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LAB01 GRUPPO69

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Stampa 3D
Lab#1
Gruppo #69
Bartolini Nicola
Carbonari Matteo
Gidiucci Stefano
Perlutchi Vladimir
Introduzione alla stampa 3D
La stampa tridimensionale (3D) sta guidando importanti innovazioni in
molti settori ad ampio raggio come nell’ingegneria , nell’arte, nella
medicina ecc..
I recenti progressi hanno consentito la stampa 3D di materiali, cellule e
componenti di supporto biocompatibili in complessi tessuti viventi
funzionali 3D.
Il bioprinting 3D viene applicato alla medicina rigenerativa per
rispondere alla necessità di tessuti e organi adatti al trapianto. Rispetto
alla stampa convenzionale, la biostampa comporta ulteriori complessità
dovuti soprattutto alla scelta e modellamento dei materiali da utilizzare.
Il bioprinting 3D è già stato utilizzato per la generazione e il trapianto di
diversi tessuti, tra cui pelle multistrato, ossa, innesti vascolari, tessuto
cardiaco e strutture cartilaginee.
Stampa 3D in campo ortopedico
Lo stampaggio tridimensionale sta emergendo come una tecnologia clinicamente
promettente in campo ortopedico per l’opportunità che offre di poter prototipare in
maniera “rapida” prodotti impiantabili chirurgicamente. Tale tecnologia, unita a
tecniche diagnostiche radiologiche quali radiografia tradizionale, risonanza magnetica
(MRI) e tomografia computerizzata (TC), permette di creare oggetti di geometrie
anche complesse partendo da una ricostruzione tridimensionale di immagini
anatomiche. La stampa 3D sta rivoluzionando le fasi degli interventi chirurgici
ortopedici:
•
•
Fase preoperatoria: creazione di modelli attraverso i quali i medici riescono a
facilitare la comprensione di patologie e piani operatori ai propri pazienti, nonché
la progettazione custom-made di protesi e ortesi
Fase operatoria: creazione di strumenti chirurgici qualitativamente migliori
Il fatto poi che la progettazione per la stampa 3D avviene attraverso sistemi digitali
consente, tra l’altro, di lavorare su un’ampia distribuzione geografica dei professionisti
e dei pazienti coinvolti, rendendo possibile scansionare il paziente nella sua città di
residenza, eseguire la progettazione in un centro specializzato con sede altrove e
spedire infine il file di modellazione del dispositivo personalizzato in un centro di
stampa 3D situato nelle vicinanze del centro clinico che ha in carico il paziente. In
ultima analisi, ciò potrà contribuire anche a garantire un supporto internazionale di
ricerca avanzata a sistemi sanitari nazionali meno progrediti, in qualsiasi parte del
mondo.
Workflow
processo produttivo di protesi femorali
Acquisizione dell’immagine
tridimensionale dell’elemento
da stampare
1
Serie di operazioni, quali
ad esempio levigatura,
colorazione o lucidatura,
per ottenere il prodotto
finale privo di imperfezioni.
acquisizione
2
finitura
modellazione
4
stampa
Si effettuano le stampe dei piani 2D
generati dal software.
Tali stampe vengono poi riassemblate
così che la loro sovrapposizione possa
ricreare il volume
3
Ricostruzione dell’oggetto tramite
software CAD e scomposizione del
volume in immagini piane parallele,
necessarie per la fase di stampaggio.
ACQUISIZIONE DATI
L’acquisizione dati avviene tramite l’utilizzo di
dispositivi per “l’imaging” come CT e MRI, le
quali permettono di ottenere, a partire da
immagini bidimensionali, la ricostruizione 3D del
distretto anatomico in esame.
MODELLAZIONE OGGETTO
A partire dalle informazioni cliniche derivate dalle scansioni o dagli esami
radiologici, specifiche per il singolo caso, prendono avvio le procedure della
“modellazione”, cioè della riproduzione virtuale su computer, mediante software
particolari, della forma tridimensionale della struttura anatomica di interesse, e
della progettazione, con creazione del file CAD (Computer Aided Design), che serve
a definire le geometrie e i materiali finali del dispositivo personalizzato. Nella
modellazione solida, la progettazione CAD di un oggetto è effettuata mediante
l’utilizzo di forme prestabilite “primitive” come cilindri, cubi, sfere, piramidi, etc,
attraverso le quali si vanno a realizzare oggetti più complessi.
STAMPAGGIO 3D
La stampante 3D è uno strumento che permette di produrre oggetti partendo da un modello digitale
tridimensionale. Nei metodi di stampa 3D più conosciuti la produzione dell’oggetto avviene per strati, posizionando
uno strato di materiale sopra l’altro. Dunque la tecnologia di base delle stampanti 3D è la cosiddetta “fabbricazione
additiva”, cioè per sovrapposizione di materiale, per lo più plastico o metallico, strato su strato, che avviene senza
alcuno spreco e soprattutto in maniera univoca sulla base delle informazioni fornite dal file CAD creato per il singolo
caso.
Per realizzare un oggetto tramite stampa 3D esistono varie tecniche, tra cui la stampa a deposizione di filamento
(fused deposition modeling – FDM), la SLS – selective laser sintering, il Digital Light Processing – DLP, Thermal
Inkjet (TIJ) printing, oltre che altre metodologie usate per la realizzazione di oggetti in leghe metalliche e altri
materiali.
FINITURA
Serve per ottenere una superficie il più possibile liscia e omogenea, oltre ad avere un pezzo solido e manipolabile,
pronto per eventuali lavorazioni successive.
Molto spesso, indipendentemente dalla tecnica utilizzata, i pezzi presentano sempre delle linee orizzontali, che
rappresentano le “fette” in cui viene scomposto l’oggetto, ovvero le sovrapposizioni degli strati depositati in fase di
stampa.
Le operazioni più frequenti sono una prima rifinitura della superficie, l’assemblaggio (nel caso di pezzi composti), la
stuccatura, la levigatura, la colorazione o comunque l’applicazione della finitura.
Parametri delle immagini radiologiche
Tra i parametri delle immagini
radiologiche che maggiormente
influiscono in modo significativo sono
il contrasto e risoluzione, in particolar
modo sul processo di analisi per la
creazione di un modello 3D di un
segmento osseo.
Buoni valori di contrasto e risoluzione
sono condizioni necessarie per la
creazione di oggetti più conformi
possibile a ciò che le immagini
illustrano: è chiaro come questi due
parametri, coadiuvati da algoritmi
specifici per la rimozione di errori e
inconsistenze proprie del modello,
portino ad un buon sviluppo del
modello stesso.
La risoluzione è un parametro che deve
essere tanto più grande quanto più i
segmenti presi in considerazione sono
piccoli o vicini ad altri tessuti.
Così come per la risoluzine, anche un
buon valore di contrasto permette al
clinico una miglior percezione dei vari
tessuti che sono stati impressionati.
Analisi alle criticità del processo (1)
Il software viene utilizzato in varie fasi della
modellazione, lo troviamo sia inizialmente nella
creazione del modello che nell’analisi delle
prestazioni dello stesso.
Criticità in questo ambito riguardano
principalmente l’efficienza degli algoritmi scelti
e l’analisi FEM, che oltre all’analisi degli sforzi
deve permettere di modificare il modello per
adattarsi in maniera ottimale al paziente.
Oltre a ciò è necessario tenere in
considerazione il tempo computazionale per
portare a termine la modellazione e analisi del
segmento.
Una limitazione dal punto di vista hardaware nel
processo SLS è il quantitativo di materiale di scarto che
viene prodotto, soprattutto, a seguito di modellazioni di
strutture di piccolo calibro; esistono, in questo caso,
dispositivi di adattamento che permettono una
riduzione degli sprechi.
Inoltre vi è un problema relativo all'intrappolamento
di polvere nelle regioni interne delle impalcature
porose, le quali sono difficili da rimuovere
manualmente, specialmente per dimensioni dei pori
inferiori a 500 μm.
Analisi alle criticità del processo (2)
La stampa 3D è molto competitiva nella progettazione di protesi custom-made, ma la vera sfida è quella di migliorare
tale tecnologia per la produzione di massa degli impianti più comuni; i tempi di manifattura sono ancora
complessivamente troppo lunghi in quanto il processo produttivo prevede diversi passaggi, dall’acquisizione
dell’immagine, alla sua elaborazione, allo stampaggio vero e proprio ed infine al perfezionamento dell’oggetto
ottenuto.
Un altro aspetto sul quale la ricerca può percorrere ancora molta strada è quello dei materiali: oggi la prospettiva più
affascinante per la progettazione dei dispositivi personalizzati è quella di arrivare a utilizzare materiali non solo molto
differenti, da quelli metallici ai biomateriali, ma anche dotati di parametri architetturali diversificati e complessi e
quindi di prerogative sempre più performanti in termini sia di conformità anatomica che di prestazioni funzionali.
Conclusioni
Prototipazione rapida
I prodotti possono passare più rapidamente da un semplice progetto a un prototipo reale.
Velocità di produzione
Tale tecnologia permette una maggior velocità di produzione rispetto alle tecniche tradizionali.
Costi ridotti
Nonostante gli alti costi di istallazione e manutenzione, le stampanti 3D permettono di condensare l’intero
processo produttivo in un’unica fase che si traduce in un risparmio di manodopera poichè è sufficiente la
supervisione di un singolo operatore qualificato.
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