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Estudos de casos médicos

A impressão 3D ajuda a salvar vidas

Da batalha contra a diabetes até os “braços mágicos” da pequena Emma, os profissionais médicos estão usando a impressão 3D para salvar vidas e aprimorar a saúde.

Saiba como os heróis da área de saúde estão inovando rapidamente, quebrando barreiras e fazendo mais com menos, graças à impressão 3D.

A capacidade de produzir protótipos rápidos internamente reduz à metade o tempo de desenvolvimento de equipamentos médicos e reduz o tempo para lançamento no mercado.

Peça impressa em 3D pela Biorep 1

A Biorep Technologies é uma fabricante de equipamentos para a indústria médica cujo foco principal é desenvolver dispositivos necessários para a pesquisa da cura do diabetes. A Biorep é afiliada ao internacionalmente conhecido Diabetes Research Institute em Miami e se esforça para oferecer equipamento de isolamento de ilhotas a preços razoáveis para proporcionar acesso à tecnologia ao maior número possível de centros de pesquisa.

O diretor de Engenharia Felipe Echeverri e o engenheiro de pesquisa e desenvolvimento Andres Bernal lideram a equipe de design da Biorep. Desde a fundação da empresa em 1995, eles usavam uma oficina de maquinaria para a prototipagem. Ocasionalmente, a Biorep poderia trabalhar com bureaus de serviços para produzir protótipos rápidos de pequenas peças para avaliar os designs.

Aumento no volume dos projetos com prototipagem rápida leva à procura de impressora 3D para uso interno

Em 2007, à medida que o equipamento da Biorep tornava-se mais compacto e sofisticado, Echeverri e Bernal viram-se em meio à necessidade de terceirizar protótipos rápidos de peças pequenas com mais frequência. O volume atingiu um ponto em que fazia sentido do ponto de vista empresarial internalizar a tecnologia de prototipagem rápida.

“Na ocasião, a Biorep não possuía uma forma eficiente em termos de custo de produzir protótipos rápidos”, recorda Echeverri. “Quando terceirizávamos a impressão de modelos 3D, frequentemente o custo era maior do que usiná-los internamente, além de não ser muito mais rápido. Sabíamos que conseguiríamos acelerar nossa produtividade de design se pudéssemos imprimir uma peça de um dia para o outro em nossas próprias dependências. Assim, começamos a avaliar sistemas de impressão 3D”

Objet Eden250 selecionada devido à facilidade de uso e à qualidade do acabamento

Peça impressa em 3D pela Biorep 2

Os critérios da Biorep para a escolha do seu próprio sistema de impressão 3D foram: precisão, facilidade de uso, requisitos de manutenção, acabamento da superfície e preço. “Na maioria das vezes, usamos protótipos rápidos para comprovar conceitos e verificar ajustes e funcionamento antes de passar para a fase de usinagem dos moldes de injeção. Assim, a precisão é muito importante”, diz Echeverri. “Mas também estimamos que iríamos produzir cerca de duas vezes mais protótipos se tivéssemos os recursos internamente, mas nossa equipe é pequena. Por isso, facilidade de usar e confiabilidade também eram cruciais.”

A Biorep optou então pela impressora 3D Objet Eden250 – um sistema de menor porte que é o ponto de entrada perfeito para o mundo da prototipagem rápida de alta qualidade. Ela coloca os benefícios líderes de mercado da tecnologia PolyJet™ patenteada da Objet ao alcance de quase toda operação de design ou manufatura. A Eden250 oferece uma solução completa para a montagem precisa de qualquer geometria – tudo isso de forma fácil, rápida, limpa e eficiente em termos de custo. Os modelos produzidos na Eden250 são suaves e duráveis, com detalhes finos e um acabamento de superfície excepcional. Com suas dimensões reduzidas, esse sistema eficiente em termos de custo usa um processo totalmente limpo, o que o torna ideal para ambientes de escritório padrão. Ao contrário de alguns outros sistemas 3D ele pode ser movido através da maioria das portas convencionais, tornando a instalação simples e rápida.

“A Eden250 se encaixava perfeitamente no que precisávamos”, diz Echeverri. “Ela pode ser usada em um escritório, é limpa, fácil de usar e de manter e produz peças precisas com uma ótima superfície de acabamento.”

Capacidade de produzir protótipos rápidos internamente reduz em seis meses o desenvolvimento de novos produtos

Peça impressa em 3D pela Biorep 5

Echeverri diz que a Eden250 ajudou sua equipe a produzir designs melhores e acelerou o tempo de lançamento de novos produtos no mercado.

Um projeto recente que sintetiza ambos os benefícios é o manifold de aperto com patente pendente da Biorep. De acordo com Bernal, os laboratórios médicos que avaliam fluídos tradicionalmente usam um dispositivo chamado válvula de aperto para impedir que os fluídos existentes em tubos de silicone entrem em contato com o equipamento. Essas válvulas literalmente apertam os tubos para fechá-los e reter o fluído. No entanto, as válvulas de aperto tendem a superaquecer e dependem da pressão nos tubos para operar. Elas não são extremamente confiáveis, e são muito caras. No evento de uma interrupção do fornecimento de energia elétrica, as válvulas de aperto podem abrir de forma inesperada, causando a liberação do fluído existente nos tubos.

O principal dispositivo da Biorep exigia nada menos que 32 válvulas de aperto confiáveis com ausência de contato. Infelizmente, as válvulas disponíveis no mercado não apresentavam o desempenho necessário. Por isso, a equipe da Biorep decidiu projetar sua própria válvula.

Como resultado, o manifold de aperto da Biorep usa uma série de câmaras e um motor para controlar fluídos em vários canais e apresenta o recurso obrigatório de ausência de contato existente nas válvulas de aperto tradicionais. “Nosso manifold de aperto oferece formas inteiramente novas de indexar fluídos sem absolutamente contato algum com os componentes da válvula”, diz Bernal. “Os fluídos só entram em contato com a tubulação de silicone, que é descartável. Em um ambiente esterilizado de laboratório, é muito importante evitar a contaminação do equipamento com os fluídos – muitas vezes sangue ou bactérias – que estão sendo manipulados. Assim, uma válvula com ausência de contato é indispensável.”

Além disso, Bernal afirma que “O sistema pode ser expandido para tantos canais quanto desejarmos, o que o torna muito mais eficiente que um sistema tradicional de válvula de aperto capaz de, em geral, lidar com apenas um canal. E, por ser mecânico em vez de eletromagnético, é imune a falhas. No caso de falta de energia, ele mantém sua posição”.

Bernal começou a experimentar designs, e todos foram prototipados na Eden250. “Compreendemos rapidamente que tínhamos algo grande”, diz Echeverri. “Usamos um protótipo da Objet para apresentar o projeto para a gerência, e ele realmente nos ajudou a vender o conceito. Recebemos o OK para continuar imediatamente. ”

“Nossa capacidade de produzir protótipos rápidos internamente foi absolutamente crucial para o sucesso desse projeto, diz Bernal. “Primeiro, pudemos começar a desenvolver componentes sem nos preocupar com a limitação da usinagem, o que realmente liberou nossa criatividade. Sempre que uma nova ideia surgia, podíamos desenhá-la, imprimi-la e testá-la imediatamente. Segundo, como conseguimos produzir muitos protótipos bastante rápido e com um custo muito baixo, fizemos muitos testes. Isso nos ajudou a descobrir e corrigir alguns problemas funcionais logo no início que poderiam ter prejudicado muito o projeto se fossem identificados mais tarde.’

O manifold de aperto possui cerca de doze componentes, sem contar com o motor, e todos foram prototipados individualmente na Eden250 e montados em seguida. Alguns conceitos iniciais não puderam ser usinados devido à geometria. “Produzimos cinco protótipos completos ao todo, além de dúzias de componentes individuais pelo caminho”, lembra Echeverri. “Preparávamos a impressão dos componentes à noite e, ao chegar na manhã seguinte, podíamos testar o novo conceito imediatamente.

A Eden250 provavelmente encurtou o projeto em seis meses, o que nos permitiu lançar o manifold de aperto no mercado muito mais rápido.”

Protótipo 3D ajuda a firmar com o NIH uma bolsa para o design de um inovador prato de Petri

Outro recente projeto da Biorep possibilitado pela Eden250 foi um prato de Petri em membrana de silicone – chamado pela Biorep de “sanduíche de oxigênio”. Um prato de Petri padrão produzido em plástico permite a entrada de oxigênio somente por cima. Os cientistas do Diabetes Research Institute (DRI) apresentaram a hipótese de que as células em um prato poderiam respirar melhor, tornando-se mais viáveis, se o oxigênio pudesse chegar a elas tanto por cima quanto por baixo.

“O silicone é permeável ao oxigênio. Assim, decidimos tentar criar um prato de Petri em membrana de silicone”, diz Echeverri. “Os cientistas do DRI desenvolveram uma mistura exclusiva de silicone que aprimora a permeabilidade do oxigênio. Chamamos o design de sanduíche de oxigênio porque ele envelopa as células em oxigênio por cima e por baixo.”

Os cientistas da DRI criaram a membrana. A tarefa da Biorep era desenvolver um meio de mantê-la na forma e com o mesmo funcionamento de um prato de Petri padrão.

A equipe de Echeverri prototipou o design inicial em sua Eden250 e, em seguida, experimentou-o com diferentes abordagens para garantir a viabilidade da fabricação e a montagem correta. “O design final da membrana possui apenas 300 mícrons de espessura, forte o suficiente para ser manipulado em laboratório e tenso o bastante para prevenir curvaturas. Fizemos muita prototipagem com configurações diferentes para chegar a essa conclusão”, diz Echeverri.

A equipe também usou a prototipagem para garantir que o design pudesse ser produzido em massa. Os protótipos produzidos durante esse exercício foram usados recentemente na aplicação de uma bolsa junto ao National Institutes of Health (NIH) para ajudar a financiar a continuidade do desenvolvimento do produto. “Ter um protótipo realista produzido na Eden250 definitivamente nos ajudou a provar o conceito e receber a bolsa do NIH”, diz Echeverri. “Desenhos em CAD simplesmente não são tão eficientes quando você está apresentando um tipo inteiramente novo de design.”

Demorou apenas seis meses para levar o prato de Petri em membrana de silicone do projeto ao seu status atual: testes de campo em vários laboratórios. “Seis meses é um período incrivelmente curto para colocar um dispositivo médico em teste de campo”, afirma Echeverri. “Nossa capacidade de produzir protótipos rápidos internamente reduziu em seis meses o tempo de desenvolvimento.”

Os resultados iniciais dos testes de campo são promissores: os cientistas do DRI relatam que as células se tornam mais saudáveis e produzem mais insulina, o que é crucial para os avanços na pesquisa do diabetes. A Biorep também está muito otimista com as possibilidades comerciais do produto em áreas além da pesquisa do diabetes, como células-tronco.

Impressora 3D livra a Biorep das limitações da usinagem e ajuda os designers a serem ainda mais criativos

O engenheiro de Pesquisa e desenvolvimento da Biorep Bernal concorda plenamente com a avaliação de Echeverri que ter a Eden250 ajudou a aprimorar a qualidade geral dos designs da Biorep. “Ter a capacidade de prototipar rapidamente na própria empresa realmente ajudou a promover a criatividade em termos de design”, diz Bernal. “A impressão 3D permite testar rapidamente conceitos inovadores ao pular as considerações de avanço do design para a manufatura. Com a impressora Objet, podemos priorizar a intenção de design e utilizar a consolidação das montagens em provas de conceito.”

Echeverri afirma que ter os recursos de impressão 3D internamente também ajudou a diversificar as ofertas de produtos e o faturamento da Biorep. “Agora podemos desenvolver e prototipar uma gama ainda maior de projetos”, diz ele. “Por exemplo, agora mesmo estamos trabalhando em projetos que variam de aplicativos de pesquisa oftalmológica a conceitos de instrumentos cirúrgicos. Não tínhamos tempo nem recursos para fazer isso no passado.

Nossos ciclos de desenvolvimento de produtos foram acelerados porque agora podemos fabricar diferentes conceitos de design em paralelo. A capacidade de imprimir peças da noite para o dia sem supervisão tem se mostrado extremamente útil e nos permite eliminar os custos e atrasos de diferentes configurações associadas à usinagem tradicional.”

Na verdade, a Biorep descobriu tanto valor em sua Eden250 que a empresa agora está considerando adicionar uma segunda impressora 3D capaz de imprimir peças funcionais usando uma variedade maior de materiais.

Echeverri observa que, ao mesmo tempo que a Biorep certamente agregou valor monetário com a impressora Objet para justificar seu custo, a recompensa real é saber que os dispositivos que eles prototipam e aperfeiçoam ajudarão a melhorar a qualidade de vida das pessoas. “É para isso que trabalhamos’, diz Echeverri. “Isso tudo se resume a encontrar a cura.”

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