Resumo da dissertação realizada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.

Título: Desenvolvimento do processo de produção de próteses crânio-maxilofaciais fundidas

Os principais fatores que motivam a necessidade crescente de implantes médicos na população atual são a osteoartrite, cancro, trauma ou malformação congénita. Há uma demanda no uso de próteses à medida na cirurgia crânio-maxilofacial, que aborda as regiões mandibular, maxilar, orbital e craniana, sendo esta uma das motivações do presente trabalho.

Irá desenvolver-se uma metodologia de desenho e fabrico de próteses customizadas por fundição de precisão por cera perdida adaptado a alguns casos de estudo reais. Tem-se por vista otimizar não só o processo de desenho com base na modelação à medida e na simulação numérica como o processo de fabrico pela fundição por cera perdida. A etapa de projeto envolve quatro fases, nomeadamente, i) processamento de imagem, ii) biomodelação 3D, iii) fabrico e iv) acabamento.

A primeira fase consiste na segmentação das regiões de interesse e na reconstrução 3D da anatomia do paciente. A segunda, no desenho de próteses CMF à medida que se ajustarão à região do defeito anatómico, tendo por base um algoritmo de densidade óssea e o parecer de uma equipa médica para a escolha dos pontos de ancoragem e desenho do sistema de fixação. Para validar a geometria e o sistema de fixação das próteses a simulação numérica pelo Método dos Elementos Finitos poderá ser usada. Ambos os modelos – crânio com defeito e próteses respetivas – são materializados por Estereolitografia (SL) para pré-validação e planeamento pré-cirúrgico.

Na terceira fase fabricam-se as próteses modeladas por fundição de precisão por cera perdida na liga de titânio biocompatível Ti-6Al-4V. Os modelos em cera podem ser obtidos por impressão direta de cera (waxprinting) ou convertendo os modelos de SL em modelos em cera através de moldes de silicone. Uma vez obtido o cacho em cera, são fabricadas as carapaças cerâmicas à base de ítria e alumina à volta do cacho, o modelo é descerificado por choque térmico, a carapaça é sinterizada por 2 horas a 1450 °C, procedendo depois à fusão e vazamento da liga num forno de indução com cadinho de cobre arreferido a água em atmosfera controlada. Após a solificação da peça, abate-se a carapaça com recurso a um martelo pneumático e corta-se o sistema de gitagem e alimentação.

A última parte consiste na redução da espessura das próteses e acabamento, sendo feita a maquinagem química nas peças em titânio para remover a camada superficial contaminada pelo oxigénio durante fusão e vazamento (α-case) e para reduzir a espessura da prótese até à desejada. Para suavizar a superfície e para furar o sistema de fixação usa-se a maquinagem de 5 eixos. Por fim, a análise dimensional entre as peças obtidas e as peças modeladas pode ser feita por engenharia inversa para validar o processo de fundição.

Além destes aspetos, um levantamento de custos e tempos despendidos será realizado para suportar os procedimentos adotados.

Abstract of the thesis to obtain Master’s degree in Mechanical Engineering in Faculty of Engineering of the University of Porto

Title: Development of the production process of casted cranio-maxillofacial prosthesis

The need of medical implants is growing among the population being the main causes the osteoarthritis, cancer, trauma or congenital malformations. In the area of the cranio-maxillofacial (CMF) surgery, which includes the mandibular, maxillary, orbital and cranial anatomical regions, custom-fit prostheses are demanded.

In this work, a methodology for design and manufacturing customized prostheses by means of investment casting is presented through CMF case-studies.

The aim of this study is the enhancement of the process of custom design (modelling techniques and numerical simulation) and the development of a detailed protocol for fabricating customized CMF prostheses. The proposed methodology involves four tasks: i) image processing, ii) 3D biomodelling, iii) fabrication and iv) finishing.

Image processing stage comprises two steps, namely the segmentation of the regions of interest and the 3D reconstruction of the patient’s anatomy.

The 3D biomodelling process consists in designing a customized CMF prosthesis that will fit the patient’s anatomical defects. Within this task, a bone density algorithm is used to project the fixation system and after medical team approval the anchorage points are accurately defined. Afterwards, numerical simulation through Finite Element Analysis is performed to validate the prosthesis’ geometry and fixation system. Both prosthesis and damaged skull models are materialized by SL-Stereolithography for assembly pre-validation and preoperative planning.

The third phase is the fabrication of biocompatible titanium alloy prostheses (Ti-6Al-4V) by investment casting. The wax models can be obtained directly from wax printing or using conventional silicone moulds by means of SL models. The gating and feeding systems are defined at this stage. Thin ceramic shells (Yttria based) are fabricated around the wax models and then the wax is eliminated by flash firing. The shell is sintered for 2 hours at 1450 °C and the titanium alloy is melted and casted into the shell under a controlled atmosphere using a cold crucible (cold shell induction furnace). The shell is knocked out with a vibrating pneumatic hammer and the gating and feeding system is removed.

The final part is the surface thickness reduction and finishing. Chemical milling is performed on titanium alloy casted parts to remove the oxygen contaminated surface layer (α-case) and to reduce the prostheses’ thickness to the desired value. To smooth the surface and to drill the fixation system a 5-axis CNC machining is used. A dimensional analysis using a reverse engineering system is performed to the casted prostheses, in order to validate the adopted manufacturing protocol.

Furthermore, a detailed cost and time consuming analysis is carried out in all the procedures in order to support the presented protocol.