Potentialities of the use of incremental forming in Computer Aided Design and manufacture of customized craniofacial implants

Abstract

Atualmente, cirurgias de reconstrução craniofacial ainda são um desafio à equipe cirúrgica devido às dificuldades em definir e reparar o defeito ósseo. A definição da geometria do implante é o primeiro desafio, uma vez que cada paciente possui uma anatomia individual e, em caso de defeitos ósseos devido a traumas ou tumores, cada defeito possui uma forma específica. O implante deve, então, possuir geometria tal que o possibilite substituir a estrutura original e ser constituído de material apto para a implantação. Além disso, o processo de fabricação selecionado deve ser flexível a fim de possibilitar a produção de uma peça única, dispensando custos excessivos com ferramental. No cenário atual de processos de manufatura flexível, um destaque especial recebe o processo de estampagem incremental, que permite a conformação de chapas metálicas para a fabricação de pequenos lotes. Neste sentido, este estudo ocorre no âmbito da fabricação pré‐operatória de implantes personalizados para reparo de defeitos em diferentes regiões do complexo craniofacial através do processo de estampagem incremental. Foram utilizados diferentes procedimentos para modelagem dos implantes a partir de dados tomográficos e foram desenvolvidos parâmetros para a conformação de diferentes geometrias em titânio. São apresentadas, ainda, técnicas alternativas capazes de produzir tais implantes. O estudo mostra que, embora possua precisão dimensional limitada e restrições com relação à complexidade geométrica dos implantes que podem ser conformados, o processo de estampagem incremental apresenta‐se como uma alternativa viável à fabricação pré‐operatória de implantes personalizados para a reconstrução de defeitos craniofaciais.

Currently, craniofacial reconstruction surgeries are still a challenge for surgical teams due to the difficulty to define and repair bone defects. Defining the geometry of the implant is the first challenge, since each patient has an individual anatomy and, in case of bone defects due to trauma or tumors, each defect has a specific shape. The implant should then have a geometry that permits the replacement of the original structure and should consist of a material suitable for implantation. Moreover, the selected manufacturing process must be flexible enough to enable the production of a single piece, not requiring excessive cost with dyes and tooling. In the current scenario of flexible manufacturing processes, the process of incremental forming, which permits forming metal sheets to manufacture small batches, receives special emphasis. Thus, this study evaluates the feasibility of preoperative manufacturing of customized implants to repair defects in different regions of the craniofacial complex through the process of incremental forming. Different procedures were used for modeling implants obtained from CT data of patients and the parameters for forming different geometries of titanium implants were developed. Alternative techniques capable of producing such implants are also presented. The study shows that, although it has limited dimensional accuracy and restrictions regarding the geometric complexity of the implants that can be shaped, the single point incremental forming (SPIF) process represents a suitable alternative for the preoperative manufacturing of customized implants for the reconstruction of craniofacial defects.

Operationen im Schädel‐ und Gesichtsbereich stellen nach wie vor eine große Herausforderung für die behandelnden Ärzte dar, weil sich oftmals die Abgrenzung des Knochendefekts und die Wiederherstellung der ursprünglichen Knochenstruktur als schwierig erweisen. Die erste Herausforderung dabei ist die Definition der Implantatgeometrie, da jeder Patient eine individuelle Anatomie und, im Falle eines Knochendefekts durch Traumata oder Tumore, jeder Defekt eine spezifische Form aufweist. Das Implantat sollte somit eine der originalen Knochenstruktur entsprechenden Geometrie besitzen und aus einem für die Implantation geeigneten Material bestehen. Weiterhin muss das für die Herstellung des Implantats gewählte Verfahren derart anpassungsfähig sein, dass auch die Erzeugung eines einzelnen individuellen Produktes möglich ist und keine übermäßigen Kosten im Werkzeug‐ und Formenbau verursacht werden. Im gegenwärtigen Szenario flexibler Herstellungsprozesse, die eine effiziente Blechumformung auch in kleineren Stückzahlen erlauben, liegt ein besonderer Schwerpunkt auf dem Verfahren der inkrementellen Umformung. In dieser Arbeit wird daher die Durchführbarkeit der präoperativen Herstellung individueller Implantate zur Wiederherstellung knöcherner Strukturen verschiedener Regionen im Schädel‐ und Gesichtsbereich mit dem Verfahren der inkrementellen Blechumformung untersucht. Dabei wurden unterschiedliche Methoden zur Modellierung von Implantaten aus patientenspezifischen CT‐Daten angewendet und Prozessparameter für die Herstellung verschiedener Formen von Titanimplantaten entwickelt. Ferner werden alternative Techniken vorgestellt, mit denen es ebenfalls möglich ist, solche Implantate herzustellen. Gleichwohl es Einschränkungen hinsichtlich der Formgenauigkeit und Komplexität der zu formenden Geometrie des Implantates gibt, zeigt diese Arbeit, dass das Verfahren der inkrementellen Blechumformung eine geeignete Alternative für die präoperative Herstellung von individuellen Implantaten für den Schädel‐ und Gesichtsbereich darstellt.