Publicação: Design parametrizado em manufatura aditiva de pé protético modular com filamento de compósito polimérico reforçado com fibras descontínuas de carbono
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO
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Os compósitos poliméricos reforçados com fibras descontínuas (Discontinuous Fiber Polymer Composites – DFPC) têm se destacado na Manufatura Aditiva (MA) como alternativas promissoras para o desenvolvimento de produtos com elevada complexidade geométrica e desempenho mecânico otimizado. Esses materiais oferecem boas propriedades mecânicas, enquanto a aplicação da MA contribui para a melhoria do desempenho estrutural através de diferentes orientações de deposição e construção). Tais materiais permitem não apenas a redução do desperdício de matéria-prima, quando comparados a processos convencionais, como também a customização de soluções para diferentes áreas, incluindo o setor biomédico. No contexto da fabricação de próteses infantis, especialmente transtibiais, identifica-se um problema crítico relacionado à necessidade frequente de substituição desses dispositivos durante o crescimento da criança, o que gera impactos ambientais, econômicos e sociais significativos. Esta tese objetivou o desenvolvimento de um modelo inédito, paramétrico e modular de um pé protético infantil, projetado segundo os princípios do Design for Additive Manufacturing (DfAM) via FFF. A proposta oferece um dispositivo ajustável às fases de crescimento do paciente, minimizando a geração de resíduos e otimizando a eficiência de fabricação. Para embasar o projeto, foram realizados ensaios mecânicos de tração com corpos de prova impressos em DFPC, avaliando-se diferentes orientações de construção e orientação de deposição. Os resultados indicaram que a combinação entre orientação de construção lateral e a orientação de deposição do filamento de 0° (em relação a mesa de impressão) proporcionou os melhores desempenhos mecânicos, com destaque para o maior limite de resistência (LR) 40,33 ± 1,61 MPa configurando-se como parâmetros ideais para a produção da prótese proposta. Como impacto da pesquisa, contribuindo para o avanço científico e tecnológico, apresenta-se a proposta “Ciclo Use e Reuse SUS”, um sistema adaptado ao contexto do Sistema Único de Saúde, que visa à redução de custos por meio da reutilização de módulos protéticos ajustáveis e a proposta de adaptação do processo convencional de próteses aliados as tecnologias de MA e scanner 3D.
Abstract
Discontinuous Fiber Polymer Composites (DFPC) have emerged in Additive Manufacturing (AM) as promising alternatives for the development of products with high geometric complexity and optimized mechanical performance. These materials offer favorable mechanical properties, while the application of AM contributes to improved structural performance through different deposition and build orientations. In addition to reducing raw material waste compared to conventional processes, such materials also enable the customization of solutions across different sectors, including the biomedical field. In the context of pediatric prosthesis manufacturing, particularly transtibial devices, a critical issue arises from the frequent need to replace these devices during the child’s growth, generating significant environmental, economic, and social impacts. This dissertation aimed to develop an original parametric and modular model of a pediatric prosthetic foot, designed under the principles of Design for Additive Manufacturing (DfAM) using Fused Filament Fabrication (FFF). The proposed model offers an adjustable device that adapts to the patient’s growth stages, minimizing waste generation and optimizing manufacturing efficiency. To support the design, tensile tests were conducted on DFPC specimens, evaluating different build orientations and filament deposition directions. The results indicated that the combination of lateral build orientation with a 0° filament deposition angle (relative to the print bed) provided the best mechanical performance, highlighted by the highest ultimate strength (40.33 ± 1.61 MPa), establishing these parameters as optimal for the proposed prosthesis production. As a scientific and technological contribution, this research introduces the “Use and Reuse SUS Cycle,” a system tailored to the Brazilian Unified Health System (SUS) context, aimed at reducing costs through the reuse of adjustable prosthetic modules. Additionally, it proposes the integration of conventional prosthetic manufacturing processes with AM technologies and 3D scanning.
Palavras-chave
Impressão 3D, 3D Printing, Compósitos termoplásticos, Thermoplastic composites, Fabricação por filamento fundido, Fused filament fabrication, Tecnologia assistiva, Assistive technology, Parametrização, Parameterization, Compósitos reforçados com fibras descontínuas, Discontinuous fiber-reinforced composites
Citação
ABRÃO, Júlia Souza. Design parametrizado em manufatura aditiva de pé protético modular com filamento de compósito polimérico reforçado com fibras descontínuas de carbono. 2025. 199 f. Tese de Doutorado - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.579
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