- Desarrollo de técnicas productivas, materiales y soluciones de diseño innovadoras orientadas a generar restituciones de estructuras corporales personalizadas y sistemas de guiado para su implantación E. 4.3. Demostradores fabricados
Proyectos de I+D El contenido de este documento ha sido generado por AIMME como resultado del proyecto GENCOR (IMDECA/2015/24) en el marco de la convocatoria de ayudas dirigidas a centros tecnológicos de la Comunitat Valenciana para el ejercicio 2015 cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) en un porcentaje del 50% a través del Programa Operativo FEDER de la Comunitat Valenciana 2014-2020, dentro del Eje Prioritario 1.
2015 Entregable
1. Objetivos... 3 2. Actividades realizadas y resultados obtenidos... 3 2.1 Plastias craneales... 4 2.1.1 Plastia craneal-opción titanio... 5 2.1.2 Plastia craneal-opción cemento óseo.... 10 Plastia craneal-opción cemento óseo con pestañas metálicas:... 10 Plastia craneal íntegra en cemento óseo:... 18 2.2 Fabricación de piezas auxiliares para la realización de ensayos.... 19 3. Conclusiones... 20 1. Objetivos El objetivo del paquete de trabajo 4-Diseño y fabricación de demostradores innovadores- es definir la metodología de diseño, desarrollo, evaluación analítica y fabricación de una generación innovadora de restituciones de estructuras corporales y sistemas de guiado que sirvan como demostradores desarrollados en el proyecto. Los demostradores analizados son por una parte los que ya se definieron en el Entregable 3.1 de la anualidad 2014 del proyecto El presente entregable se centra en explicar el procedimiento de fabricación de cada uno de los demostradores seleccionados y será el punto de partida para la validación que se ha realizado en el siguiente paquete de trabajo. 2. Actividades realizadas y resultados obtenidos Tarea 4.5. Fabricación de los demostradores Se han fabricado los demostradores siguiendo los requisitos establecidos para cada uno de ellos. Los diseños fabricados están contemplados en el entregable 4.1 de este proyecto. Los demostradores seleccionados son: - Plastias craneales. - Opción Titanio. - Opción Cemento óseo con partes metálicas. - Opción íntegra Cemento ósea 3 de 20
Para cada uno de los demostradores se define un conjunto de procesos y postprocesos necesarios para obtener una pieza final. Se han fabricado 5 demostradores (3 plastias, 1 pieza sustitutiva del sacro, 1 pieza para el sector veterinario) y todas aquellas piezas auxiliares necesarias para el ensayo de cada demostrador. 2.1 Plastias craneales Se han diseñado tres tipos de plastias craneales para fabricarlas con titanio y cemento óseo para evaluar cual presenta un mejor comportamiento. Figura 1. Modelo 3D de craneo con craneotomía 4 de 20
2.1.1 Plastia craneal-opción titanio A continuación se muestran los pasos seguidos para el desarrollo de la plastia craneal mediante la tecnología de fabricación rápida Electron Beam Melting (EBM), capaz de procesar Ti6Al4V adecuado para esta aplicación: Figura 2. Flujo de trabajo para fabricación de la plastia de titanio. 1. A través de las imágenes TAC del paciente se genera el modelo 3D del cráneo tal y como se muestra en la Figura 1. Figura 3. Diseño de la plastia. 5 de 20
2. Con un software de CAD se reconstruye la plastia craneal en el ordenador. El diseño de esta plastia tiene en cuenta dos zonas diferentes: a. Zona central: zona sólida que aporta rigidez al sistema. b. Zona exterior: zona de titanio porosa para facilitar la osteointegración de la plastia 3. Generación de dos ficheros perfectamente diferenciados, uno para la zona solida (con las marcas de colocación de los agujeros) y otro para la zona porosa. Figura 4. Generación de dos ficheros 4. Colocación de los dos ficheros en la orientación de fabricación, puesto que todo se fabrica de forma conjunta. 5. El técnico de la tecnología EBM aplica una estructura a la zona porosa con el software Magics. Figura 5. Imagen de la plastia con zona solida (azul) y zona porosa realizada en el software Magics. 6 de 20
6. Generación de un único fichero de fabricación, generación de las capas de fabricación y lanzamiento de dicho fichero de capas a la máquina EBM. Para la fabricación de las piezas en esta tecnología es necesario posicionar correctamente las piezas y diseñar los soportes necesarios para la fabricación. Figura 6. Diseño de los soportes para fabricar la plastia de titanio 7 de 20
7. Fabricación de la plastia en la maquina EBM. Una vez finalizada la fabricación es necesario esperar en torno a 8 horas para que se enfríe la fabricación y se pueda abrir la máquina. Figura 7. Plastia de titanio recién salida de máquina, con soportes de fabricación. Figura 8. Detalle de la zona porosa. 8. Eliminación de los soportes y limpieza preliminar de la plastia. Dependiendo del tipo de soportes la eliminación del mismo puede ser manual o es necesario el uso de alguna herramienta, los soportes son de titanio también al igual que la pieza. En este caso los técnicos de la EBM prepararon unos soportes con el mínimo espesor posible para realizar su función que son fácilmente eliminados de forma manual, eso sí en esa zona posteriormente se realiza un suave masaje para eliminar cualquier marca. 8 de 20
9. Pulido de las zonas de las lengüetas y de los agujeros de los tornillos. Todo el pulido y preparación de las superficies se realizó de forma manual. Figura 9. Plastia con la zona de las lengüetas pulidas Como se observa en la anterior imagen Figura 9 las zonas brillantes corresponden a las zonas pulidas, pero solo es un efecto visual que tras la limpieza de la pieza mediante mecanizado químico uniformiza un poco color dando un mejor aspecto a la pieza final. 10. Dado que la plastia se compone de una zona porosa es necesario realizar un mecanizado químico que asegure que no hay presencia de polvo suelto o semisinterizado en el interior de en la zona porosa de la misma. Figura 10. Plastia metálica tras la limpieza química. 9 de 20
2.1.2 Plastia craneal-opción cemento óseo. Se han fabricado dos tipos de plastias de cemento óseo, tal y como se especifica en el entregable 4.1. Plastia craneal-opción cemento óseo con pestañas metálicas: A continuación se muestran los pasos a seguir para el desarrollo de la plastia craneal mediante la tecnología de fabricación indirecta colada en vacio con pestañas metálicas. Figura 11. Flujo de trabajo para la fabricación de una plastia con cemento óseo con pestañas metálicas. 1. A través de las imágenes TAC del paciente se genera el modelo 3D del cráneo. 10 de 20
2. Con un software de CAD se reconstruye la plastia craneal en el ordenador, teniendo especial atención en la zona de contacto entre la plastia y el cráneo. El diseño de esta plastia para ser fabricado con cemento óseo difiere un poco de la plastia para titanio. Se dispone de varios ficheros para fabricar todas las piezas necesarias para obtener la plastia. Figura 12. Diseño final de la plastia de cemento óseo (translucida) y pestañas de titanio Cada una de las pestañas es un fichero distinto, y la plastia completa otro. Figura 13. Diseño final de la plastia de cemento óseo (translucida) y pestañas de titanio 11 de 20
3. Preparación de las pestañas metálicas. Una vez numeradas las piezas para evitar problemas de colocación de las mismas en el molde, se fabrican en titanio con la tecnología EBM, hay que colocar los soportes para garantizar la correcta fabricación de los mismos. Figura 14. Diseño del soporte para la fabricación de las pestañas metálicas Figura 15. Pestañas metálicas fabricadas con titanio. 12 de 20
4. Tras la obtención de las piezas, se han eliminado los soportes y se han pulido todas las superficies externas de las piezas. Los agujeros que presentan las pestañas tienen dos funciones, por una parte garantizar la correcta colocación de las piezas en el molde así como garantizar la adhesión del cemento óseo a las pestañas cuando se realiza la colada. 5. Mientras se fabrican las pestañas, de forma paralela se inició la fabricación de la pieza completa en resina mediante la tecnología SLA. Esta pieza fabricada en SLA será el máster para fabricar el molde. 6. Mediante una tecnología de fabricación rápida como es la estereolitografía se genera el modelo físico del cráneo del paciente así como de la plastia diseñada. Los modelos físicos se fabrica en resina. Figura 16. Máster de la plastia fabricado en SLA. 7. Preparación de la superficie del modelo físico de la plastia. Lijado de las marcas de capas que deja fabricación aditiva en el máster para dejar una superficie perfectamente lisa. 8. Pintura del modelo de plastia en resina con una fina capa de aparejo o imprimación para nivelar la superficie evitando sobredimensionar la plastia 13 de 20
9. Preparación del molde de silicona: Colocación de la plastia por la parte más prominente con un cono sobre un soporte de madera, donde se cerraran los laterales creando una caja para que la plastia quede en su interior y proceder al llenado de la misma con la silicona. Preparación de la silicona (ELASTOSIL M4644 A/B) según la recomendación del fabricante normalmente 10:1 partes silicona-catalizador, se mezcla con la batidora y se desgasifica en la cámara de vacío. Se vierte la silicona en la cavidad de la caja donde está la plastia y se pone al vacío para que desaparezcan las burbujas de aire. Pasadas 24 horas se corta el molde en 2 partes siguiendo el contorno de la plastia, se extrae la plastia con el bisturí. Ya se dispone del molde donde inyectar el cemento óseo. Figura 17. Preparación de la silicona para realizar el molde de colada Figura 18. Molde de silicona 14 de 20
10. Colada de la plastia de cemento óseo: Una vez se dispone del molde, el paso más importante es introducir cada una de las pestañas metálicas en su sitio, para ello es necesario ayudarse del marcado de las piezas así como de un plano de su situación. Figura 19. Preparación del molde incluyendo las pestañas metálicas Figura 20. Molde con las pestañas metálicas 15 de 20
Cuando el molde ya está preparado se inyecta el cemento óseo siguiendo las instrucciones del fabricante. Figura 21. Cemento óseo Figura 22. Proceso de inyección del cemento óseo en el molde Figura 23. Detalle del punto de inyección 16 de 20
11. A continuación se muestran imágenes de la pieza obtenida, una pieza hibrida de cemento óseo con pestañas metálicas. Figura 24. Pieza hibrida cemento oseo-metal 12. Finalmente se pulió manualmente la superficie de la plastia para mejorar su acabado superficial. Figura 25. Plastia final cemento óseo-metal 17 de 20
Plastia craneal íntegra en cemento óseo: Puesto que se dispone del molde de silicona, se rectificaron los detalles necesarios para realizar una versión íntegra en cemento óseo y así en el siguiente paquete de trabajo comprobar el comportamiento de una pieza totalmente de cemento óseo. A continuación se muestran imágenes de la plástica completamente en cemento óseo. Figura 26. Plastia final íntegra en cemento óseo 18 de 20
2.2 Fabricación de piezas auxiliares para la realización de ensayos. Para la realización de los ensayos de producto sobre los demostradores fabricados es necesario fabricar piezas auxiliares. Todas ellas han sido diseñadas a partir de un CAD 3D obtenido del TAC del paciente. Para la fabricación de estas piezas se han utilizados dos tecnologías de fabricación aditiva en polimero: SLA para la fabricación de dos bases para la fijación de las plastias en la resina Next. Tras la fabricación de las plastias se les aplicó un barniz para evitar que amarilleen puesto que la resina Next es una resina fotopolimerizable. Figura 27. Reconstrucción del cráneo utilizada para los ensayos de las plastias 19 de 20
3. Conclusiones Se han cumplido todos los objetivos previstos en la tarea 4.4 mediante la fabricación de los demostradores seleccionados, se han utilizado las tecnologías más adecuadas para cada uno de ellos y se han implementado los diseños y todos los procedimientos de fabricación establecidos en el presente proyecto y se ha demostrado mediante la fabricación de prototipos físicos la capacidad de estas tecnologías de fabricación. Se han fabricado los demostradores y todas aquellas piezas auxiliares necesarias para el ensayo de cada demostrador. 20 de 20