Apresenta uma metodologia para o projeto e fabricação de moldes para prensagem isostática de pó cerâmico (alumina) utilizando ferramentas computacionais CAD/CAE associadas à tecnologia de Prototipagem Rápida. O processo de prensagem isostática é simulado utilizando o método dos elementos finitos. Para a representação da compactação do pó cerâmico é utilizado o modelo de Drucker-Prager/cap e para a representação do comportamento do material elastomérico é utilizado o modelo hiperelástico de Mooney-Rivlin, ambos disponíveis no programa ABAQUS. Tal simulação visa obter o projeto do molde de forma mais rápida e precisa, ajustando-o até que se alcance um molde adequado para produzir um compacto com uma quantidade de sobrematerial ideal para o processo de usinagem a verde. Para isso utilizou-se como estudo de caso uma esfera cerâmica para implante de quadril. Um protótipo virtual do molde adequado obtido das simulações é então modelado e reproduzido em plástico ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) pela tecnologia de Prototipagem Rápida FDM (Fused Deposition Modeling). Esse protótipo físico é a base para o desenvolvimento de matrizes rígidas e em silicone, que são utilizadas para a confecção da parte flexível do molde (matriz elastomérica) e de partes rígidas como a gaiola suporte obtidas por vazamento dos polímeros. Constatou-se a viabilidade da utilização da metodologia de projeto e fabricação do molde para prensagem isostática, considerando que as simulações mostraram-se bastante coerentes com os resultados experimentais obtidos de componentes prensados. / This work presents a methodology for the design and fabrication of ceramic powder isostatic pressing moulds using CAD and CAE tools and Rapid Prototyping. The isostatic pressing process was simulated using the finite element method. The compaction behavior of ceramic powder is described by the Drucker-Prager/cap constitutive model and the behavior of elastomeric material is described by the Mooney-Rivlin constitutive model within the commercial finite element software ABAQUS®. These simulations are required to adjust the mould design in order to suit the geometry of the compact and green machining allowance. For this study, it is used a case study consisting of pressing a ceramic sphere for hip implant stem. A virtual prototype was designed from the geometry obtained from the simulations and reproduced in Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) polymer, using the Rapid Prototyping technology - Fused Deposition Modeling (FDM). Silicone moulds were obtained from the polymer prototype and used to aid in the making of the elastomeric bag and mould support cage. The methodology used in this investigation was validate considering that the simulations yield to a good agreement with measured manufactured components.

Este trabalho tem o objetivo de apresentar o desenvolvimento do projeto informacional e do projeto conceitual de um mini-cabeçote vertical de extrusão com rosca de seção variável intercambiável. A montagem e a validação funcional deste cabeçote é feita na impressora 3-D Fab@CTI de forma intercambiável, na qual o projeto da estrutura foi baseada no projeto Fab@home. O projeto envolve o estudo sistemático utilizando o QFD para identificação dos requisitos do usuário e a escolha do \"cabeçote de deposição\", como característica técnica mais importante conduz o desenvolvimento do projeto conceitual e parte do projeto preliminar do mini-cabeçote vertical de extrusão. Utilizando análise morfológica no projeto conceitual se obteve a configuração do projeto, no qual foi possível dimensionar os principais componentes do sistema proposto: rosca/cilindro e sistema de acionamento. Os materiais considerados para o dimensionamento mecânico, bem como das estimativas das geometrias das seções da rosca foram poliamida e PCL, este último material foi escolhido por ser um biomaterial e por apresentar características físico-químicas mais criticas para o dimensionamento do dispositivo. O projeto conceitual foi fabricado e montado para demonstrar sua funcionalidade de extrusão utilizando um material pastoso e pó sem processo de aquecimento. Este trabalho apresenta o projeto e a validação técnica de um mini-cabeçote intercambiável de extrusão por rosca para utilização em impressoras 3-D utilizadas em manufatura aditiva. A abordagem sistemática de projeto demonstra a importância de técnicas de metodologia de projeto durante o desenvolvimento de um produto, a fim de se obter qualidade no projeto de engenharia. / The purpose of this work is to present the study of the informational and conceptual design of the vertical mini-screw extrusion head applied to portable and open source additive manufacturing machine. The design was validated considering the proposal of interchangeable heads applied to Brazilian 3-D printer based on Fab@home mechanical design. It was developed a systematic study using QFD to identify user\'s requirements, supporting the choice of a \"deposition head\" as the most important technical characteristic, leading the design development of a mini vertical system based on a extrusion screw with variable section. The conceptual design using the morphological analysis defined the design configuration, allowing to make a pre-calculation of the main components of the proposed head: screw, barrel and actuation system. The deposition materials, considered for the theoretical calculations, were polyamide and PCL, being the last a biocompatible polymer. This choice lead to critical physicochemical properties related to system design. The conceptual design was manufactured and assembled, demonstrating its functionality to extrude a paste like and powder materials without heating. This work presented the design and the validation of an interchangeable mini-extruder screw head developed to a portable 3-D printer used in additive manufacturing process. The systematic approach demonstrated the importance of the design methodology tools during the product development to obtain quality in the design engineering.

O presente trabalho trata da manufatura direta de implantes de hidroxiapatita mediante a técnica de prototipagem rápida. A hidroxiapatita proveniente de estrutura óssea mineral bovina possui grande importância dentre os biomateriais devido a sua biocompatibilidade e grande similaridade com a estrutura óssea humana. A prototipagem rápida permite a obtenção de modelos com dimensões e formato miméticos ao do defeito ósseo do paciente e possibilita a obtenção de implantes com porosidade desejada e geometria complexas. Este trabalho tem como objetivo o estudo da obtenção de implantes por três diferentes técnicas de prototipagem rápida: usinagem a verde, 3DPrint e uma inovadora técnica de prototipagem rápida obtida pela polimerização da resina acrílica (fase líquida da barbotina) por luz ultravioleta presente em uma faixa da banda do espectro de luz emitido pelo laser azul (SLB). A diminuta pressão de conformação, típicas das técnicas de prototipagem rápida aditiva, exige pós altamente reativos para efetiva sinterização, dessa forma a hidroxiapatita obtida a partir do fêmur bovino foi calcinada e moída em moinhos de bolas e vibratório na busca de pós submicrométricos. A usinagem a verde de compactados foi considerada como padrão ouro da manufatura e foi aplicada para obtenção de corpos de prova cilíndricos, previamente conformados por prensagem isostática a 100 e 200 MPa e ensaiados por densificação, flexão, dureza e tenacidade à fratura. Introdução de partículas de alumina e whiskers de alumina foram ensaiados na busca de otimização das propriedades mecânicas. Para prototipagem rápida pelo método de SLB, misturas de hidroxiapatita e resina foram submetidas à emissão do laser azul com percurso direcionado em equipamento CNC, onde peças tridimensionais foram prototipadas e sinterizadas. A hidroxiapatita proveniente do osso bovino apresentou características de íons substitucionais de carbonato e após moagens em moinho de bolas seguido de vibratório foi obtida partículas de diâmetro médio equivalente de 0,35 µm que se mostraram reativas para promoção da sinterização. A sinterização a 1300 ºC-2h forneceu as melhores características cristalográfica e de propriedades mecânicas, resultando em corpos referências com hidroxiapatita sem decomposição em outros fosfatos de cálcio com 99,8 % da densidade, resistência mecânica à flexão de 100 MPa, dureza de 483 HV e tenacidade à fratura de 0,6 MPa.m1/2. A introdução de 1 vol% de alumina e whiskers de alumina elevaram a resistência mecânica do corpo para aproximadamente 140 MPa com tenacidade de 0,61 MPa.m1/2. Para a técnica 3DPrint aglomerados esféricos da composição cerâmica deve ter dimensões entre as malhas de 200 e 400 mesh (75 a 38 µm) e o binder deve ter resistividade superior à 290 kΩ, componentes reativos, emolientes, lubrificantes e estabilizantes. Na manufatura pela técnica SLB a incidência do laser com fluência de 170 mW.s/mm2 promoveu a cura da resina no diâmetro de 0,5 mm e profundidade próxima a 0,5 mm o que, permitiu a prototipagem de scaffolds com camadas de espessura de 0,5 mm resistente ao manuseio para remoção da barbotina não curada. / The study deals with the direct manufacturing of hydroxyapatite implants using rapid prototyping. Hydroxyapatite structure originated from bovine mineral bone has great importance among the biomaterials and biocompatibility due to its great similarity with the human bone structure. Rapid prototyping allows obtaining models with dimensions and shaping mimetics to the patient\'s bone defect and enables the achievement of implants with complex geometry and porosity desired. This study aims to obtain scaffolds for three rapid prototyping techniques: the green machining, 3DPrint and an innovative rapid prototyping technique, obtained by polymerization of acrylic resin (liquid phase of slurry) by ultraviolet light present in a range of the spectrum band a blue light emitted by the laser (SLB). The small conformation pressure, typical of additive rapid prototyping techniques requires highly reactive powders for effective sintering, and then hydroxyapatite obtained from bovine femur was calcined and milled in ball mill and vibratory mill for obtention of sub micrometrics powders. The green machining was considered as the standard of mechanical properties and was used to obtain cylindrical specimens, previously shaped by isostatic pressing at 100 and 200 MPa, and tested by densification, bending, hardness and toughness fracture. Introduction of particles of alumina and alumina whiskers were tested in search engine optimization of the mechanical properties. For rapid prototyping by the method of SLB, mixtures of hydroxyapatite and resin were subjected to blue laser emission directed in CNC equipment where three-dimensional pieces were prototyped and sintered. Hydroxyapatite derived from bovine bone showed characteristics of substitutional carbonate ions and non-stoichiometry, after grinding in a ball mill followed by vibratory mill, particles obtained was equivalent average diameter of 0.35 micrometers that proved reactive to promote sintering. Sintering at 1300 °C-2h gave the best crystallographic characteristics and mechanical properties, resulting in references bodies with hydroxyapatite without decomposition of other calcium phosphates with 99.8 % of density, flexural strength of 100 MPa, hardness of 483 HV and fracture toughness of 0.6 MPa.m1/2. The introduction of 1 vol% alumina and alumina whiskers increased the mechanical strength of the body with approximately 140 MPa and toughness fracture of 0.61 MPa.m1/2. For technical 3DPrint spherical agglomerates of ceramic composition should have dimensions between 200 and 400 mesh (75-38 µm) and the binder should have resistivity higher than 290 kΩ and components reactive, emollients, lubricants and stabilizers. In the manufacturing technique SLB incidence of the laser with a fluency of 170 mW.s/mm2 promoted curing of the resin of 0.5 mm in diameter and depth about 0.5 mm, which enabled the prototyping of scaffolds with thick layers 0.5 mm resistant to handle for removal of slurry uncured.

No início da década de 90 a tecnologia de prototipagem rápida foi utilizada na simulação e planejamento de cirurgias de correções de deformidades da face. Os modelos eram construídos a partir de imagens do exame de tomografia computadorizada. Seu custo era elevado e os modelos podiam ser utilizados uma única vez. Considerando-se estas desvantagens, este trabalho desenvolve uma nova alternativa: a simulação da cirurgia em um modelo CAD através de operações matemáticas equivalentes às técnicas utilizadas nas cirurgias. Para obter o modelo CAD, utilizaram-se programas de uso educacional para o processamento das imagens da tomografia de uma mandíbula. Através do desenvolvimento de um programa que detecta os dados das bordas das imagens, reduz estes dados, e, utilizando um conversor IGES, introduz estes dados no sistema CAD onde é construído o modelo matemático. A partir do modelo CAD gera-se, utilizando a prototipagem rápida, o protótipo físico da mandíbula. Compara-se este protótipo ao outro obtido, a partir das mesmas imagens tomográficas, pelo uso de programas comerciais, e também, à mandíbula original. Os resultados obtidos são relatados discutindo-se as suas principais fontes de erro para validação do procedimento. / In the beginning of the nineties the technology of rapid protyping was first used in simulation and planning of surgeries of face injuries. The models were built starting from images from computerized tomography (CT). Its cost was elevated and the models could be used only one time. Considering these difficulties, this work develops a new procedure: the simulation of the surgery in a CAD model through equivalent mathematical operations to the techniques used in the surgeries. To obtain the CAD model, educational programs were used for the processing of the CT images of a jaw. Through the development of a program that detects and reduces the edges of the images and introduces these data in the CAD system by using the IGES interface, the mathematical model is built. From the CAD system, using the rapid prototyping technology the prototype is generated. This prototype is compared to the one produced by using commercial packages and also to the original jaw. The results are presented and the main sources of erros are discussed in order to validate the procedure.

Este trabalho tem o objetivo de apresentar o desenvolvimento do projeto informacional e do projeto conceitual de um mini-cabeçote vertical de extrusão com rosca de seção variável intercambiável. A montagem e a validação funcional deste cabeçote é feita na impressora 3-D Fab@CTI de forma intercambiável, na qual o projeto da estrutura foi baseada no projeto Fab@home. O projeto envolve o estudo sistemático utilizando o QFD para identificação dos requisitos do usuário e a escolha do \"cabeçote de deposição\", como característica técnica mais importante conduz o desenvolvimento do projeto conceitual e parte do projeto preliminar do mini-cabeçote vertical de extrusão. Utilizando análise morfológica no projeto conceitual se obteve a configuração do projeto, no qual foi possível dimensionar os principais componentes do sistema proposto: rosca/cilindro e sistema de acionamento. Os materiais considerados para o dimensionamento mecânico, bem como das estimativas das geometrias das seções da rosca foram poliamida e PCL, este último material foi escolhido por ser um biomaterial e por apresentar características físico-químicas mais criticas para o dimensionamento do dispositivo. O projeto conceitual foi fabricado e montado para demonstrar sua funcionalidade de extrusão utilizando um material pastoso e pó sem processo de aquecimento. Este trabalho apresenta o projeto e a validação técnica de um mini-cabeçote intercambiável de extrusão por rosca para utilização em impressoras 3-D utilizadas em manufatura aditiva. A abordagem sistemática de projeto demonstra a importância de técnicas de metodologia de projeto durante o desenvolvimento de um produto, a fim de se obter qualidade no projeto de engenharia. / The purpose of this work is to present the study of the informational and conceptual design of the vertical mini-screw extrusion head applied to portable and open source additive manufacturing machine. The design was validated considering the proposal of interchangeable heads applied to Brazilian 3-D printer based on Fab@home mechanical design. It was developed a systematic study using QFD to identify user\'s requirements, supporting the choice of a \"deposition head\" as the most important technical characteristic, leading the design development of a mini vertical system based on a extrusion screw with variable section. The conceptual design using the morphological analysis defined the design configuration, allowing to make a pre-calculation of the main components of the proposed head: screw, barrel and actuation system. The deposition materials, considered for the theoretical calculations, were polyamide and PCL, being the last a biocompatible polymer. This choice lead to critical physicochemical properties related to system design. The conceptual design was manufactured and assembled, demonstrating its functionality to extrude a paste like and powder materials without heating. This work presented the design and the validation of an interchangeable mini-extruder screw head developed to a portable 3-D printer used in additive manufacturing process. The systematic approach demonstrated the importance of the design methodology tools during the product development to obtain quality in the design engineering.

The following work explores the role of 3D printing in biological anthropology. A case study approach is used to provide an understanding of two different applications for 3D printing and to identify a potential methodology for creating 3D models. Case study one looks at the application of 3D printing to reconstruction projects using a flowerpot to test the reconstruction methodology. The second case study uses both laser surface and CT scanning to create a replica of a human skeleton. The two methods of data acquisition are evaluated for advantages and limitations in creating the virtual model. This work shows that there is a role for 3D printing in biological anthropology, but that data acquisition and processing issues are the most significant limiting factors in producing skeletal replicas. / October 2006

Prototyping new systems on hardware is a time-consuming task with limited scope for architectural exploration. The aim of this work was to perform fast prototyping of general-purpose graphics processing units (GPGPUs) on field programmable gate arrays (FPGAs) using a novel tool chain. This hardware flow combined with the higher level simulation flow using the same source code allowed us to create a whole tool chain to study and build future architectures using new technologies. It also gave us enough flexibility at different granularities to make architectural decisions. We will also discuss some example systems that were built using this tool chain along with some results.

This thesis investigates inkjet printing of fully-integrated modules fabricated on organic substrates as a system-level solution for ultra-low-cost and eco-friendly mass production of wireless sensor modules. Prototypes are designed and implemented in both traditional FR-4 substrate and organic substrate. The prototype on organic substrate is referred to as a Smart Wireless Integrated Module (SWIM). Parallels are drawn between FR-4 manufacturing and inkjet printing technology, and recommendations are discussed to enable the potential of inkjet printing technology. Finally, this thesis presents novel applications of SWIM technology in the area of wearable and implantable electronics. Chapter 1 serves as an introduction to inkjet printing technology on organic substrates, wireless sensor networks (WSNs), and the requirements for low-power consumption, low-cost, and eco-friendly technology. Chapter 2 discusses the design of SWIM and its implementation using traditional manufacturing techniques on FR-4 substrate. Chapter 3 presents a benchmark prototype of SWIM on paper substrate. Challenges in the manufacturing process are addressed, and solutions are proposed which suggest future areas of research in inkjet printing technology. Chapter 4 presents novel applications of SWIM technology in the areas of implantable and wearable electronics. Chapter 5 concludes the thesis by discussing the importance of this work in creating a bridge between current inkjet printing technology and its future.

The following work explores the role of 3D printing in biological anthropology. A case study approach is used to provide an understanding of two different applications for 3D printing and to identify a potential methodology for creating 3D models. Case study one looks at the application of 3D printing to reconstruction projects using a flowerpot to test the reconstruction methodology. The second case study uses both laser surface and CT scanning to create a replica of a human skeleton. The two methods of data acquisition are evaluated for advantages and limitations in creating the virtual model. This work shows that there is a role for 3D printing in biological anthropology, but that data acquisition and processing issues are the most significant limiting factors in producing skeletal replicas.

The following work explores the role of 3D printing in biological anthropology. A case study approach is used to provide an understanding of two different applications for 3D printing and to identify a potential methodology for creating 3D models. Case study one looks at the application of 3D printing to reconstruction projects using a flowerpot to test the reconstruction methodology. The second case study uses both laser surface and CT scanning to create a replica of a human skeleton. The two methods of data acquisition are evaluated for advantages and limitations in creating the virtual model. This work shows that there is a role for 3D printing in biological anthropology, but that data acquisition and processing issues are the most significant limiting factors in producing skeletal replicas.