Na Alemanha, a indústria médica tem registrado crescimento econômico acima da média, caracterizada por elevada dinâmica de exportação e de inovação^[2,10]. Com atuação intensiva em pesquisa e desenvolvimento, atingiu classificação de indústria com tecnologia de ponta^[4,5,9], com previsão de forte crescimento de mercado. Os motivos que a conduziram a esse patamar se devem aos seguintes fatores^[1,2,3,10]:

• aumento constante da população mundial,
• aumento da riqueza nos países em desenvolvimento,
• mudanças demográficas com consequente aumento da expectativa de vida,
• conscientização sobre a saúde e maior disposição para gastar em serviços médicos e
• novos desenvolvimentos orientados pela tecnologia.

 

Geometrias inatingíveis sem manufatura aditiva

Novidade tecnológica mais interessante da indústria médica, a manufatura aditiva tem levado a novas possibilidades de configuração e de produção. Sua origem remonta à fabricação de protótipos e moldes (prototipagem rápida), mas, hoje em dia, é cada vez mais utilizada para produzir peças com propriedades de produto final.

Sua principal característica é a estruturação das peças em camadas diretamente a partir de dados do CAD 3D, sem a necessidade de ferramentas específicas. Consequentemente, os dados de volume 3D são decompostos em camadas em uma etapa de preparação de dados, correspondendo à seção transversal do corpo do volume em uma determinada altura Z. As diversas camadas são produzidas pelo processo de manufatura no plano construtivo (plano X-Y) e reunidas de forma sequencial na direção do eixo Z.

Diferentemente dos processos de manufatura subtrativa, como torneamento, fresamento ou furação, a manufatura aditiva caracteriza-se pelo acréscimo de material, por causa dessa formação em camadas na direção do eixo Z – com o contorno variando de acordo com a geometria da peça. Na observação mais precisa deste processo, verifica-se que se trata de manufatura 2½D. Como resultado desse processo, são formadas camadas escalonadas na direção do eixo Z, e a precisão aumenta à medida que diminui a altura dos “degraus”.

O efeito de escalonamento provocado por esses degraus, por sua vez, produz diferenças de precisão de forma entre o plano X-Y e a direção Z^[6]. A manufatura aditiva combina elevada flexibilidade geométrica de projeto com a aplicação de grande variedade de materiais, especialmente metais e materiais sintéticos. Peças até então impensáveis de serem manufaturadas, em virtude de geometria muito complexa (por exemplo, com rebaixos ou espaços ocos) ou de lotes muito reduzidos, podem agora, com essas novas tecnologias de produção, serem produzidas de forma econômica.

Especialmente interessante entre esses processos, a fusão seletiva a laser (SLM, do inglês selective fuser melting), já bastante difundida, parte de materiais em pó para a fabricação de peças para pronto uso. Por esse processo, propriedades como densidade e resistência são comparáveis às das peças fabricadas pela manufatura convencional. A figura 1 mostra as etapas do processo da fusão seletiva a laser.

Figura 1 – Etapas do processo da fusão seletiva a laser^[11].

A repetição das etapas do processo, como exposição do contorno da peça ao laser no plano X-Y, a descida da plataforma e a colocação de nova camada de pó, é típica em grande número de processos aditivos.

Conforme o perfil de exigência, os materiais metálicos mais utilizados são o aço inoxidável, ligas de titânio, ligas à base de níquel, ligas de alumínio fundido ou ligas de cobalto-cromo-molibdênio. Os materiais sintéticos usados são poliamida, poliestireno ou o material nobre mais recente, poli (éter-éter- -cetona) ou PEEK. Por meio da fusão seletiva a laser, é possível variar os parâmetros do processo através da potência do laser ou da velocidade de escaneamento do raio laser, para influenciar a densidade ou a estrutura da peça e ajustar os parâmetros aos requisitos^[12].

 

A manufatura aditiva estava predestinada

Conforme especialistas de mercado, os processos de manufatura aditiva apresentam crescimento anual de 10 a 15%, mas presume-se que 20% desse volume sejam direcionados para a indústria médica. O significado especial dessa demanda pode ser reconhecido nas vendas informadas tanto pelos fabricantes dos equipamentos quanto por prestadores de serviços na área da fusão seletiva a laser^[13]. Para Martin Bullemer, responsável pelo desenvolvimento de negócios na área médica da empresa EOS GmbH, “a manufatura aditiva estava predestinada para a indústria médica. Cuidamos de gente, e uma pessoa é diferente da outra. Por isso, para um tratamento ideal, cada um deveria receber um cuidado personalizado”.

Ainda de acordo com o especialista, na indústria médica a linha de produção caracteriza-se por uma grande quantidade de diferentes peças fabricadas em lotes muito pequenos (que podem ser de apenas uma peça). “São requisitos ideais em um processo de manufatura por fusão seletiva a laser.” A adequação dos processos de manufatura aditiva para fins terapêuticos baseia-se no fato de que podem ser fabricados produtos personalizados, geralmente muito complexos, a um baixo custo e com economia de recursos. A manufatura aditiva é uma contribuição na customização em massa (mass customization).

O atual estágio da tecnologia para a indústria médica pode ser dividido em quatro categorias:

• planejamento e instrumentos cirúrgicos,
• próteses,
• produtos aplicados e
• produção de tecidos artificiais (figura 2)^[7].

Figura 2 – Aplicação da manufatura aditiva na área médica^[7,8] e mercados potenciais de aplicação.

A SLM é aplicada principalmente na produção de gabaritos, implantes e tecidos artificiais.

De acordo com os resultados da pesquisa, a manufatura aditiva e a fusão seletiva a laser são utilizadas principalmente para a produção de endopróteses e instrumentos relacionados, como gabaritos para furação e serramento. Bullemer prevê ainda aumento da demanda de implantes feitos por fusão seletiva a laser. Ele cita também a disponibilidade de prótese de quadril (articulação coxo-femural) feita de titânio mediante manufatura aditiva, que apresenta uma textura superficial especial que permite melhor absorção pelo organismo.

A reposição de dentes fabricados por fusão seletiva a laser já se estabeleceu no mercado. Os profissionais que lidam com esta área estimam que das 7 milhões de unidades fabricadas em 2010 com metais menos nobres, para coroas e pontes, 15% foram feitas mediante emprego da tecnologia SLM.

Rainer Bader, professor de Biomecânica e tecnologias de implantes da Universidade de Rostock (também Alemanha), considera a área de cirurgia de revisão em próteses de joelho e quadril como mercado potencial para os processos de manufatura aditiva. A figura 3 mostra o crescimento contínuo desta área. O aumento da expectativa de vida da população e a disponibilidade para o trabalho nessa fase prometem o crescimento desta área.

Figura 3 – Cirurgias com próteses de joelho e quadril na Alemanha entre 2004 e 2008.

Ao contrário da tendência geral, os processos aditivos são usados na indústria médica para a manufatura de produtos finais. Em outras áreas, aplica-se mais a manufatura subtrativa do que a prototipagem.

 

Personalização com economia de custo

Ainda de acordo com os especialistas, a principal vantagem das tecnologias aditivas é a possibilidade de personalizar a solução. Segundo o dr. Andreas Hölzer, diretor científico de Biomecânica do Laboratório de Biomecânica e Ortopedia Experimental na clínica da Universidade Ludwig-Maximilian, em Munique, “as vantagens são muitas, especialmente para implantes. Na ortopedia, as próteses de construção modular têm mais perspectivas do que soluções personalizadas. Eu acho que existe potencial para instrumentos cirúrgicos personalizados”.

O dr. Ingo Uckelmann, diretor de Pesquisas e Desenvolvimento na empresa de soluções dentárias Bego, acrescenta que “a manufatura personalizada vale principalmente na área odontológica, em que os produtos devem ser desenvolvidos de forma individualizada”. A adequação da fusão seletiva a laser para a produção econômica de peças personalizadas na área odontológica é mais vantajosa do que coroas e pontes produzidas de forma convencional (figura 4).

Figura 4 – Manufatura de uma prótese dentária personalizada por meio de fusão seletiva a laser.

O dr. Christian Schmidt, diretor de Projetos Especiais de Tecnologia na empresa Sirona Dental Systems, considera que as tecnologias de manufatura aditiva representam concorrência direta com outros processos alternativos. “Os custos de produção das peças feitas por manufatura aditiva precisam ser competitivos, pois os processos de manufatura são substituíveis. A comparação dos custos de fabricação comprova que uma coroa dentária produzida por SLM tem fator de vantagem de dois ou três, na comparação com a coroa produzida pelo método convencional. Isso representa um excepcional ponto positivo para a manufatura aditiva.”

Como exemplo comparativo, ele considerou uma carga de 200 unidades em um equipamento de SLM, para a qual seriam necessárias de cinco a 10 fresadoras, para produzir a mesma quantidade de unidades no mesmo tempo. No entanto, na comparação deve ser incluído o processo total da manufatura, em que o acabamento representa custos consideráveis.

O professor Bader avalia também as possibilidades da manufatura personalizada em outras áreas da medicina. “Vejo grande potencial de desenvolvimento na cirurgia de tumores, nas áreas das extremidades ou quando se trata da reconstrução de grandes defeitos. O implante pode ser produzido mediante manufatura aditiva especificamente para um determinado paciente. Neste caso, uma grande vantagem é o fator tempo, pois os processos aditivos podem produzir os implantes de forma rápida e personalizada. Outra vantagem é que com a fusão seletiva a laser, ou outro processo de manufatura aditiva, podem ser construídos implantes otimizados em relação à biomecânica e à absorção.”

Para melhorar significativamente a absorção, a possibilidade de inserir estruturas finíssimas de grades nas superfícies dos implantes é considerada um importante argumento favorável às tecnologias aditivas. Segundo a opinião dos especialistas, com a aplicação da manufatura aditiva e das possibilidades de produzir componentes personalizados para os pacientes, há vantagens indiretas de custos. Como exemplos, eles citam as guias de furação (figura 5).

Figura 5 – Guia de furação personalizada feita em material sintético.

Essas guias são gabaritos de furação que podem ser usados, por exemplo, em cirurgias de joelho, e que, baseados em imagens de tomografia computadorizada ou ressonância magnética, são produzidos por manufatura aditiva especificamente para determinado paciente. Com as guias de furação, é possível reduzir significativamente o tempo da cirurgia, o que é vantajoso para o paciente, para o hospital e para o médico – que dispõe de mais tempo para outras cirurgias. Segundo o dr. Hölzer, as guias de furação, ou instrumentos semelhantes, simplificam o tratamento para o médico e aumentam a segurança dos pacientes.

A tendência de tratamentos e de cuidados personalizados poderia abrir o mercado para pacientes particulares ou acréscimos em planos de saúde. Ou seja, em simultâneo às soluções padronizadas, as clínicas poderiam oferecer atendimento personalizado com soluções possibilitadas pela manufatura aditiva, que podem ser cobradas como atendimento particular.

 

Desafio para aumentar a difusão

Algumas barreiras devem ser superadas para que as tecnologias da manufatura aditiva sejam mais difundidas. Por um lado, a aceitação não é generalizada e, por outro, a tecnologia ainda não está totalmente adaptada para produção em série. E isto não vale apenas para a área médica.

A falta de aceitação geral das tecnologias de manufatura aditivas, que impede o aumento da aplicação, é baseada essencialmente em mal-entendidos e falta de conhecimento sobre qualidade, propriedades dos componentes e limitações do processo.

Ainda não são totalmente conhecidas as regras de construção e de projeto que devem ser observadas para a aplicação racional da manufatura aditiva. O uso mais frequente da tecnologia e das suas possibilidades pode ser um valioso auxiliar neste sentido. As primeiras diretrizes que criaram as bases para padronização dos projetos foram a VDI 3404 e as normas ASTM 42 e ASTM 2729.

Outra barreira para possíveis iniciantes na tecnologia é a comparação dos custos de fabricação com os processos convencionais de torneamento, fresamento e furação. Muitas vezes, a comparação é feita de forma errada. A manufatura aditiva de peças típicas dos processos de usinagem é comparada, por solicitação do cliente, com benchmarks de processo. Especialmente em peças grandes, maiores tempos de manufatura conduzem a uma rejeição do custo final. É importante que os iniciantes avaliem criticamente a adequação da tecnologia que pretende adotar. No caso de concordância dos resultados sobre propriedades da peça (geometria complexa, peça única, integração funcional) e outros requisitos, a manufatura aditiva apresenta-se competitiva.

O dr. Uckelmann cita três fatores que beneficiam a aplicação da tecnologia aditiva: o produto deve ter alto valor agregado, ser relativamente pequeno (caber no espaço de trabalho dos equipamentos) e específico para um determinado cliente.

Requisitos mais elevados, situados acima daqueles dos componentes em alumínio fundido, por exemplo, com os mesmos perfis de trabalho e de cargas, são avaliados de forma negativa para aplicação dos processos aditivos. Isso mostra que a batalha será difícil na comparação das novas tecnologias com as tradicionais, já estabelecidas.

Outra barreira é a falta de estudos mais aprofundados, em especial na área da endopróteses. Os altos custos de recuperação, tanto em cirurgias específicas quanto na medicina em geral, fazem com que a maioria dos fabricantes de implantes e próteses não aceite a nova tecnologia. Uma contribuição importante para a divulgação do processo é dada por consórcios profissionais, que destacam a importância da padronização e da normalização dos processos, assim como a segurança na produção de peças, para atingir as propriedades desejadas. No entanto, há necessidade de pioneiros. Conforme Martin Bullemer, assim que um precursor apresentar um implante obtido por manufatura aditiva, outras empresas seguirão o exemplo. “Isto também vale para outras áreas de produção.”

Ao lado de fatos mais corriqueiros, existem outros desafios relacionados com o processo. Por exemplo, ainda não foi solucionada a forma de usar os pós. Embora já existam processos industriais, a maioria dos sistemas ainda apresenta característica de laboratório. O dr. Christian Schmidt chama a atenção para as máquinas ainda não totalmente adaptadas para o ambiente de linha de produção, principalmente no que se refere à manipulação do pó e ao acabamento das peças produzidas.

Outro obstáculo é representado pelos tempos de preparação da manufatura aditiva, por causa do caráter do processamento em lotes. Para aumentar a produtividade, é necessário reduzir os tempos de ciclo. Uma abordagem para a implementação desses requisitos foi feita pelo dr. Ingo Uckelmann: “O pedido de patente do processo de manufatura aditiva contínua (CAM, do inglês continuous additive manufacturing), feito pela Bego, representa um passo importante para a fabricação contínua por processo aditivo. Com ele, são eliminados, de uma vez, três dos obstáculos apresentados: os tempos elevados de preparação e da manufatura e a limitação de espaço dos atuais equipamentos, o que é especialmente importante para as tecnologias aeronáuticas e aeroespacial. Conseguiu-se assim um aumento de produtividade com produtos maiores (potencialmente infinitos) e menores tempos de ciclo”. No futuro, é preciso eliminar as estruturas de suporte necessárias ao pós-processamento manual para acabamento das peças.

As elevadas exigências relativas à tecnologia do sistema são geradas em função da elevada flexibilidade de projeto oferecida pelo método. A capacidade de computação disponível, junto com o aumento da complexidade e liberdade de projeto, representa um importante gargalo para a produção dos componentes. A linha de produção necessita de algoritmos mais rápidos e eficientes para o cálculo dos dados das camadas e controle do processo de exposição, para alcançar um aumento significativo de produtividade.

Ao mesmo tempo, dependendo do foco da aplicação, existem certos excedentes de capacidade. Os sistemas aplicados na área odontológica, por exemplo, não são totalmente aproveitados em relação ao espaço disponível, principalmente a altura. Sistemas mais compactos, feitos sob medida, podem preencher lacunas existentes e ajudar a superar barreiras que dificultam a difusão dos processos.

 

Potenciais futuros

Os desenvolvimentos para a solucionar os desafios descritos estão em constante avaliação por instituições de pesquisa, fabricantes de equipamentos e usuários. Ao lado de requisitos como aumento da produtividade e atendimento às necessidades da manufatura (por exemplo, a aplicação automática do pó), principalmente na indústria médica, podem ser identificadas tendências que reagem diretamente sobre os desafios tecnológicos da manufatura aditiva.

As exigências de serviços personalizados já chegaram ao ramo da odontologia. Os desenvolvimentos em implantes, próteses e instrumentos descartáveis, no entanto, também precisam superar as barreiras descritas. De acordo com o dr. Hölzer, há duas tendências em paralelo. Uma delas é a personalização das ferramentas, o que facilita o trabalho do cirurgião, que dará menos passos e precisará de menos tempo, ao mesmo tempo em que o paciente ficará mais seguro.

A outra é mais conhecida: o uso de instrumentos descartáveis. Ou seja, o cirurgião dentista não recebe apenas a prótese, mas os instrumentos descartáveis adaptados tanto à prótese quanto ao paciente. Esta tendência foi originada nos Estados Unidos, onde é adotada de forma rentável. Dependendo das exigências legais e das imposições estatais, os especialistas acham que os instrumentos descartáveis personalizados representam o maior potencial para a manufatura aditiva.

Ainda de acordo com os especialistas consultados, os novos materiais, principalmente a cerâmica, têm grandes chances significativas de mercado. Eles acreditam que dentro de até 10 anos os materiais cerâmicos poderão ser adquiridos no comércio com qualidade apropriada para a manufatura aditiva. As previsões de desenvolvimento tecnológico e aumento dos materiais apropriados estão resumidos na tabela 1.

Henner Schöneborn, diretor técnico e comercial da SLM Solutions (Alemanha) identifica as áreas com possibilidade de desenvolvimento nos próximos anos. “Além do aumento da produtividade, existem metas para melhorar as propriedades das peças, a exemplo do uso de têmpera e da integração do tratamento térmico. Uma meta de curto prazo é a apresentação da próxima classe de desempenho na fusão seletiva a laser, usando feixe de até 1 kW combinado com um de 400 W, com redução correspondente do foco, o que está associado a uma resolução maior de detalhes. Isto pode ser comparado com a combinação usada na usinagem, ou seja, operações de desbaste e acabamento. As vantagens são o aumento da produtividade com maior fidelidade de detalhes.

Referências

1] Abele, E.; Gunther, R.: Zukunft der Produktion – Herausforderungen, Forschungsfelder, Chancen. Carl Hanser Verlag, Munique, 2011.

2] BMBF: Fördern – forschen – heilen. Medizintechnik in Deutschland. Bonn, Berlim 2008.

3] Bundesverband Medizintechnologie: Branchenbericht MedTech 2009. Berlim, 2009.

4] EFI: Gutachten zu Forschung, Innovation und technologischer Leistungsfähigkeit 2009. Berlim, 2009.

5] Egeln, J. et al.: Bericht zur technologischen Leistungsfähigkeit Deutschlands 2007. Ed. BMBF, Bonn, Berlim, 2007.

6] Gebhardt, A.: Generative Fertigungsverfahren. Rapid prototyping – rapid tooling – rapid manufacturing. Ed. München, 3a ed., 2007.

7] Gibson, I.; Rosen, D. W.; Stucker, B.: Additive manufacturing technologies. Rapid prototyping to direct digital manufacturing. Nova York, 2010.

8] Hao, L.; Harris, R.: Customised implants for bone replacement and growth. In: P. Bártolo; B. Bidanda: Bio-materials and prototyping applications in medicine. Nova York, 2008, p. 79-107.

9] OECD: OECD science, technology and industry scoreboard 2007. Innovation and performance in the global economy, 2007.

10] Partisch, C.: Die deutsche Medizintechnik – eine kerngesunde Wachstumsbranche? Allianz Dresdner Economic Research, no 73, 2006.

11] Poprawe, R.: Lasertechnik für die Fertigung. Grundlagen, Perspektiven und Beispiele für den innovativen Ingenieur. 26 tabelas, Berlim, 2005.

12] Stoffregen, H.; Fischer, J.; Siedelhofer, C.; Abele, E.: Selective laser melting of porous structures. Anais do Simpósio Solid Freeform Fabrication, Austin, Texas 22, 2011.

13] Uhlmann, E.; Urban, K.: Markt- und Trendanalyse Laserstrahlschmelzen 2010. RTejournal – Forum für Rapid Technologie, no 8, 2011.