând de material depus se răcește până la depunerea rândului adiacent și, astfel, nu mai aderă unul la altul. Prin urmare, uneori poate fi preferată orientarea unei piese ca în figura 4b, comparativ cufigura 4a.Dacă însă timpul de construire sau structura suport reprezintă criteriile de optimizare, se va prefera, în mod evident, orientarea din figura 4a.

Figura 4 Orientări de construire pentru aceeași piesă – aplicarea de criterii diferite de optimizare

Orientarea de construire influențează și proprietățile mecanice (rezistența la tracțiune, rezistența la compresiune), având în vedere modul specific de formare a rândurilor și a straturilor prin lipirea filamentelor de material semi-topit, piesele FDM au comportare anizotropică. Rezistența la compresiune, de exemplu, analizată în Ahn (2002), pentru o piesă de tip cilindru, este cu 15% mai mică în plan transversal decât axial (i.e. cu axa cilindrului în plan orizontal). În schimb, adeziunea dintre straturi este mai slabă decât cea dintre rândurile de material, prin urmare rezistența la întindere este mai bună pentru piesele orientate astfel încât solicitarea să se producă în direcția stratului și nu perpendicular pe acesta.

Revenind la problema optimizării, în contextul dependențelor multiple prezentate mai sus dintre diferite caracteristici ale obiectelor FDM și orientarea de construire a acestora, cercetările în domeniu iau în considerare aplicarea mai multor criterii. De exemplu, în Alexander (1998), se încearcă găsirea orientării optime din punct de vedere al timpului și costului de construire, propunându-se un model de cost care este particularizat pentru două tipuri de procedee de FA, și anume FDM și stereolitografie. De asemenea, autorii prezintă și o aplicație software care calculează cea mai bună orientare de construire astfel încât, în această ordine, să se minimizeze înălțimea, să se maximizeze stabilitatea obiectului și să se minimizeze volumul structurilor suport. Xu (1999), abordează problema orientării optime de construire a prototipurilor pentru mai multe procedee de FA. Costul de construire este ales drept criteriu principal de optimizare, iar timpul de construire și calitatea suprafeței sunt considerate obiective secundare.

Alți autori determină orientarea optimă de construire considerând precizia drept criteriu principal, iar timpul de construire și stabilitatea piesei drept criterii secundare în optimizare. În Frank (1995) se propune un sistem expert bazat pe diverși parametri ce influențează construirea prototipului și care recomandă pe baza cerințelor utilizatorului și a unei matrice de decizie, cea mai bună orientare a piesei. Masood (2000) și Massod (2003) se concentrează asupra minimizării erorii de volum, relevantă în special pentru FDM, datorită specificității procedeului. Thrimurthulu (2004) utilizează optimizarea bazată pe algoritmi genetici pentru a identifica orientarea de construire a pieselor fabricate prin FDM care maximizează calitatea suprafeței și minimizează timpul de construire.

Aceleași criterii sunt considerate și de Byun (2006), care aplică optimizarea multi-criterială considerând valoarea medie a rugozității suprafețelor (cuantificând astfel efectul de scară), timpul și costul de construire a obiectului. Li (2013) prezintă o metodă de optimizare bazată pe algoritmi genetici pentru două obiective și anume eroarea de volum și înălțimea piesei. Direcția optimă de construire este căutată în spațiul direcțional global cu ajutorul conceptului de sferă unitate. Chen (2013) studiază optimizarea calității suprafețelor pieselor fabricate pe o mașină Objet, analizând impactul orientării de construcție, dar și al grosimii straturilor de material. Rezultatele arată că rugozitatea suprafeței este mai bună pe direcție transversală, decât axială. De asemenea, studiul arată că, atunci când straturile de material sunt suficient de mici, curbura sau panta suprafețelor de-a lungul orientării de construire nu mai afectează calitatea suprafeței piesei.

Exemple de astfel de studii pot continua, cercetătorii concentrându-și atenția asupra optimizării orientării de construire pentru procedeele de fabricație pe straturi la modul general, sau asupra unor procedee particulare, în special stereolitografia și FDM-ul.

Cu toate acestea, din informațiile noastre, niciuna dintre soluțiile de optimizare propuse ca suport al deciziei, nu este inclusă actualmente în aplicațiile software ale producătorilor de mașini de FA, orientarea de construire fiind aleasă tot de operator.

Mai mult decât atât, unele studii sunt bazate pe piese cu geometrie simplă, iar concluziile lor nu pot fi generalizate pentru elemente geometrice mai complexe. În facilitarea selectării orientării de construire sunt folosite mai degrabă rezultatele acestor studii exprimate sub formă de reguli cum ar fi, de exemplu, aceea că de-a lungul direcției de construcție (axa Z) piesa are cea mai scăzută rezistență la întindere și la forfecare, Ahn (2002).

Astfel, pe baza experienței practice și a studiilor teoretice, sunt elaborate reguli de proiectare a pieselor de fabricat prin procedeul FDM.

Fabricația aditivă prin depunere de filamente de material (III). Aspecte privind proiectarea pentru fabricație

Acest al treilea, și ultim, articol din seria despre procedeul de fabricație aditivă (FA) prin depunere de filamente de material prezintă mai multe reguli pentru proiectarea obiectelor fabricate prin FDM (Fused Deposition Modelling). Este vorba de particularizarea conceptului de Design for Additive Manufacturing (Proiectare pentru Fabricația Aditivă) pentru FDM, astfel încât să se valorifice la maximum avantajele acestui procedeu și să se evite cât de mult posibil punctele sale slabe.

Etape necesare în fabricația aditivă

Pentru a reaminti și pentru a fixa termenii și cadrul discuției pentru cei care nu au parcurs primele două articole din serie, în figura 1 sunt prezentați pașii necesari pentru fabricarea unui obiect prin depunere aditivă de filamente de material.

Necesitatea de a proiecta piese/obiecte astfel încât să poată fi fabricate prin FA (în particular, prin FDM) la specificațiile dorite de utilizator este una reală, practică și extrem de actuală. În general se consideră că folosind procedee de FA se poate construi orice fel de formă geometrică. Dar obiectele fabricate trebuie să corespundă și altor cerințe, nu doar celor legate strict de geometrie.

În funcție de aplicație, precizia dimensională și de formă, timpul și costul de construire, rezistența mecanică sau calitatea suprafețelor, constituie aspecte la fel de importante.

Cu alte cuvinte, proiectarea unei piese ce urmează să fie fabricată prin FDM trebuie să aibă în vedere optimizarea geometriei prin considerarea simultană a aspectelor legate de specificul aplicației și de specificul procedeului.

Reguli de respectat la proiectarea pieselor realizate prin fabricație aditivă

Regulile ce vor fi prezentate în continuare (fără a avea nici pe departe pretenția exhaustivității lor) se bazează pe experiența proiectanților și a utilizatorilor, pe recomandările producătorilor, ca și pe studii teoretice și teste care au în vedere determinarea influenței valorilor parametrilor de proces specifici procedeului FDM (grosimea secțiunilor, diametrul filamentului, distanța dintre rândurile de material, stilurile de umplere a stratului), a orientării de construire sau a structurii suport, asupra capabilității de a construi piese cu anumite forme geometrice și dimensiuni, care să satisfacă totodată una sau mai multe dintre cerințele enumerate mai sus.

Mai mult decât atât, nu trebuie omis faptul că obiectele fabricate au caracteristici care depind și de modelul de mașină utilizat și de material, în acest sens fiind realizate și publicate studii de tip benchmarking. De exemplu, un studiu recent prezentat în [1] evaluează mașina CupCake de la firma MakerBot în ceea ce privește precizia dimensională, limitările geometrice și dimensionale ale elementelor geometrice (găuri, buzunare, bosaje de diferite forme și dimensiuni, pereți subțiri, pereți înclinați sau elemente geometrice în consolă), repetabilitatea și toleranțele geometrice și dimensionale. De asemenea, pentru piese fabricate pe mașina Ultimaker și din materialul PLA, în [2] sunt prezentate constrângeri geometrice generale, care ar trebui luate în considerare la proiectare, cum ar fi aceea că proprietățile mecanice sunt mai bune în planul x-y sau că grosimea pereților orizontali nu trebuie să fie mai mică de 1mm.

Modul în care materialul, orientarea de construire și traiectoria de depunere influențează caracteristicile mecanice și calitatea suprafețelor piesei sunt analizate și în [3-5]. Aceste studii au fost elaborate în cadrul unui proiect mai amplu al Universității Paderborn din Germania, denumit „Direct Manufacturing Design Rules”, care are în vedere definirea de reguli pentru elemente standard (plăci, elemente în consolă, pereți subțiri etc.) din componența pieselor care se fabrică utilizând trei tipuri de procedee de FA printre care și FDM (utilizând mașina Fortus, iar ca materiale de construcție: ABS și Ultem).

În [6] sunt studiate proprietățile mecanice ale pieselor FDM, fiind enumerate mai multe reguli pentru proiectanți și operatori:

să se aleagă o orientare de construire, care să asigure preluarea încărcării la tracțiune de-a lungul stratului și nu perpendicular pe acesta. De asemenea, trebuie ținut seama de faptul că rezistența la compresiune a pieselor FDM este aproape dublă în comparație cu rezistența la tracțiune;

creșterea rezistenței mecanice și a rigidității se poate obține dând o valoare negativă parametrului care stabilește distanța dintre rândurile de material;

să se acorde atenție proiectării muchiilor racordate ale pieselor, deoarece în aceste zone apar concentratori de tensiune, din cauza umplerii incomplete produse de discontinuitatea filamentului;

având în vedere faptul că rezistența la forfecare dintre straturi este mai mare decât cea dintre rânduri, dacă piesa finală este supusă unei astfel de solicitări, orientarea ei în timpul fabricării trebuie să se facă în consecință.

Recomandări privind alegerea parametrilor pieselor

Pe lângă aceste reguli care vizează rezistența mecani-că a pieselor fabricate prin FDM și care se referă mai mult la procesul de fabricație, în continuare se prezintă și recomandări generale pentru diferite aspecte legate de geometrie, dimensiuni, precizii și calitate a suprafețelor. Totodată, facem precizarea că modificarea valorilor parametrilor de proces poate permite, de exemplu, evitarea formării anumitor tipuri de goluri sau modificarea anumitor trasee cu opțiunea Custom Groups (disponibilă în software-ul Insight – Stratasys) pentru o mai bună umplere a stratului.

Pereți subțiri:

Grosimea minimă a pereților verticali ai pieselor FDM depinde de grosimea stratului de material. Se recomandă evitarea construirii de pereți verticali formați din straturi care au doar contur și care determină obținerea unei piese fragile. Astfel, în [7] sunt oferite următoarele sugestii generale de corelare a grosimii stratului cu grosimea minimă pentru pereții verticali:

O grosime de perete vertical sub 0,2 mm nu poate fi deloc obținută prin procedeul FDM. Mai mult, Stratasys [8] recomandă ca valoarea acesteia să nu fie sub 1,52 mm. De asemenea, pe cât posibil, grosimea prescrisă a pereților ar trebui să fie un multiplu exact al grosimii filamentului depus, evitând astfel formarea golurilor interioare;

Se recomandă ca pereții orizontali să nu aibă o grosime mai mică de 1mm [2];

Pereții subțiri ar trebui proiectați fără înclinare evitându-se astfel formarea golurilor în interiorul straturilor. Filamentul de material depus are o lățime constantă pentru fiecare rând, iar dacă grosimea peretelui variază în planul x-y, modificarea valorii ariei stratului face ca straturile să nu fie umplute complet. „Grosimea poate să fie variabilă la anumite nivele pe direcția z, dar cu valori discrete, nu în mod continuu cum este cazul unei înclinări” [8]. Iar în acest caz, efectul de scară pe suprafețele înclinate este și mai pronunțat.

Găuri:

Din cauza formatului STL (v. articolele precedente) și a modului de fabricare specific FDM, găurile circulare nu pot fi obținute cu o bună precizie. Astfel, dacă sunt necesare găuri cu precizie ridicată, se recomandă obținerea acestora după fabricarea piesei, în etapa de prelucrare secundară;

În FDM, diametrele găurilor fabricate au, în general, valori sub valoarea nominală;

Cele mai mici abateri de la circularitate le au găurile construite în planul x-y.

Dimensiuni:

Specialiștii firmei Stratasys [8] afirmă că FDM este procedeul optim pentru fabricarea pieselor de dimensiuni mici spre medii (între 25mmx25mmx25mm și 405mmx355mmx405mm), mașinile permițând obținerea unor toleranțe de minim 0,13 mm (acest lucru în absența operațiilor secundare de post-procesare). Valoarea minimă a grosimii stratului de material este de 0,13 mm pentru mașinile Maxum și Titan [9];

Se recomandă ca dimensiunile minime ale tuturor elementelor geometrice să aibă valori peste 2mm în planul x-y [10];

Se recomandă evitarea orientării piesei astfel încât suprafețele de dimensiuni mari să fie construite orizontal, deoarece, din cauza modului caracteristic de depunere a filamentelor și a ciclurilor de încălzire-răcire, apar deformații ale acestor suprafețe;

Precizia dimensională și de formă a elementelor geometrice este mai bună în plan vertical decât în plan orizontal, recomandându-se orientarea piesei în consecință.

Structuri suport:

Pentru piesele fabricate pe mașini FDM, suprafețele înclinate ale pieselor nu necesită structuri suport pentru unghiuri mai mari de 40-45o („regula lui 45o”) față de planul x-y [8], [11]. Dacă este posibil, se recomandă modificarea geometriei piesei astfel încât să nu fie necesară construirea structurilor suport, care au efect negativ asupra calității suprafețelor, a timpului și a costului de construire a piesei;

Se recomandă acordarea unei atenții speciale la proiectarea pieselor FDM astfel încât structura suport construită pentru anumite elemente geometrice să se poată elimina, adică să nu rămână blocată în interiorul piesei. Acesta este un aspect important, mai ales în cazul utilizării suportului de tip break-away, fiind necesar și să se asigure spațiu suficient pentru accesul sculelor necesare desprinderii structurii de pe piesă.

Text:

Textul poate fi construit embosat sau decupat în piesă [2];

Textul printat pe suprafețe verticale este mai vizibil și are precizie mai bună [2];

Dimensiunea minimă a textului este de 10 puncte bold pe fețe verticale, respectiv 16 puncte bold pe suprafața orizontală de sus a piesei [7].

Filete:

Se recomandă evitarea muchiilor ascuțite în proiectarea filetelor pieselor;

Filetele create prin FDM nu au o precizie ridicată, recomandându-se realizarea lor prin operații secundare de prelucrare;

Nu se pot crea filete cu un diametru la bază mai mic de 1,6mm [7].

Racordări:

Având în vedere modul de fabricare al pieselor FDM, racordările nu sunt necesare din punct de vedere tehnologic în acest procedeu [9];

Se recomandă prescrierea de raze de racordare cu valori peste 1mm [7].

Ansambluri și mecanisme:

Având în vedere că prin procedeul FDM se pot construi direct ansambluri de piese, se recomandă ca în planul x-y, jocul dintre piesele componente să aibă o valoare cel puțin egală cu lățimea stratului, în planul z valoarea jocului fiind egală cu grosimea stratului [2], [7].

În încheierea seriei dedicată procedeului FDM, invităm, din nou, cititorii cu experiență în fabricația aditivă să ne împărtășească din regulile pe care le utilizează în proiectarea și fabricarea obiectelor. Consider că doar prin partajarea informației și a cunoștințelor putem contribui la progresul domeniului și în România.

Printare

LPD – Layer Plastic Deposition

(depunere stratificată de plastic)

este o tehnologie precisă de

aplicare a materialului în

vederea obținerii de printuri

detaliate și de acuratețe

200x200x180 mm

7.87 x 7.87 x 7.08 in

7400 cm³

90-400 microns

Rolă

Optimă: 800 microni

400 microni

1.75 mm (0.069 in)

0.4 mm (0.015 in)

1.25 microni

Da

0°-35° C (32°-95° F)

Printer 3D

Îndepărtat manual –

printat din același

material precum modelul

Singular

SD card (inclus)

Z-ABS, Z-ULTRAT,

Z-HIPS, Z-GLASS

Suită software

Tipuri fișiere

Software

Z-SUITE

.stl .obj .dxf

Mac OS X / Windows

XP and newer versions

Fără rolă

Cu rolă

Cutie transport:

Greutate transport:

Dimensiuni

fizice

345 x 360 x 430 mm

13.6 x 14 x 16.9 in

345 x 430 x 430 mm

13.6 x 17 x 16.9 in

460 x 470 x 570 mm

18.1 x 18.5 x 22.4 in

25 kg (55 lbs)

Tehnologie

380° C (716° F)

110° C (230° F)

20°-35° C (68°-95° F)

1.5 microni

1.5 microni

Strat suport

Extruder

Conectivitate

Materiale disponibile

Compatibilitate

Alimentare AC

Necesități alimentare

Electric

110/240V ~ 2 A 50/60 Hz

24 V DC @ 11 A

Consum cure nt 190W

Una dintre principalele know – how de la începutul secolului XXI este considerat pe bună dreptate imprimarea 3D. Oamenii de știință au învățat cum să creeze modele 3D de orice fel până la mâncare și vase sangvine. La moment această tehnologie este încă destul de scumpă, dar faptul practic este că omenirea a făcut un progres tehnic imens în viitor, expresia „mașinile care imprimă mașini” acum nemaifiind văzută ca ceva ce ține de fantastic, pentru că astăzi imprimantei 3D îi este în putere să imprime o imprimantă 3D.

Astăzi pentru dispozitivele de imprimare 3D se folosește în calitate de materiale cel mai frecvent: Rășină fotopolimer, fir de plastic (PLA, ABS), pulbere ceramică, lut, compozite din plastic-lemn, plastic-carbon, plastic-celuloză etc.

Avantajele de bază a imprimantei 3D constă în aceea că fabricarea piesei se face în absența omului; excluzând nevoia de desenare sau calculare pentru fabricarea piesei. Cu ajutorul programelor se poate de privit la piesa care trebuie să fie executată din toate pozițiile, se poate de văzut mărimile reale, proporțiile, și încă de la etapa de modelare se poate de corectat deficiențele.

Procesul de imprimare este după cum urmează. Capul de imprimare se află pe sistemul de coordonate a imprimantei. Duza cap se deplasează pe coordonatele X și Y, împingând prin duză un anumit material. În timpul depunerii al celui de-al doilea strat se schimbă coordonata Z prin coborârea sau ridicarea platformei sau a capului.

Duza este foarte fierbinte în timpul funcționării, iar porțiunea rămasă a extruderului trebuie să fie rece, altfel filamentul începe să se topească prea devreme. Prin urmare , între zona „rece” și „caldă” la capătul extruderului este așezată izolația termică de obicei din plastic rezistent termic. De asemenea pentru răcire se mai folosește adesea un ventilator sau două de răcire în dependență de necesitățile puterea acesteia.

Imprimanta M200 funcționează într-un sistem integrat. De aceea printează cu precizie dimensională și repetabilitate unică în segment. O suprafață mare de lucru și o selecție largă de materiale de calitate profesionistă și cu proprietăți diferite fac din Zortrax M200 o unealtă foarte versatilă.

Imprimanta este insotita de un software si un firmware upgradabil la cele mai noi versiuni aparute (inclusive versiuni beta), fara niciun cost suplimentar pentru utilizator.

Z-SUITE 2 requirements:

Minimum system requirements:

Central Processing Unit

Intel / AMD (2,0+ GHz)

Graphics Processing Unit

Intel HD Series GT2+ Tier / AMD APU A4

RAM Memory

4GB

Operating System

Windows (Vista/7/8/8.1/10) 64-bit / macOS Sierra

Recommended system requirements:

Central Processing Unit

Intel i3-i7 or equivalent AMD (3,0+ GHz)

Graphics Processing Unit

GeForce GT 730+ / AMD R7 series+

RAM Memory

8GB+

Operating System

Windows (7/8.1/10) 64-bit / macOS High Sierra

Supported File Formats*

.STL, .OBJ, .3MF**, .DXF**

Formate de schimb de date în fabricația aditivă: STL vs. AMF

În fabricația aditivă (FA), transferal datelor modelului virtual al piesei/ansamblului de fabricat către software-ul mașinii se face printr-un format de schimb de date denumit STL (acronim pentru Standard Tesselation Language, Standard Triangulation Language sau, după alte surse, Stereolithography). Acest format a fost dezvoltat în 1987 de Albert Consulting Group pentru firma 3D Systems și este, de facto, standardul de transfer de date către software-ul de planificare a proceselor de FA. Astfel, obiectul în format STL este importat în software-ul mașinii de FA, orientat în spațiul de lucru și secționat. Pe baza datelor secțiunilor obținute se generează traiectoriile pentru capul de imprimare, raza laser, capul de extrudare etc., în funcție de tipul procesului de FA utilizat pentru construirea obiectului.

Transferul de date la FA

Formatul STL constă dintr-o listă neordonată de fațete triunghiulare (B-rep triunghiulară), fără nicio altă informație topologică, decât aceea referitoare la orientarea fiecărei fațete. Sunt cunoscute două tipuri de reprezentări: reprezentările ASCII și reprezentările binare (Binary).

Ambele descriu coordonatele a trei puncte care formează un triunghi în spațiu și normala asociată acestora, determinată după regula mâinii drepte. Formatul binar generează un fișier de mărime mai mică (conform Fadel&Kirschman, 1996, 1/4-1/6 din mărimea fișierului ASCII), dar formatul ASCII poate fi mai ușor de citit și verificat vizual.

ASCII:

<STL file>::=<facet 1><facet 2>…<facet n>

<facet>::=<normal><vetex 1><vertex 2>  <vertex 3>

<normal>::=<lx><ly><lz>

<vertex>::=<x><y><z>

Binar:

<BINARY STL file format>::=<STL file entity name><fact number N><facet info>

<STL file entity name>::<80 bytes entity name, spaces are used to fill the blank>

<facet number N>::<4 bytes long integer>

<facet info>::<facet normal><facet vertices><2 bytes space><facet normal><facet vertices><2 bytes spaces>…

<facet normal>::=<lx,lz,ly, float, 12 bytes>

<facet vertex coordinates>::=<x1, y1, z1 ,x2, y2, z2, x3, y3, z3, float, 36 bytes>

Având în vedere acest mod de reprezentare, aproximarea suprafețelor curbe prin triunghiuri are implicații negative asupra calității obiectului fabricat, fiind definit un parametru (chord height), care exprimă distanța dintre suprafețele modelului 3D CAD și cele ale modelului teselat (suprafață generată prin utilizarea de module de suprafață elementare de tip triunghi plan). Astfel, cu cât numărul de triunghiuri este mai mare, cu atât modelul fizic ce va fi fabricat se apropie mai mult de cel proiectat, cu dezavantajul creării unui fișier STL de dimensiuni uneori foarte, foarte mari.

Prin urmare, este necesară stabilirea unui compromis, printre altele, în funcție de geometria piesei de fabricat, între calitatea aproximării și mărimea fișierului rezultat. (Nu trebuie omis și faptul că orientarea față de direcția de construire are, de asemenea, implicații asupra calității suprafețelor și a preciziei dimensionale și de formă a obiectului.)

Figura 1. Extras dintr-un fișier STL ASCII pentru o piesă de tip cub cu latura  de 50 mm

Actualmente, orice modeler 3D CAD poate exporta date în format STL, oferindu-se posibilitatea de a controla valoarea toleranței de conversie a modelului virtual în model STL. Ca exemplu, în software-ul CATIA V5 acest lucru se poate face prin modificarea valorii parametrului denumit 3D Accuracy(Tools→Options→General→Display→Performance→3D Accuracy).Tabelul 1 arată dependența dintre numărul de triunghiuri și mărimea fișierului STL pentru un obiect extrem de simplu, o sferă cu rază de 50mm.

Tabel 1

Avantaje și dezavantaje ale formatului STL

Sintetizând, avantajele formatului STL sunt următoarele:

Permite o conversie ușoară, formatul STL conținând doar o listă de triunghiuri plane, foarte simplu de codat, citit și verificat;

Este independent de sistemul CAD utilizat la obținerea modelului virtual al obiectului;

Admite o varietate mare a datelor de intrare, reprezentările tridimensionale putând fi convertite în reprezentări B-rep triunghiulare;

Oferă algoritmi simpli de secționare, datorită modului de reprezentare printr-o rețea de triunghiuri, operațiile executate asupra modelului fiind simple și precise;

Oferă posibilitatea împărțirii modelului, utilă atunci când spațiul de lucru al mașinii de FA nu este suficient de mare, obiectul fiind împărțit în mai multe părți construite individual și asamblate la final.

Figura 2. Vizualizarea în software-ul Netfabb a unei sfere modelată în CATIA V5

Punctele slabe ale formatului STL se referă la următoarele:

Suprafețele curbe se  aproximează prin fațete triunghiulare, cu implicații negative asupra calității suprafețelor;

Mărimea fișierului STL este mare și foarte mare, din cauza redundanței formatului;

Apar erori geometrice de tipul: goluri (triunghiuri lipsă), triunghiuri care se intersectează, triunghiuri duplicate, normale inconsistente sau fațete degenerate;

Nu permite includerea de metadate sau a altor cerințe referitoare la textură, microstructură sau materiale multiple (informații necesare având în vedere noile evoluții ale anumitor procedee FA).

Îmbunătățiri, progrese și tendințe ale software-ului pentru FA

Corectarea (repararea) fișierelor STL devine necesară din motivele menționate mai sus, în acest scop utilizându-se
software-uri specifice, gratuite sau nu, cum ar fi Netfabb (www.netfabb.com), MeshLab (meshlab.sourceforge.net), 3Deefab (www.3deefab.com), Magics (software.materialise.com/magics) etc.

Așadar, pentru a fi siguri că modelul tridimensional este corect și că poate fi secționat, trebuie verificată validitatea tuturor triunghiurilor acestuia, astfel încât să se asigure faptul că sunt îndeplinite anumite condiții: fiecare triunghi are câte o muchie comună cu triunghiurile adiacente și triunghiurile se intersectează doar în vârfurile comune, se respectă regula lui Euler pentru solide, triunghiurile nu au normalele orientate incorect etc. De-a lungul timpului au fost propuse mai multe soluții/algoritmi de corectare a fișierelor STL, putând fi menționate, în acest sens, cele publicate de: Makela&Dolenc, 1993; Li ș.a., 2002; Jamshidi, ș.a., 2005; Chao, ș.a. 2011.

Dezavantajele STL au făcut ca, aproape imediat după apariția sa, specialiștii în domeniu să-și dorească un alt format, dar timp de peste 25 de ani nu s-a reușit înlocuirea acestuia. Alte formate propuse nu s-au bucurat de succes: SLI (3D Systems Layer Interface Format), CLI (Common Layer Interface), SLC (3D Systems Layer Contour). Dar, după cum aminteam în articolul trecut, standardizarea recentă în domeniul FA a vizat și schimbul de date CAD-mașină de FA, în acest scop fiind dezvoltat formatul standard AMF (Additive Manufacturing File).

FIGURA 2 Aproximarea suprafețelor curbe în formatul AMF (Lipson, 2009)

Formatul AMF (cunoscut poate unora sub denumirea mai veche de STL 2.0, Hiller&Lipson – 2009) este bazat pe XML, fiind ușor de comprimat, citit și scris. El este, de asemenea, compatibil cu STL.

Formatul AMF este astfel conceput încât să elimine inconvenientele STL, conținând secțiuni care permit definirea de materiale multiple (tag-ul <palette>), culori (tag-ul <color>), texturi (tag-ul <texture>) sau metadate (elementul <metadata>). De asemenea, calitatea reprezentării suprafețelor este îmbunătățită deoarece, pentru a elimina dezavantajul STL legat de aproximarea suprafețelor curbe, formatul permite adăugarea de vectori normali/tangenți în anumite vârfuri, obținându-se, astfel triunghiuri curbe. Tag-ul <constellation> permite administrarea obiectelor identice aranjate în pachete-constelații, a componentelor multiple sau a elementelor geometrice interne care se repetă, răspunzând, astfel, necesităților curente ale industriei FA.

Ca informație geometrică, un fișier AMF conține vârfuri și volume. Astfel, se definesc, mai întâi, toate vârfurile (o singură dată în comparație cu formatul STL, unde apar redundanțe în acest sens) și se ordonează, iar apoi, pentru fiecare volum sunt definite triunghiuri, fiecare ca un set de câte trei vârfuri.

Figura 3.Extras din fișierul în format AMF al unei sfere de rază 50mm

În figura 3 este prezentat un extras din fișierul în format AMF al sferei de rază 50mm. Dimensiunea acestuia este de 4,77Mb (și poate fi comprimat) comparativ cu 6,55Mb pentru STL.

FIGURA 4.Captură de ecran al editorului AMF

Celor interesați să genereze și să utilizeze fișiere în acest format, până când va fi disponibilă opțiunea „Save As… AMF” în toate software-urile 3D CAD (în acest sens amintim inițiativa SolidWorks de a introduce exportul în format AMF în noua versiune 2014), le recomand: http://amf.wikispaces.com/Amf+Editor (figura 4).

Având în vedere toate avantajele menționate anterior și lansat fiind încă din 2011, se ridică întrebarea firească de ce AMF nu a fost adoptat de producătorii de mașini de FA sau de către producătorii de sisteme CAD. Din păcate, nu am un răspuns la această întrebare, dar este evident că nici producătorii de CAD și nici cei din domeniul FA nu au făcut, încă, primul pas…

Bibliografie:

1. Fadel, G.M., Kirschman, C. (1996), Accuracy issues in CAD to RP translations, Rapid Prototyping Journal, Vol. 2 Iss: 2, pp.4 – 17

2. Mäkelä, I., Dolenc, A. (1993), Some Efficient Procedures for Correcting Triangulated Models, Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, Texas, p.126-134

3. Jamshidi, P., Haddad, M., Mansour, S. (2005), A new database approach to improve STL files correction algorithms, 18th International Conference on Production Research

4. Li, J.-F., Zhong, Y.-X., Li, D.-S.: Research on errors identifying and repairing of STL file, Machinery Design & Manufacture (2), 40–42 (2002)

5. Chao, H., Li, Y., Ying-ying Z., Research on Repair Algorithms for Hole and Cracks Errors of STL Models, Computing and Intelligent Systems Communications in Computer and Information Science Volume 234, 2011, pp 42-47

6. Agarwala, M.K. ș.a., Structural quality of parts processed by fused deposition, Rapid Prototyping Journal, Vol. 2, Iss. 4, pp.4 – 19, 1996

7. Ahn, S., Montero, M., Odell, D., Roundy, S., Wright, P., Anisotropic Material Properties of Fused Deposition Modeling ABS. Rapid Prototyping Journal, Vol. 8, No. 4, pp. 248 –257, 2002

8. Grimm, T., Fused Deposition Modelling: A Technology Evaluation, Time Compression Technologies, Vol. 2, No. 2, pp. 1-6, 2003

9. Lee, B.H., Abdullah, J., Khan, Z.A., Optimization of rapid prototyping parameters for production of flexible ABS object, Journal of Materials Processing Technology. Vol. 169, pp. 54–61, 2005

10. Peng, A. H., Xiao, X. M., Investigation on Reasons Inducing Error and Measures Improving Accuracy in Fused Deposition Modeling, Advances in information Sciences and Service Sciences (AISS), Vol. 4, No. 5, pp.149-157, March 2012

11. Peng, A. H., Xiao, X. M., Yue, R., Process parameter optimization for fused deposition modeling using response surface methodology combined with fuzzy inference system, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014

12. Sood A., Ohdar R. & Mahapatra, S., Parametric appraisal of mechanical property of fused deposition modelling processed parts, Materials & Design, Vol. 31, No. 1, pp. 287–95, 2010

13. Ziemian, C., Sharma, M., Ziemian, S., Anisotropic Mechanical Properties of ABS Parts Fabricated by Fused Deposition Modelling, Mechanical Engineering Editor Murat Gokcek, pp.159-180, 2012

14. Ahn, S., Montero, M., Odell, D., Roundy, S., Wright, P. (2002), Anisotropic Material Properties of Fused Deposition Modeling ABS. Rapid Prototyping Journal, 8(4):248 –257

15. Alexander, P., Allen, S., Dutta, D. (1998), Part orientation and build cost determination in layered manufacturing, Computer-Aided Design, 30(5):343–356

16. Byun, H-S., Lee, K.W. (2006), Determination of the optimal build direction for different rapid prototyping processes using multi-criterion decision making, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 22(1):69-80

17. Chen, Y., Lu, J. (2013), RP part surface quality versus build orientation: when the layers are getting thinner, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 67(1-4):377-385

18. Frank, D., Fadel, G. (1995), Expert system-based selection of the preferred direction  of build for rapid prototyping processes, Journal of Intelligent Manufacturing, 6(5):339–45

19. Li, Y., Zhang, J., (2013), Multi-criteria GA-based Pareto optimization of building direction for rapid prototyping, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 69(5-8):1819-1831

20. Masood, S.H., Rattanawong, W., Iovenitti,P. (2000), Part build orientations based on  volumetric error in fused deposition modelling. International Journal of Advanced Manufacturing Technology,19(3):1 62–8

21. Johnson, W.M., ș.a., 2014, Comparative evaluation of an open-source FDM system, Rapid Prototyping Journal, 20(3):205-214

22. D’Angelo, G., Designing for Ultimaker, disponibil la: www.fablab.dtu.dk

23. Bagsik, A., 2010, FDM Part Quality Manufactured with Ultem*9085 14th International Scientific Conference „Polymeric Materials“, Halle, September 15-17th

24. Bagsik, A., Schöppner, V., Mechanical Properties of Fused Deposition Modeling Parts Manufactured with Ultem*9085, ANTEC 2011, Boston/ Massachusetts, USA, 1-5 May

25. Adam, G.A.O, Zimmer, D., 2014, Design for Additive Manufacturing-Element transitions and aggregated structures, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 7(1):20-28

26. Ahn, S. H., ș.a., 2002, Anisotropic Material Properties of Fused Deposition Modeling ABS; Rapid Prototyping, 8(4):248-257

27. http://www.solidconcepts.com/resources/design-guidelines/fdm-design-guidelines

28. Stratasys 3D Printers and Production Systems, 2011, FDM for End-Use Parts: Tips and Techniques for Optimization, 1-22

29. Grimm, T., 2003, Fused Deposition Modelling: A Technology Evaluation, Time Compression Technologies, 11(2):1-6, disponibil la: http://www.trosol.com/fortus/downloads/WPGrimm.pdf

30. Bakar, N.S.A., ș.a., 2010, Analysis on fused deposition modelling performance, Journal of Zhejiang University, Science A, 11(12): 972-977

31. http://reprap.org/mediawiki/images/1/1c/FFFDesignGuide.pdf

32. http://www.slideshare.net/KacieHultgren/top10-tips-for