La formatura incrementale per protesi al Titanio

La formatura incrementale (FI) è una soluzione per realizzare  protesi personalizzate in lamiere di Titanio.
La FI della lamiera è un processo di deformazione plastica che si è sviluppata negli ultimi due decenni per la realizzazione di prototipi in lamiera. La tecnologia è caratterizzata da elevata flessibilità (facilità nel modificare la forma del prodotto), da tempi ridotti per lo sviluppo di nuovi prodotti, dal miglioramento della formabilità delle lamiere (si ottengono profondità di lavorazione maggiori rispetto allo stampaggio tradizionale) e, conseguentemente, da una riduzione dei costi.

La tecnica consiste nel deformare localmente un foglio di materiale metallico o plastico, vincolato da un premilamiera, mediante un punzone sferico movimentato da una macchina utensile a controllo numerico o un robot (Figura 1). Se a movimentare l’utensile è un robot si possono realizzare percorsi dell’utensile con gradi di libertà maggiori (la flessibilità della lavorazione aumenta), ma la precisione sul prodotto finito diminuisce essendo il robot meno rigido di una macchina utensile a CN. Il percorso utensile può essere realizzato mediante programmi CAM personalizzati e, in relazione alla complessità geometrica del prodotto da realizzare, si possono effettuare più passate di deformazione.

Fig. 1- Macchina per FI e lamiera lavorata

In generale, il tempo necessario per la realizzazione di un componente per formatura incrementale è maggiore rispetto alla equivalente operazione di stampaggio, per cui la formatura incrementale diventa conveniente quando i lotti di produzione sono piccoli (prototipi e campionature), il costo unitario del prodotto è alto (il costo delle attrezzature incide pesantemente sul costo pezzo singolo), i tempi di realizzazione dei pezzi sono elevati, la geometria del prodotto finito è semplice e le tolleranze di lavorazione sono ampie (Figura 1). In considerazione di tutti gli aspetti evidenziati, appare chiaro che la formatura incrementale ben si adatta alle campionature, alle piccole serie e ai prodotti altamente personalizzati come alcuni dispositivi biomedicali.

Nel settore del maxillo facciale, per esempio, il numero di pazienti che richiedono impianti in conseguenza di traumi, tumori o osteomieliti è notevolmente aumentato negli ultimi anni e la ricerca è orientata allo sviluppo di soluzioni in grado di migliorare le condizioni di vita dei pazienti. Oggigiorno la medicina dispone di numerose tecniche e strumenti per identificare e risolvere i problemi dei pazienti, quali la Tomografia Computerizzata (TAC), la risonanza magnetica (RM), l’ecografia, e proporre protesi customizzate che meglio si adattano alla morfologia del paziente.

Di seguito viene riportato un esempio di utilizzo della formatura incrementale per realizzare una protesi del cranio personalizzata.

Fig. 2 - Realizzazione di una placca cranica

Il processo parte dalla acquisizione della TAC del cranio del paziente (Figura 2) che viene elaborata, utilizzando software commerciali, per ottenere la geometria del cranio sotto forma di modello solido tridimensionale (CAD) (Figura 2.1). La rappresentazione così ottenuta viene convertita in formato STL (Figura 2.2), tale formato è il più diffuso per le tecniche di prototipazione rapida quali la formatura incrementale. Utilizzando tecniche di mirroring viene costruita la geometria della parte lesionata e quindi viene generato il percorso del punzone sferico che deve deformare la lamiera in titanio (figura 2.3). La lamiera viene montata sul premilamiera della macchina utensile o del robot e viene lanciato il ciclo di lavorazione (figura 2.4). Il componente ottenuto rifinito e sottoposto ai trattamenti di sterilizzazione necessari è pronto per essere impiantato nel paziente (figura 2.5).

La figura 3 mostra un secondo esempio relativo alla realizzazione di una palato in Titanio sempre attraverso l’utilizzo della formatura incrementale. Il processo è flessibile, veloce e caratterizzato da buone finiture superficiali.

Fig. 3 - Realizzazione del palato in Titanio

Un altro elemento che deve essere valutato quando si parla di dispositivi biomedicali è relativo alla biocompatibilità del prodotto fornito. Quindi si sono effettuate prove di crescita cellulare per valutare l’effettiva biocompatibilità delle protesi realizzate per formatura incrementale; i risultati sono molto incoraggianti e l’utilizzo di rivestimenti biocompatibili da riportare sulla superficie esterna della protesi potrebbe favorire ulteriormente la biocompatibilità e l’integrazione della protesi con il corpo del paziente.

A. Fiorentino, A. Attanasio, L. Giorleo, E. Ceretti, C. Giardini, R. Marzi, C. Cappellini, G. Marenda - Tecnologie e Sistemi di Lavorazione – Università di Brescia

Ringraziamenti
La ricerca è stata realizzata all’interno del progetto IREBID finanziato dall’EU FP7. Si ringrazia il Prof. C. Paganelli della Clinica Odontoiatrica dell’Università di Brescia per il supporto fornito nella realizzazione delle prove di biocompatibilità.