1 UTILIZAÇÃO DAS TECNOLOGIAS DE FABRICO

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1 UTILIZAÇÃO DAS TECNOLOGIAS DE FABRICO
UTILIZAÇÃO DAS TECNOLOGIAS DE FABRICO ADITIVO PARA A PRODUÇÃO DE SAPATOS PARA
PESSOAS COM PARALISIA CEREBRAL
ANA DULCE MENESES1, SOFIA CHAVES ABREU1, LÍGIA LOPES2, JORGE LINO ALVES1
INEGI, Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto
Design Studio, Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto
O Fabrico Aditivo (FA) utiliza-se nas mais variadas áreas, nomeadamente, na indústria do
calçado. Um par de sapatos genericamente é composto por diversos componentes, tal como
se indica na figura 1 [1].
Figura 1 – Componentes de um sapato genérico [adaptado de 2].
No caso de se tratar de calçado ortopédico a utilizar, por exemplo, por pessoas portadoras de
paralisia cerebral, cada componente deve ser cuidadosamente desenvolvido e personalizado
para que possa suprir devidamente as suas necessidades, auxiliando a sua marcha e
prevenindo eventuais lesões. Os principais tipos de pé observados em pessoas com paralisia
cerebral designam-se por pé equino, pé equinoplanovalgo e pé equinocavovaro (figura 2) [3].
PÉ EQUINO:
PÉ EQUINOPLANOVALGO: Associado
PÉ EQUINOCAVOVARO:
Durante a marcha, o calcanhar
tem dificuldade em tocar o
solo; sobrecarga do antepé.
à marcha equina em pronação; pé
chato; tecidos moles do pé em
evidência.
Associado à marcha equina
em supinação; pé cavo.
Figura 2 – Principais tipos de pé (membro inferior esquerdo) registados no domínio da paralisia cerebral [adaptado
de 4, 5 e 6]
A conceção de um sapato especial deve iniciar-se com o levantamento de forma do pé do
utilizador, bem como pelos testes de pressão plantar. Uma visita à empresa Klaveness,
localizada em Avintes, permitiu saber que são várias as técnicas de recolha de pedigrafia,
sendo que esta pode ser feita diretamente sobre o pé – com o auxílio de um scanner ou de
forma indireta. A leitura direta por scanner 3D é geralmente mais rápida e eficaz, mas por
vezes acarreta imprecisões pelo facto do paciente ter dificuldade em permanecer estático
1
durante o período total de leitura. Neste caso o levantamento direto pode tornar-se mais
moroso e até mesmo desconfortável para o utilizador. Assim, na maioria das vezes, o
levantamento de forma realiza-se de forma indireta, sendo o método mais comum, a
impressão sobre caixa de espuma fenólica (figura 3a), já que este procedimento pode ser
facilmente executado pelo próprio ortopedista, que mais tarde envia o negativo para a fábrica
de calçado para ser digitalizado.
Outra técnica consiste na obtenção de um modelo em gesso correspondente ao pé do
utilizador (figura 3b), por exemplo, por vazamento em molde de alginato. Obtido o modelo em
formato digital, podem modelar-se as formas (figura 3c) em software CAD 2D, para que
possam depois ser maquinadas num centro CNC. Estas formas, que são fabricadas a partir de
um bloco de material termoplástico rígido, devem ser cuidadosamente projetadas, já que têm
grande influência nas restantes fases de fabrico do sapato. As etapas seguintes do processo de
fabrico do calçado ortopédico englobam a produção de palmilhas e solas, modelação da
gáspea (software DimensionsTM, da Procam), e do respetivo corte (software Naxos), colocação
de contraforte e costura da gáspea (etapa mais demorada de todo o ciclo produtivo, e que
pode tomar até 80 minutos), acoplamento das diversas partes constituintes do sapato e
operações de acabamento, como limpeza ou passagem de graxa.
a)
b)
c)
Figura 3 – a) levantamento de forma por espuma fenólica; b) levantamento de forma por gesso e colocação de alvos
de deteção para o scanner 3D; c) forma personalizada.
O projeto RitaRedShoes.cerebralpalsy.designproject, enquadrado na Unidade Curricular
Projeto Design Industrial do Mestrado em Design Industrial e de Produto (FEUP/FBAUP), está a
ser realizado conjuntamente com a Sheffield Hallam University, e pretende o desenvolvimento
conceptual de calçado para pessoas com Paralisia Cerebral. Contando com parceiros como a
produtora de calçado Klaveness e a Associação de Paralisia Cerebral de Coimbra (APCC),
permitiu, através de workshops, em que foi estimulado o contacto com portadores de paralisia
cerebral (designers partners), percecionar que o calçado especial deve respeitar alguns
requisitos entre os quais se destacam: o contraforte deverá ser bastante rígido e alto, por
forma a contrariar certos movimentos indesejados e “endireitar” a marcha; deve conferir
suporte lateral suficiente, conforme o pé seja valgo ou varo, podendo o apoio ser dado
conjuntamente pela palmilha e contraforte; a sola, que não deverá ser muito mole, não deve
ser totalmente rasa, tendo cerca de 2-3 cm de espessura; e os materiais utilizados devem
permitir uma eficiente respiração da pele.
INTERVENÇÃO DA IMPRESSÃO 3D
A Impressão 3D engloba uma diversidade de tecnologias, como a Estereolitografia (SL), a
Sinterização Seletiva por Laser (SLS) ou a Modelagem por Fusão e Deposição (FDM), etc., e
caracteriza-se por permitir a produção de componentes com geometria de qualquer
complexidade, podendo dispensar assemblagem (peças constituídas por vários elementos
construídas de uma só vez), não necessitando de tempo de espera antes de iniciar a conceção
2
do objeto, nem favorecer a acumulação de stocks de produtos acabados, visto possibilitar o
fabrico de componentes apenas quando solicitados. Estas caraterísticas conferem a este
processo bastante potencial quando aplicado ao fabrico de calçado especial, já que este não é
produzido em série e exige um grau elevado de customização [7].
O contraforte é um dos elementos do sapato em destaque, já que influencia o padrão da
marcha dos pacientes. Existem 2 tipos de contrafortes rígidos: laminado e injetado. O
contraforte laminado consiste geralmente em impregnar tecido fibroso (muitas vezes de fibras
naturais) com cola ou adesivo. Por sua vez, o contraforte injetado é normalmente produzido
em poliolefinas, como PEBD, TR ou PVC. O contraforte tem geralmente a forma de asas de
borboleta; contudo, com a introdução da Impressão 3D poder-se-ia eventualmente produzir
contrafortes com geometrias mais adequadas a cada utilizador. A título de exemplo, refira-se
que para um pé valgo ou varo, o contraforte deveria ter a extremidade do lado interior do pé
mais e menos extensa, respetivamente, face à do lado interior do pé. Poderiam também ser
facilmente controlados a altura do contraforte, os materiais utilizados e reduzido o tempo de
processamento de um contraforte [8, 9].
No que respeita às palmilhas, estas devem proporcionar um suporte adequado do pé e,
consequentemente, do corpo, aliviar as zonas do pé em que a pressão plantar é excessiva,
reduzir os efeitos do impacto, reduzir os esforços de corte entre a palmilha e os tecidos
plantares, que podem conduzir à formação de úlceras e oclusões sanguíneas, entre outros.
Estas podem ser construídas em espumas de borracha (por exemplo, espumas de latex ou
neoprene – Spenco® e Lynco®), em polímeros celulares (por exemplo, PP, PE – Plastazote®,
EVA – nora®, PU – Poron®, ou SPEU), em silicone, materiais sólidos (por exemplo, PVC),
materiais naturais (por exemplo, cortiça) ou compósitos. Uma grande parte das palmilhas são
fabricadas em espuma EVA, de densidades relativas de 35%, 45% e 55%, por maquinagem
CNC, dada a rapidez do processo. Porém, quando é necessário conferir algum suporte na
direção vertical (eixo dos zz), é necessário rodar o bloco de EVA, tornando o processo pouco
prático. Com o fabrico aditivo, este pormenor seria facilmente resolvido [10].
Existem já diversas aplicações da Impressão 3D no domínio da produção de palmilhas
ortopédicas. A título de exemplo, em 2014, a empresa britânica Gyrobot desenvolveu uma
palmilha que pode ser obtida apenas pela utilização de uma impressora 3D de baixo custo (a
open source Witbox da bq), poliuretano Filaflex e um extrusor compatível de material de baixa
rigidez. Esta palmilha apresenta um design adaptado às necessidades morfológicas do
utilizador, contando também com uma estrutura em malha aberta (figura 4a), para minimizar
peso e aumentar o poder de respiração da pele. Também o designer Frederik Bussels, com o
auxílio das tecnologias RSPrint e AutoDesk’s 123D Catch criou palmilhas e sapatos, que embora
para atletas de alta competição, podem ver os seus conceitos extrapolados para a produção de
calçado ortopédico, por serem completamente ajustados ao pé (figura 4b) [11, 12].
a)
b)
Figura 4 – a) Palmilha Gyrobot. [11]; b) Calçado Frederik Bussels. [12]
3
Ainda no que toca ao fabrico de palmilhas para pés planos ou cavos, a Impressão 3D pode
mostrar-se particularmente competitiva. Pelos processos tradicionais seria aconselhável
produzir estes tipos de palmilhas pela assemblagem de várias camadas, em diferentes
materiais (figura 5a), com a impressão 3D, a palmilha pode ter a espessura desejada em cada
zona do pé (figura 5b) e um maior ou menor refinamento da malha pode conferir também
diferentes propriedades estruturais.
a)
b)
Figura 5 – a) Palmilha adequada para pé plano [10]; b) Palmilha obtida por Impressão 3D. [13].
Também na área das solas a Impressão 3D pode ser muito útil. No caso dos pacientes com
paralisia cerebral, a marcha equina conduz a um desgaste excessivo da parte frontal da sola;
relatos mostram que ao fim de 3 dias o desgaste é já visível. Assim, poder-se-á desenvolver
uma sola na qual apenas a parte frontal pode ser substituída, imprimindo-se novamente a
parte desgastada, evitando a compra de um novo par de sapatos.
ORTÓTESES
A tecnologia de FA pode ser também muito vantajosa na produção customizada de ortóteses
para o membro inferior. O processo tradicional da produção destas consiste numa tarefa
manual demorada e trabalhosa realizada por um técnico especializado (figura 6) [14, 15].
Figura 6 – Processo tradicional para a produção de uma ortótese do membro inferior [14].
A nível de investigação nesta área destaca-se o projeto A-FOOTPRINT onde se desenvolveu um
novo design de ortótese pé-tornozelo (OTP) constituída por quatro componentes produzidos
por FA, nomeadamente: a secção perna, a haste, a secção pé e a barra deslizante.
Adicionalmente, existem componentes “de prateleira” como rolamentos, molas, porcas,
parafusos e anilhas (figura 7a) [16]. A nível clínico destacam-se os protéticos Tyler Dunham e
Tyler Manee que produziram protótipos de ortóteses recorrendo à impressão 3D, mas
esperam recentemente a produção de ortóteses funcionais para aplicar aos seus pacientes
com a aquisição de uma nova impressora com uma área de trabalho superior (figura 7b). [17]
4
a)
b)
Figura 7 – a) Novo design de uma OTP permitindo uma rigidez ajustável [16]; b) Protótipos de ortóteses
desenvolvidos por Tyler Dunham e Tyler Manee [17].
A nível de empresas destaca-se a MHOX e o grupo CRP que recorrendo à digitalização e à
impressão 3D criaram ortóteses para pacientes com defeitos musculares permitindo um
suporte ativo e um controlo do ciclo de marcha (figura 8) [18].
Figura 8 – Ortótese para membro inferior produzida pela empresa MHOX e o grupo CRP [18].
No evento FAST AW15 incorporado na New York Fashion Week foi apresentado pela empresa
SOLS um protótipo modular constituído por cinco componentes, entre os quais se destacam o
exosqueleto em nylon, uma palmilha com bolsas de ar, sensores de pressão e giroscópios
(figura 9). Estes permitem redirecionar o ar através da bota como resposta aos movimentos e
peso corporal. O ADAPTIV constituiu um sapato/bota customizado que embora não tendo sido
pensado para pessoas com paralisia cerebral pode perfeitamente ser adaptado para tal [19].
Figura 9 – a) Calçado ADAPTIV da empresa SOLS Systems; b) Componentes do calçado ADAPTIV [19].
5
CONCLUSÕES
A Impressão 3D revela-se uma promissora ferramenta no processo de fabrico de protótipos ou
peças funcionais (palmilhas, solas e outros componentes relacionados com o calçado
customizado). Tendo como a sua maior vantagem a liberdade geométrica, o FA possibilita a
obtenção de componentes individuais, permitindo poupar tempo e recursos (materiais e, por
vezes, económicos). Embora difícil de avaliar, acredita-se que este método de produção pode
também melhorar o conforto do utilizador.
AGRADECIMENTOS
Projeto SAESCTN-PII & DT/1/2011 co- -financiado pelo Programa Operacional Regional do
Norte (ON.2 - O Novo Norte), sob Quadro de Referência Estratégico Nacional (QREN), através
do Fundo de Desenvolvimento EUROPEU Regional (FEDER).
REFERÊNCIAS
[1] History of 3D Printing: The Free Beginner’s Guide, accessed 30/04/2015,
http://3dprintingindustry.com/3d-printing-basics-free-beginners-guide/history/.
[2] http://shoecommittee.com/wp-content/uploads/2012/06/anatomia-900x569.jpg, accessed
30/04/2015.
[3] Davids, JR, “The foot and ankle in cerebral palsy”, ,2010, accessed 30/04/2015,
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20868886.
[4] http://www.wgate.com.br/conteudo/medicinaesaude/fisioterapia/traumato/luxacao/pe_equino.jpg,
accessed 30/04/2015.
[5] http://img.russianpatents.com/1187/11876672.gif, 2015, accessed 30/04/2015.
[6] http://jbjs.org/content/78/4/546/F9.large.jpg, 2015, accessed 30/04/2015.
[7] Lipson, Hod and Melba Kurman, “Fabricated: The New World of 3D Printing”, John Wiley & Sons, Inc.,
2013
[8] Borchardt, M., Marcos Henrique Wendt, Miguel Afonso Sellitto and Giancarlo Medeiros Pereira,
"Reprojeto do contraforte: um caso de aplicação do ecodesign em manufatura calçadista", 2010.
[9] Artecola laminados especiais, 2011, accessed 01/05/2015,
http://www.artecolaquimica.com.br/menu/laminados-especiais/artecola.
[10] Handbook of footwear design and manufacture, Ed. by A. Luximon, Vol. 141, Woodhead Publishing
Series in Textiles, 2013.
[11] Sher, D., From Gyrobot: How to 3D Print a Custom Insole 2014, accessed 02/05/2015,
http://3dprintingindustry.com/2014/12/30/gyrobot-3d-print-insole/.
[12] Fabian, “3D Printed Footwear: How 3D Printing is Changing Racetracks and Runways”, 2015, accessed
02/05/2015, http://i.materialise.com/blog/entry/3d-printed-footwear-how-3d-printing-is-changingracetracks-and-runways.
[13] https://www.adafruit.com/blog/wpcontent/uploads/2014/12/Flexible_and_Breathable_Insole_by_Gyrobot_-_Thingiverse1.jpg, 2015,
accessed 02/05/2015.
6
[14] Mavroidis, C. , Ranky, R.G. , Sivak, M.L. , Patritti, B.L. , DiPisa, J. , Caddle, A. , Gilhooly, K. , Govoni, L. ,
Sivak, S. , Lancia, M. , Drillio, R. and Bonato, P., Patient specific ankle-foot orthoses using rapid
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[15] Pallari JHP, Dalgarno KW, Munguia J, Muraru L, Peeraer L, Telfer S and Woodburn J., 2Design and
Additive Fabrication of Foot and Ankle-Foot Orthoses”, Proceedings of the 21st Annual International
Solid Freeform Fabrication Symposium – An Additive Manufacturing Conference, Austin, Texas, USA,
2010.
[16] Telfer, S., Pallari J., Munguia J., Dalgarno K., McGeough M., Woodburn J. 2012. Embracing additive
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[17] Millsaps, B., “Maryland Clinicians Launch Kickstarter Campaign to Raise Money to 3D Print Prostheses
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=buffer.
[18] http://mhoxdesign.com/generative_orthoses-en.html, accessed 02/05/2015.
[19] Hou-Molitch, M., “The Future of Footwear: 3D Printed Shoes that React to Your Movements”, 2015,
accessed 02/05/2015, http://3dprintingindustry.com/2015/02/16/future-footwear-3d-printed-shoesreact-movements/.
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