Novas estratégias para usinar componentes ortopédicos


(*) Jan-Willem van Iperen e Ruud Zanders


Vários fatores estimulam a demanda por implantes ortopédicos, incluindo articulações artificiais, bem como placas, hastes e pinos usados para reparar ou reforçar áreas do corpo após acidentes ou doenças. O grupo de consultoria Global Market Insights prevê que o mercado mundial de dispositivos ortopédicos crescerá para € 50 bilhões (US$ 53 bilhões) até 2024.


A demanda por este tipo de produto está em expansão devido ao aumento da expectativa de vida da população mundial, sendo que o envelhecimento conduz a problemas de artrite e osteoporose. Além disso, as tendências mundiais em direção a maior peso corporal e obesidade colocam tensão adicional nas articulações e mudanças no estilo de vida (com pouca atividade física para alguns e maior participação em esportes para outros) aumentam ainda mais a demanda pela substituição de partes do corpo. Outro fator é que o crescimento das economias emergentes está proporcionando a um maior número de pessoas os recursos financeiros para aquisição de dispositivos ortopédicos.


A concorrência exige desenvolvimento das ferramentas - Cinco dos principais fornecedores respondem por cerca de 85% do mercado altamente competitivo dos componentes ortopédicos, com mais de 200 outras empresas concorrendo pelo restante. Diante dessa intensa concorrência, os fabricantes de dispositivos buscam continuamente maneiras de fazer peças de forma mais ágil e com menor custo.


Com a aplicação de novos materiais, os implantes estão mais fortes e leves, sendo capazes de funcionar no corpo humano por até 25 anos. Além disso, dispositivos ortopédicos fazem parte da tendência geral dos bens de consumo para personalização. Fabricantes de dispositivos médicos procuram maneiras de personalizar seus produtos para a fisionomia individual dos pacientes e outras preferências. A diversidade dos produtos se tornou uma importante vantagem competitiva.


Como resultado, os fabricantes de ferramentas de usinagem são pressionados a desenvolver maneiras de usinar contornos complexos rapidamente e esses fabricantes estão focando em tecnologias de ferramentas de corte para velocidade e flexibilidade. As iniciativas de tecnologia de fabricação avançada incluem impressão 3D e tecnologias avançadas de refrigeração para operações de usinagem.


COMPONENTES TÍPICOS - Dispositivos ortopédicos incluem componentes de substituição de quadril e joelho, cotovelos e articulações do tornozelo artificiais, instrumentos para reparo de trauma, placas ósseas para coluna e diversos pinos, hastes e elementos de fixação de reparo. A reconstrução das articulações compõe mais de 40% do mercado, sendo que a maior parte dessa parcela é composta por substituição de quadril e joelho. Os principais requisitos para essas peças são força, confiabilidade, leveza e biocompatibilidade.


DESAFIOS DA USINAGEM - Componentes ortopédicos são normalmente usinados a partir de tarugo, peças fundidas ou forjadas que são aparadas e polidas. Para implantes de quadril e joelho, o material mais comum é a liga de cromo-cobalto, com uso cada vez maior de titânio. Uma liga de cromo-cobalto típica é similar a CoCr28Mo6 e a liga de titânio mais comum é a Ti6Al4V.


Ambos os materiais são biocompatíveis e muito fortes e rígidos, tornando-se excelentes para aplicação em componentes ortopédicos. No entanto, essas mesmas propriedades tornam essas ligas difíceis de usinar. Cromo-cobalto é duro e abrasivo, tem alta elasticidade e não conduz bem o calor. As ligas podem conter elementos duros e abrasivos que causam grande desgaste abrasivo da ferramenta e os cavacos produzidos são rígidos e contínuos, o que exige atenção especial ao controlar os cavacos de geometrias de aresta de corte.


O titânio é muito leve e forte. Ele também sofre encruamento na usinagem e é um mau condutor de calor. O calor se concentra na aresta de corte e na face da ferramenta. A combinação de altas temperaturas, altas forças de corte e fricção devido à passagem do cavaco causa craterização e falha da ferramenta. O baixo módulo de elasticidade do material, um benefício para algumas aplicações de implantes, faz com que o material pule da aresta de corte, o que exige muita atenção quanto à afiação da ferramenta de corte.


Refrigeração necessária - Como a usinagem dos materiais usados nos implantes ortopédicos normalmente gera calor excessivo, o uso de refrigeração é necessário. No entanto, em muitos casos, o uso de líquidos de refrigeração tradicionais é proibido ou indicado em quantidades extremamente limitadas para evitar a contaminação das peças. Caso contrário, são necessários processos de limpeza pós-usinagem caros e demorados. Além disso, o próprio líquido de refrigeração representa problemas ambientais no que diz respeito à saúde e à segurança dos funcionários, e às políticas de descarte. Uma tecnologia de refrigeração alternativa envolve o uso de tecnologia de corte a seco com dióxido de carbono (scCo2) supercrítico. Esse CO2 supercrítico age como um veículo para oferecer lubrificação seca e aprimorada a uma zona de corte.


Desenvolvido pela Fusion Coolant Systems, o processo possibilita usinar peças sem utilizar óleos, emulsões ou substâncias sintéticas. Ao pressurizar o dióxido de carbono acima de 74 bar (1070 psi) e a 31°C, torna-se um fluido supercrítico. Nesse estado, ele enche um recipiente agindo como gás, mas com densidade semelhante a um líquido. Quando aplicado à zona de corte, o scCO2 expande para formar gelo seco, embora não crie uma substância criogênica, como nitrogênio líquido. O resultado final é uma solução de refrigeração incrivelmente eficiente que chega a superar sistemas existentes que incorporam óleo/água de alta pressão, MQL, CO2 líquido e nitrogênio líquido.

Impressão 3D de componentes – Outra tecnologia de fabricação não tradicional está sendo cada vez mais aplicada à produção de dispositivos ortopédicos. O processo de impressão 3D utiliza pó de titânio e liga de cromo-cobalto para produzir peças mais complexas em formato próximo do perfil final. No setor médico, a fusão a laser (SLM) funde os pós para construir componentes camada por camada. O processo permite a criação de contornos e dimensões de peça especiais de forma personalizada para cada paciente. O processo também pode produzir superfícies de microporo consistentes que aceleram a integração entre peça e osso vivo. Para usinagem de acabamento, as peças produzidas por impressão 3D mantêm a maioria das características de usinagem dos metais de que são feitas. No entanto, as peças podem precisar de tratamentos pós-impressão para aliviar tensões irregulares geradas durante o processamento. Além disso, para pós-usinagem, algumas vezes a fixação pode representar um desafio por conta das formas próximas às do perfil final e dos contornos complexos.

Para ler a 2ª parte deste artigo Clique Aqui


(*) Jan-Willem van Iperen, engenheiro de aplicações médicas, e Ruud Zanders, gerente de produtos da Jabro, são integrantes da equipe de desenvolvimento da Seco Tools


Fonte: Revista Usinagem Brasil


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