PT109112B - Sistema de fabrico aditivo para produção de componentes híbridos e respetivo método de fabrico - Google Patents

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO DIZ RESPEITO UM SISTEMA DE FABRICO DE PEÇAS MULTIMATERIAL, COM POSSIBILIDADE DE UTILIZAR INÚMERAS COMBINAÇÕES DE MATERIAIS. ESTE SISTEMA UTILIZA DIFERENTES TECNOLOGIAS DE FABRICO ADITIVO, O SLM (SELECTIVE LASER MELTING - PROCESSO DE FABRICAÇÃO ADITIVA ATRAVÉS DA FUSÃO A LASER DE PÓS METÁLICOS) PARA O PROCESSAMENTO DOS MATERIAIS METÁLICOS E, PARA O PROCESSAMENTO DOS MATERIAIS POLIMÉRICOS A TECNOLOGIA DE ESTEREOLITOGRAFIA (SL). A PRESENTE INVENÇÃO INTEGRA-SE NA ÁREA DOS MATERIAIS/PRODUTOS INTEGRADOS DE BASE POLIMÉRICA METÁLICA. AS ÁREAS DE BIO MATERIAIS, ORTÓTESES FUNCIONAIS E COMPONENTES DE ENGENHARIA COM GRADIENTE FUNCIONAL DE ELEVADO DESEMPENHO ACIMA REFERIDAS SÃO O FOCO DA PRESENTE INVENÇÃO. TODOS ESTES NOVOS COMPONENTES SÃO FABRICADOS POR FABRICO ADITIVO MULTIMATERIAL, SENDO ESTE UM PROCESSO INOVADOR QUE COMBINA TECNOLOGIAS JÁ EXISTENTES NUM ÚNICO SISTEMA DE FABRICO RÁPIDO.

Description

DESCRIÇÃO

SISTEMA DE FABRICO ADITIVO PARA PRODUÇÃO DE COMPONENTES HÍBRIDOS E RESPETIVO MÉTODO DE FABRICO

Âmbito da invenção

A presente invenção diz respeito a um sistema de fabrico de peças multimaterial, com possibilidade de utilizar inúmeras combinações de materiais. Este sistema utiliza diferentes tecnologias de fabrico aditivo, o SLM (Selective Laser Melting - processo de fabricação aditiva através da fusão a laser de pós metálicos) para o processamento dos materiais metálicos e, para o processamento dos materiais poliméricos a tecnologia de estereolitografia (SL) . A presente invenção integra-se na área dos materiais/produtos integrados de base polimérica metálica. As áreas de bio materiais, ortóteses funcionais e componentes de engenharia com gradiente funcional de elevado desempenho acima referidas são o foco da presente invenção. Todos estes novos componentes são fabricados por fabrico aditivo multimaterial, sendo este um processo inovador que combina tecnologias já existentes num único sistema de fabrico rápido.

Concretamente, o equipamento objeto da presente invenção deposita um polímero sobre componentes (podem ser metálicos, cerâmicos, polímeros, ou outros), que foram produzidos por outros equipamentos e tecnologias. A inovação está nos produtos obtidos e no uso do processo de SL (estereolitografia) sobre componentes já produzidos.

Estado da técnica da invenção

As tecnologias de fabrico aditivo passaram nos últimos 25 anos por diversos patamares de desenvolvimento. Tendo começado há 25 anos atrás a disponibilizar a produção de protótipos simplesmente conceptuais, sendo que, hoje em dia, são já utilizadas para o fabrico de componentes finais. Existem disponíveis sistemas que produzem componentes nos mais variados materiais: desde os polímeros, passando pelos metais e até cerâmicos técnicos. A tendência de procura de processos tecnológicos aditivos, que disponibilizem componentes e produtos de elevado desempenho, é efetivamente muito significativa. Neste campo, o fabrico aditivo de componentes com gradientes funcionais, ou em multimaterial, por exemplo polímero e metal, é um desafio em si mesmo, dado que os fatores de processamento, em cada um dos materiais do sistema, apresentam-se com grande disparidade entre si. Este é o motivo pelo que não existe, atualmente um sistema que faça o processamento híbrido, numa só operação.

A presente invenção diz respeito a um equipamento de componentes multimaterial com base em duas abordagens, para produção de componentes multimaterial metal - polímero para aplicações de engenharia e de saúde. As tecnologias de base encontram-se desenvolvidas e instaladas (SLM e Deposição controlada de materiais bio) . 0 desenvolvimento de um sistema integrador das duas tecnologias de base representa a presente invenção.

A presente invenção nasce como forma de resposta a uma lacuna existente no mercado relativamente componentes que reúnam as características dos materiais poliméricos, ao desempenho dos metais. A conjugação destes materiais num só componente permite obter gradientes funcionais, característica com grande procura para aplicações de alta tecnologia. Os processos de fabrico aditivo atuais têm capacidade de produzir componentes poliméricos e metálicos com a vantagem da liberdade geométrica associada e ao reduzido tempo de obtenção do produto final. Contudo os mecanismos de processamento de cada material são diferentes, o que tem impossibilitado até aos dias de hoje, que um só sistema faça a produção de componentes metal/polímero.

As áreas de Engenharia que já utilizam estes componentes híbridos de elevado desempenho são a Indústria Automóvel, Aeronáutica, Defesa. No setor automóvel componentes estruturais do chassi (ex. Ford focus grelha frontal chassi) são um bom exemplo de aplicação de um componente híbrido Polímero-metal. Estes componentes apresentam baixo peso, elevada resistência mecânica, resistência à corrosão, boa resistência ao impacto localizado, permitem igualmente absorver vibrações e som. Estas caracteristicas permitem entre outras, um aumento da eficiência, do desempenho e da redução do consumo dos veículos. A exigente indústria aeronáutica também utiliza componentes multimaterial em aplicações estruturais com elevadas solicitações.

Indústrias que necessitam de componentes com elevada resistência à corrosão e ao desgaste, como as Indústrias de Processamento de minério, Química e Alimentar, encontram nos componentes híbridos metalcerâmica e polímero-metal, excelentes candidatos para aplicações em válvulas de controlo e outros componente sujeitos a condições de erosão extremas. Nestes casos a utilização de componentes híbridos permite a extensão da vida útil do componente e um consequente aumento do tempo de bom funcionamento entre manutenções. As áreas industriais acima referidas assim como outras, apresentam um elevado potencial para incorporar um maior número de componentes estruturais híbridos nos seus equipamentos, sendo claro os benefícios que esta nova classe de componentes pode aportar. Os setores de bens de consumo, desporto e eletrónica também representam áreas de especial interesse para a utilização de componentes híbridos.

Atualmente os componentes híbrido metal-polímero são produzidos por sobre moldação, compressão, contudo estes processos de fabrico convencionais estão limitados nas formas geométricas possíveis de produzir.

No contexto atual de amadurecimento das tecnologias de fabrico aditivo e com o recente fim de patentes, nomeadamente do processo de estereolitografia (SL), verificam-se os fatores de disponibilidade/realização da presente invenção: um equipamento de fabrico aditivo para produção de componentes metal/Polímero (componentes híbridos de elevado desempenho), a qual é uma contribuição efetiva para a resolução de problemas concretos em área prioritárias, de inovação centrada na saúde e engenharia.

setor da saúde apresenta duas vertentes distintas para aplicação dos componentes produzidos pela presente invenção, um são os implantes híbridos de osso, fabricados com materiais biocompatíveis, como o titânio. 0 outro mercado identificado é o mercado dos artigos ortopédicos, nomeadamente as ortóteses e talas produzidas em polimero-metal com possibilidade de customização. 0 setor da saúde é um mercado em crescimento e de elevado valor acrescentado.

setor da Engenharia é outro dos mercados alvos, através da produção de componentes híbridos polímero-metal de elevado desempenho e com caracteristicas funcionais. Industrias como a Automóvel, Aeronáutica, Química e Alimentar, a par com o da Saúde apresentam igualmente um mercado de elevado valor acrescentado e com forte possibilidade de crescimento e valorização.

Os componentes multimateriais (compósitos), com elevadas propriedades mecânicas e com caraterísticas multifuncionais que permitam um elevado desempenho, são alvo de uma procura crescente, em razão da satisfação de níveis de performance/aplicações mais exigentes. 0 uso de componentes híbridos permite reduzir as dimensões dos sistemas, simplificar as operações de montagem e aumentar a fiabilidade das funções inerentes.

Definitivamente componentes fabricados em metalpolímero, permitem cumprir com os mais elevados padrões de desempenho. São inúmeras as áreas de aplicação deste tipo de componentes. Setores de engenharia Automóvel (componentes estruturais chassi), Aeronáutica (componentes estruturais), Química (válvulas de controlo), processamento de minério, Alimentar, Energia (Biomassa), assim como da Saúde nomeadamente Ortopedia (ortóteses e talas) e Engenharia de tecidos (implantes permanentes), são áreas que reúnem um enorme potencial de aplicação.

Existe uma necessidade crescente de desenvolver componentes híbridos metal-polímero de elevado desempenho para aplicações de engenharia (Ahmed Elmarakbi, 2014) . A exigência crescente de áreas de engenharia de topo obriga ao desenvolvimento de componentes em materiais compósitos, com características funcionais e com propriedades mecânicas únicas. Estes novos componentes combinam as elevadas propriedades mecânicas dos metais com as características dos polímeros de resistência ao impacto localizado, capacidade de absorver vibrações e som (Liu, J.).

As ortóteses e talas produzidas atualmente são fabricadas de uma forma artesanal, o que torna o processo lento, dispendioso e difícil reproduzir. Com o crescente número de pessoas afetadas por lesões incapacitantes tornase necessário desenvolver novos produtos de baixo custo, rápido desenvolvimento e produção e ao mesmo tempo personalizados, para a forma e função (h11ρ://w w w.a fo o tρ r i nt.eu/) .

A presente invenção responde às necessidades relativas a ortóteses e talas, uma vez que visa o fabrico direto da ortótese em compósito metal- polímero, por processo híbrido de fabrico aditivo (SLM - SL) , permitindo superior resistência mecânica, considerando as relações peso/resistência e volume/resistência bastante mais favorável, da ortótese. Por outro lado, a definitiva capacidade de reprodução tridimensional da função incapacitada (i.e., ortótese personalizada), permite em paralelo, uma melhor relação entre a aparência, conforto da ortótese e terapêutica inerente.

A presente invenção:

desenvolve novos componentes multimaterial metal - polímero de elevado desempenho e com características funcionais destinados a aplicações nas áreas de engenharia e da saúde;

tem um caracter fortemente inovador, os materiais híbridos multifuncionais são áreas prioritárias nas linhas de investigação e desenvolvimento de agências de investigação como a NASA, ou de empresas de tecnológicas de topo.

Um exemplo de uma empresa da indústria aeronáutica, que fabrica componentes híbridos de elevado desempenho é a Lockheed Martin, utiliza o sistema de fabrico (APEX) para a produção de componentes multimaterial metal-polímero. No ramo automóvel podemos referir a empresa Ford, que aposta no desenvolvimento de componentes híbridos para aplicações em painéis e elementos estruturais do chassi dos seus veículos, como forma de redução do peso, aumento da rigidez estrutural e do desempenho. A empresa Deloitte no seu relatório (Reigniting growth - Advanced Materials Systems, 2012) refere o impacto positivo que os materiais avançados podem representar nas empresas e na economia em geral. Os materiais híbridos enquadram-se nesta classe de materiais que podem servir de veículo ao crescimento económico.

A presente invenção permite obter componentes híbridos multimaterial, metal - polímero, com as boas propriedades mecânicas dos metais, conjugadas com as características de baixo peso, boa resistência ao impacto localizado, boa absorção de vibrações e som, dos polímeros. O conjunto destas propriedades permite aos produtos exibirem multifuncionalidade no desempenho. Esta nova abordagem representa igualmente um salto inovador na capacidade de dispor de componentes e produtos em multimaterial com as propriedades acrescidas que estas poderão ter no que diz respeito a um maior desempenho contemplando questões de funcionalidade, assim como estéticas. A presente invenção permite o fabrico de componentes de engenharia multimaterial para aplicações nas indústrias Automóvel, Aeronáutica (componentes estruturais), Industria química, mineira e alimentar com componentes (ex. válvulas de controlo) de elevada resistência mecânica, estabilidade química (resistência à corrosão e à erosão) . Os setores que produzem bens de consumo como eletrodomésticos, artigos de desporto e lazer, também possuem grande potencial para integrar componentes híbridos nos seus produtos, como exemplo temos artigos como patins em linha, chassi de máquinas de lavar roupa/louça, quadros de bicicletas e scooters e caixas de televisores. Esta nova classe de materiais híbridos de elevado desempenho permite satisfazer as aplicações mais exigentes, contribuindo para o aumento da eficiência e do desempenho dos sistemas. Outra das vantagens reside no fato de reduzir os custos de montagem dos componentes.

Relativamente à área da saúde a presente invenção pretende posicionar os desenvolvimentos nas seguintes aplicações:

• Implantes compósitos biocompatíveis em metal polímero. Estes novos implantes terão propriedades mecânicas similares à do osso, resultado da sua estrutura multimaterial otimizada. A geometria dos implantes será feita à medida;

• Ortóteses e talas personalizadas fabricadas em novos materiais compósitos metal - polímero. Estas novas peças permitiram menores tempos de recuperação, redução dos da capacidade funcional, impacto significativo na no bem-estar dos cidadãos sintomas e melhoria o que se traduz num qualidade de vida e

Breve descrição das figuras

Figura 1 - Representação dos componentes do sistema:

(1) Espelho(s) galvanométrico(s) os quais têm como função fornecer a energia necessária para promover a polimerização do fluido fotossensivel (4) contido no interior do recipiente na superfície do núcleo (2) (metálico, cerâmico ou polimérico), camada-acamada de acordo com as trajetórias calculadas pelo algoritmo e controladas pela unidade de controlo;

(2) Parte metálica ou núcleo sobre o qual vai ser depositado/polimerizado o polímero/plástico;

(3) Plataforma de construção a qual permite fixar o núcleo (2) e através de incrementos entre camadas de construção, pré estabelecidos e controlados pela unidade de comando, vai promover a submersão da peça produzida na resina para polimerização de nova camada da seção transversal da peça;

(4) Fluido fotossensível, ou seja polímero/fluido que que por ação de energia (ultra violeta (UV) , infra vermelho (IV) ou outra) vai passar ao estado solido (Polimerizar) nos voxeis.

Figura 2 - representação do posicionamento dos espelhos galvanométricos (1), de acordo com as coordenadas pré-estabelecidas (XX, YY, ZZ, pelo algoritmo de préprocessamento, de modo fazer incidir a energia na área a polimerizar e evitando o sombreamento causado pelo núcleo (2) .

Figura 3 - Representação esquemática de duas etapas para a peça construída camada a camada e de acordo com a sequencia:

• A - imersão da plataforma (3) e núcleo (2) (de acordo com altura de camada pré-estabelecida) na resina e posicionamento dos espelhos (1), acionamento da fonte de energia e varrimento da seção transversal da peça a produzir;

• B - após a polimerização da camada de resina, ocorre novo incremento em ZZ da plataforma (3) (imersão na resina), de acordo com a altura de camada, novo posicionamento dos espelhos (1) e varrimento da seção transversal da peça. Repetindo-se estas etapas até a peça estar concluída. Após a conclusão do fabrico a plataforma (3) emerge do fluido (4) não polimerizado.

Figura 4 - representação de que após a imersão do núcleo (2) na resina (representado na figura 3, etapa B) o nivelamento da superfície livre do fluido (4) (resina) não pode ser realizado por processos mecânicos pois tal resultaria numa colisão entre o varredor (5) mecânico e o núcleo (2).

Figura 5 - representação de uma forma preferencial para nivelar a superfície livre do fluido (4) (resina) que consiste em imergir o núcleo (2) até um nível maior (excesso) que a altura da camada da seção transversal, sendo de seguida posicionado na cota em ZZ correta.

Figura 6 - representação de uma forma preferencial para nivelação do fluido (4), após imersão de nova camada, é através do varrimento da superfície livre do fluido (resina) com um jato de ar comprimido (6).

Breve descrição da invenção

A presente invenção prevê a junção de duas tecnologias avançadas de fabrico aditivo, o SLM (Selective Laser Melting - processo de fabricação aditiva através da fusão a laser de pós metálicos) e o SL, possibilitando a produção de um polímero fotossensível nos espaços entre uma malha metálica tridimensional produzida por SLM. Este processo resulta na produção de componentes de resistência mecânica elevada, otimizando a massa e o material utilizado na estruturação dos mesmos, devido à junção dos dois tipos de materiais, aumentando assim o leque de possibilidades de produção de vários componentes para as diferentes áreas industriais (figura 1).

processo implementado pelo equipamento objeto da presente invenção inicia-se com a produção de uma malha metálica rara, através do processo de SLM - Selective Laser Melting - processo de fabricação aditiva através da fusão a laser de pós metálicos. Esta parte metálica (2) é alvo de um projeto prévio, de forma a otimizar a mesma, minimizando a massa e consubstanciando o aumento da resistência mecânica. A malha é de seguida colocada na plataforma (3) de SL, dando inicio ao processo de estereolitografia.

A malha metálica representa uma barreira e faz um efeito sombra à passagem do laser ultra violeta para a superfície livre da resina, assim efetua-se um varrimento da mesma seção com os espelhos galvanométricos (1) posicionados em diferentes pontos, sendo que deste modo o laser terá diferentes possibilidades de atingir um ponto na superfície livre (figura 2) . Acrescenta-se que os espelhos galvanométricos (1) têm como função fornecer a energia necessária para promover a polimerização do fluido fotossensivel (4) contido no interior do recipiente na superfície do núcleo (2) (metálico, cerâmico ou polimérico), camada-a-camada de acordo com as trajetórias calculadas pelo algoritmo e controladas pela unidade de controlo (figura 1) .

laser UV é conduzido através da rede de metal, incindindo na mesma camada de superfície livre de resina em diferentes perspetivas, com o auxílio das posições do espelho galvanométrico (1) - aumentando das possibilidades de incidência e cura inerente (figura 3).

No processo SL, normalmente estabiliza-se e uniformiza-se a camada de resina pela ação de um varredor (5) mecânico. A ação deste constitui uma barreira física de obstrução à colocação de uma estrutura produzida por SLM na plataforma (3) de construção (figura 4), pelo que se torna necessário criar estratégias de uniformização da superfície livre sem contato

Uma das formas de ultrapassar a necessidade de varredor (5) mecânico para a uniformização de superfície é baixar a plataforma (3) de SL, mais abaixo que a espessura de camada necessária, de forma a contornar o problema de tensão superficial, voltando a subir de seguida para a zona de espessura de camada (figura 5).

Outra forma de promover a estabilização e homogeneização da superfície será a utilização de uma cortina de ar que faça o varrimento da superfície, utilizando, por exemplo, um bico de ar comprimido (6) ( figura 6) .

Como suporte à funcionalidade do equipamento, a presente invenção integra um programa computacional com principal objeto a maximização da incidência do laser numa secção. 0 desenvolvimento de algoritmos de cálculo de colisões e percursos, considerando a existência de uma malha metálica/cerâmica prévia.

Descrição detalhada da invenção

A presente inovação/invenção relaciona-se com um sistema de fabrico aditivo para produção de componentes híbridos, preferencialmente, metal-polímero e/ou cerâmicapolímero e/ou polímero/polímero e/ou outro material/polímero. Este sistema combina a técnica/tecnologia de fabrico aditivo por estereolitografia (SL) para construção/deposição do polímero sobre a parte metálica e/ou cerâmica e/ou outro material do componente a produzir. Este sistema permite construir de forma aditiva componentes multimaterial, com vantagens relativamente aos processos atuais. 0 de sobre moldação do polímero (sobre parte metálica (2)) e o processo de montagem após fabrico das duas partes (2), metálica/cerâmica/ou outra e polímero, do componente.

Este sistema integrado de fabrico é constituído por uma plataf orma/suporte de construção (3), no qual é fixo o componente a produzir, sendo acoplada/o a um eixo (Z) que permite a sua movimentação no sentido vertical, um recipiente dentro do qual é movimentada a plataforma/suporte (3) com o respetivo componente, este recipiente contem resina (polímero no estado liquido ou outro). Um sistema de nivelamento da superfície da resina, com fluxo de ar comprimido (6), vácuo, mecânico ou outro destinado a uniformizar a superfície livre da resina. Um sistema ótico para polimerização da resina (polímero), composto por um laser de potência e comprimento de onda adequada à polimerização da resina utilizada (Fotossensível, e/ou Termo sensível ou outro), um sistema de lentes e espelhos galvanométricos (1) . Este sistema ótico de polimerização está acoplado a um conjunto de três eixos cartesianos (XYZ) motorizados e controlados pelo sistema de controlo, gerador de trajetórias de varrimento do laser. 0 controlador recebe dados provenientes de um programa de cálculo de pré-processamento de reconhecimento da topologia da parte metálica (2) do componente, que permitem deslocar este sistema de polimerização em todas as direções, relativamente ao componente, permitindo polimerizar a seção da camada de resina do componente. Evitando deste modo o eventual sombreamento causado pela topologia da parte metálica (2), sobre a qual é depositado e polimerizado a parte plástica do componente final. Este equipamento é controlado por um sistema de processamento e controlo, que utiliza um programa computacional (firmware), para controlo de todos os sistemas do equipamento (sensores, atuadores, interface, etc.) a partir de ficheiros Gcode ou outros formatos de ficheiros, possui igualmente uma interface de ligação com utilizador (operador) e outra de comunicação com sistemas informáticos exteriores.

Este novo sistema possibilita a deposição camada a camada de polímero sobre partes metálicas, cerâmicas ou outras, permitindo obter componentes híbridos de elevado desempenho (Polímero - outro material), com uma grande liberdade de geometrias. Os componentes obtidos por este sistema de fabrico apresentam uma interface, entre os diferentes materiais da sua composição, de elevado desempenho, relativamente aos componentes obtidos por outros processos de fabrico. Outra das vantagens deste processo reside no fato de dispensar de operação de montagem.

Este equipamento permite obter componentes híbridos, outro-Polímero a partir da combinação de dois ou mais processos. 0 processo de sinterização de pós metálicos (SLM - Selective Laser Melting) e/ou outro, com o processo de Estereolitografia (SL - stereolithographic). 0 primeiro passo consiste no fabrico da parte metálica (2) e/ou cerâmica ou outra do componente, a segunda etapa consiste na transferência do componente para uma plataforma/suporte (3) colocado dentro de um recipiente de resina, no qual se promove a deposição camada a camada de polímero, no estado líquido e/ou (resina fotossensível e/ou Termo sensível e/ou outra) na superfície da parte metálica (2) ou outra. A camada depositada é nivelada por um sistema móvel de ar comprimido (6), sistema mecânico e/ou outro, de modo a uniformizar a superfície da resina, no momento anterior ao da sua polimerização. De seguida o sistema ótico posicionase e move-se de acordo com as trajetórias previamente calculadas pelo controlador, fazendo incidir a radiação proveniente do laser. Promovendo a polimerização da camada de resina depositada, pelo varrimento da seção transversal da superfície, através do raio laser com comprimento de onda adequado à polimerização da mesma. De seguida a plataforma/suporte (3) incrementa a sua posição em Z permitindo o deslocamento do componente dentro do recipiente de resina, sendo uma nova porção da superfície do componente banhada com resina líquida e/ou outra, de seguida o sistema de nivelamento da superfície livre da resina atua, promovendo a uniformização da mesma. Mais uma vez o laser varre a superfície da resina na seção transversal do componente a produzir. Toda esta sequência dos passos, do processo, repete-se até o componente ficar finalizado. A construção da parte polimérica do componente é realizada por deposição camada a camada e sequente polimerização de polímero.

Aplicações da presente invenção

Aliar as caracteristicas dos materiais poliméricos ao desempenho dos materiais cerâmicos, metálicos e suas ligas permite um salto significativo no desenvolvimento e performance de um diversificado número de componentes e aplicações. Neste âmbito, centralizar-nosemos em duas áreas de aplicação: Área médica através de componentes destinados a implante (Permanentes) e componentes de ortopedia, ortóteses e talas. Outra área de atuação centra-se na produção de componentes de engenharia para aplicações estruturais, como peças de chassi para o setor automóvel.

No caso da aplicação médica, refira-se uma importante parte do domínio da ortoprotesia. Atualmente a fabricação tradicional é realizada de forma artesanal. Envolve três etapas principais, medidas do membro, (gesso ou caixa de espuma), correção/retificação do molde e fabricação da ortótese. O processo tende para lento, dispendioso e difícil de reproduzir. Atualmente têm sido realizados tímidos avanços na produção deste tipo de peças através do processo de fabrico aditivo por deposição filamentar (FDM).

A presente invenção visa o fabrico direto da ortótese e talas em compósito metal- polímero, por processo híbrido de fabrico aditivo (SLM - SL), permitirá a superior resistência mecânica, num pressuposto de peso/resistência e volume/resistência bastante mais favorável, da ortótese. Por outro lado, a definitiva capacidade de reprodução tridimensional da função incapacitada (i.e., ortótese personalizada), permitirá em paralelo, uma melhor relação de design da ortótese e terapêutica inerente. Outro campo de aplicação da presente invenção são os implantes para substituição do osso (área em elevado crescimento).

Relativamente aos implantes permanentes, a presente invenção permite produzir implantes com gradientes nas propriedades ao longo de todo componente, uma vez que os componentes são produzidos por fabrico aditivo torna-se possível variar a morfologia local de acordo com as propriedades requeridas. Esta adequação/variação também pode ser alcançada pelo facto de a presente invenção utilizar vários materiais (com propriedades distintas) de forma integrada na construção do mesmo componente. Como exemplo podemos referir um implante de fémur em que o seu modulo varia ao longo de toda a peça proporcionando que o implante tenha propriedades mais próximas do tecido ósseo do local do implante. Esta variação de rigidez ao longo do implante constitui um fator determinante para manter o estímulo dos tecidos ósseos vizinhos e promover uma melhor osteointegração e uma redução da possibilidade de fratura do osso na região adjacente ao implante.

No caso das aplicações de engenharia, a presente invenção produz componentes para aplicações estruturais, destinados à Industria Automóvel e Aeronáutica como peças estruturais do chassi, com elevado desempenho e caraterísticas multifuncionais. Esta nova classe de componentes de engenharia permite satisfazer a elevada procura por componentes capazes de cumprir com especificações crescentes. Os componentes mono material estão limitados quando se procura um componente com gradientes de propriedades, que permita a multifuncionalidade no desempenho. Atualmente os componentes multimaterial com boas propriedades mecânicas e com caracteristicas funcionais são limitados. A presente invenção permite obter componentes híbridos, metal polímero, com propriedades mecânicas dos metais conjugadas com as caracteristicas dos polímeros. Esta nova abordagem representa igualmente um salto de desenvolvimento na capacidade de poder ter componentes e produtos em multimaterial com as propriedades acrescidas que estas poderão ter no que diz respeito a um maior desempenho contemplando questões de funcionalidade, assim como estéticas.

Os componentes híbridos metal - polímero para aplicações em engenharia ainda representam uma pequena parcela, contudo as vantagens que o uso destas peças pode acrescentar as aplicações de elevado desempenho é considerável. Os componentes híbridos permitem uma redução do tamanho e da massa dos componentes, melhoria da fiabilidade de aplicações e características multifuncionais. Áreas como a indústria aeronáutica, automóvel, encontram-se entre as mais necessitadas por este tipo de componentes. Contudo a oferta atual deste tipo de componentes é diminuta.

Os implantes substitutos de osso são um produto com elevado crescimento de procura. Em especial os implantes médicos com propriedades mecânicas idênticas ao osso. Por outro lado as estruturas produzidas, neste momento, possuem geometrias estandardizadas ou prédefinidas sendo também aliciante a possibilidade de poder executar peças à medida.

As ortóteses e talas são outro dos produtos em que o uso de componentes híbridos vai permitir inovar na oferta de produtos. Atualmente são fabricados de uma forma artesanal, o que torna o processo lento, dispendioso e difícil reproduzir. 0 uso de componentes compósitos metal polímero permite desenvolver novos produtos de baixo custo, rápido desenvolvimento e personalizados para a forma e função.

Com a presente invenção desenvolve-se um sistema que integra digitalização tridimensional, Desenho Assistido por Computador (CAD) e fabrico rápido, de forma multidisciplinar e altamente colaborativa entre desenho, projeto, fabricação aditiva, bioengenharia e reabilitação clinica com o objetivo de produzir ortóteses e talas de forma inovadora.

A possibilidade de fornecer melhores ortóteses de forma mais rápida, com recurso a serviços e tecnologias de tecnologias de ponta, resulta em menores tempos de recuperação, redução dos sintomas e melhoria da capacidade funcional, o que se traduz num impacto significativo na qualidade de vida e no bem-estar dos cidadãos.

Leiria, 06 de janeiro de 2021

Claims (2)

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de fabrico aditivo para produção de componentes híbridos caracterizado por ser constituído por:

a) plataforma de construção (3), na qual é fixo o componente a produzir, sendo acoplado ao eixo (Z) ;

b) recipiente dentro do qual é movimentada a plataforma (3) com o respetivo componente e o qual contem resina;

c) sistema de nivelamento da superfície da resina, com fluxo de ar comprimido (6), vácuo, mecânico ou outro;

d) sistema ótico para polimerização acoplado aos três eixos cartesianos (XYZ) motorizados e controlados pelo sistema de controlo, gerador de trajetórias de varrimento do laser, e composto por:

i. laser de potência e comprimento de onda adequada à polimerização da resina utilizada;

ii. sistema de lentes e espelhos galvanométricos

e) sistema de processamento e controlo o qual possui interface de ligação com utilizador e outra de comunicação com sistemas informáticos exteriores.

2. Método de fabrico aditivo para produção de componentes híbridos implementado pelo sistema da reivindicação 1 caracterizado por ser constituído pelas seguintes etapas:

a) fabrico da parte metálica (2) e/ou cerâmica;

b) transferência do componente para a plataforma (3) colocado dentro do recipiente de resina;

c) deposição camada a camada de polímero, no estado líquido (4) e/ou (resina fotossensível e/ou termo sensível e/ou outra) na superfície da parte metálica (2) e/ou cerâmica;

d) nivelamento da camada depositada por um sistema móvel de ar comprimido (6), sistema mecânico e/ou outro, de modo a uniformizar a superfície da resina, no momento anterior à sua polimerização;

e) posicionamento e movimentação do sistema ótico de acordo com as trajetórias previamente calculadas pelo controlador e incidência da radiação proveniente do laser;

f) polimerização da camada de resina depositada, pelo varrimento da seção transversal da superfície, através do raio laser com comprimento de onda adequado à polimerização da mesma;

g) posicionamento da plataforma (3) no eixo Z e deslocamento do componente dentro do recipiente de resina, sendo uma nova porção da superfície do componente banhada com resina líquida e/ou outra, de seguida o sistema de nivelamento da superfície livre da resina atua;

h) varrimento do laser da superfície da resina na seção transversal do componente;

i) repetição dos passos anteriores até o componente ficar finalizado;

j) construção da parte polimérica do componente por deposição camada a camada e sequente polimerização de polímero.

Leiria, 06 de janeiro de 2021