UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DIRETORIA DE GRADUAÇÃO E EDUCAÇÃO PROFISSIONAL
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ANA CAROLINA MARTINS
RAFAEL NUNES DA COSTA
PROJETO DE DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVOS E ENSAIOS DE HASTE FEMORAL
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CORNÉLIO PROCÓPIO
2016
ANA CAROLINA MARTINS
RAFAEL NUNES DA COSTA
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVOS E ENSAIOS DE HASTE FEMORAL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial à obtenção do título em Bacharel em Engenharia Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Orientador: Prof. Dr. Romeu Rony Cavalcante da Costa
CORNÉLIO PROCÓPIO
2016
Universidade Tecnológica Federal do ParanáCampus Cornélio Procópio
Departamento Acadêmico de MecânicaCurso de Engenharia Mecânica
FOLHA DE APROVAÇÃO
Ana Carolina Martins
Projeto de Desenvolvimento de Dispositivos e Ensaios de Haste Femoral
Trabalho de conclusão de curso apresentado às 09:45hs do dia
09/06/2016 como requisito parcial para a obtenção do título de
Engenheiro Mecânico no programa de Graduação em Engenharia
Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. O
candidato foi arguido pela Banca Avaliadora composta pelos
professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca
Avaliadora considerou o trabalho aprovado.
______________________________________________
Prof(a). Dr(a). Romeu Rony Cavalcante da Costa - Presidente (Orientador)
______________________________________________
Prof(a). Me(a). José Aparecido Lopes Junior - (Membro)
______________________________________________
Prof(a). Dr(a). Sandra Mara Domiciano - (Membro)
A folha de aprovação assinada encontra-se na coordenação do curso.
Universidade Tecnológica Federal do ParanáCampus Cornélio Procópio
Departamento Acadêmico de MecânicaCurso de Engenharia Mecânica
FOLHA DE APROVAÇÃO
Rafael Nunes da Costa
Projeto de Desenvolvimento de Dispositivos e Ensaios de Haste Femoral
Trabalho de conclusão de curso apresentado às 10:20hs do dia
09/06/2016 como requisito parcial para a obtenção do título de
Engenheiro Mecânico no programa de Graduação em Engenharia
Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. O
candidato foi arguido pela Banca Avaliadora composta pelos
professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca
Avaliadora considerou o trabalho aprovado.
______________________________________________
Prof(a). Dr(a). Romeu Rony Cavalcante da Costa - Presidente (Orientador)
______________________________________________
Prof(a). Me(a). José Aparecido Lopes Junior - (Membro)
______________________________________________
Prof(a). Dr(a). Sandra Mara Domiciano - (Membro)
A folha de aprovação assinada encontra-se na coordenação do curso.
Aos nossos pais, irmãs e avós.
AGRADECIMENTOS Agradecemos primeiramente à Deus, aos familiares e aos amigos.
Aos pais, irmãs e avós por por todo amor e carinho que sempre nos deram e
por todo apoio durante toda a graduação.
Ao nosso orientador Dr. Romeu Rony Cavalcante da Costa pela excelente
orientação, disponibilidade e dedicação durante todo trabalho.
Ao professor Dr. Amauri Bravo Ferneda, pela orientação durante o pré-projeto.
Ao mestrando Fellipe Roberto Biagi de Almeida por toda colaboração e
ensinamentos durante todo trabalho.
Aos meus colegas e professores da UTFPR – CP que sempre estiveram
prontos a ajudar de alguma forma na realização deste trabalho.
À Universidade Tecnológica Federal do Paraná, campus Cornélio Procópio,
por disponibilizar toda a sua estrutura.
RESUMO
COSTA, Rafael N.; MARTINS, Ana C. Projeto de desenvolvimento de dispositivos e ensaios de haste femoral. 2016. 51 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Engenharia Mecânica. Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2016.
O presente trabalho propõe o projeto de um dispositivo de fixação para ser utilizado durante a realização de ensaios de flexo-torção e a realização destes ensaios em uma haste femoral para implante de quadril. Esta haste femoral foi fabricada em material compósito constituído por poliuretana derivada do óleo de mamona reforçada com fibra de vidro em diferentes gramaturas e foi posicionada com base nas normas ABNT NBR ISO 7206-4 e ABNT NBR ISO 7206-6. Para garantir o correto posicionamento segundo a norma, o engastamento das hastes se deu em tubos de PVC preenchidos com concreto, sendo utilizado dois moldes fabricados em impressora 3D como gabarito. Após o engastamento das hastes femorais confere-se o posicionamento das hastes utilizando um microscópio, com o intuito de verificar se as angulações e distâncias seguem as normas citadas anteriormente. Também, como forma de otimizar o processo de fabricação e melhorar a fração volumétrica entre fibra e matriz de núcleos para hastes, este trabalho propõe um molde para a fabricação de múltiplos núcleos simultaneamente. Os resultados coletados estão dispostos na seção chamada Resultados e Discussões.
Palavras chave: Haste femoral. Compósitos poliméricos reforçados. Poliuretana derivada do óleo de mamona. Fibra de vidro.
ABSTRACT
COSTA, Rafael N.; MARTINS, Ana C. Project of development of devices and femoral stem’s tests. 2016. 51 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Engenharia Mecânica. Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2016.
This paper proposes the design of a fixing device to be used during the flexo-torsional tests and the execution of this tests on the femoral stem to be used in a hip implant. This femoral stem was made of composite material produced by polyurethane derived from castor oil reinforced with glass fiber in different weights and the femoral stem was positioned based on the standards ABNT NBR ISO 7206-4 and ABNT NBR ISO 7206-6. To ensure the correct positioning of the steams according to the standard, the fixing of the stems was made in PVC tubes filled with concrete, and it was positioned using two different molds made in a 3D printer. After the fixing of the femoral stems confers the positioning of the stems using a microscope in order to verify if the angles and the distances follow the standards mentioned above. Also, in order to optimize the manufacturing process and improve the volumetric fraction of fiber and matrix, this work proposes a mold for manufacturing multiple stems simultaneously. The obtained results are arranged in the section Results and Discussion.
Key words: Femoral stem. Reinforced polymer composites. Polyurethane derived from
castor oil. Fiberglass.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Fases distintas de um compósito .............................................................. 14
Figura 2 - Esquema de classificação para materiais compósitos ............................. 15
Figura 3 - Configurações de fibra para reforço de compósito ................................... 16
Figura 4 - Classificação dos Polímeros Biodegradáveis ........................................... 18
Figura 5 - Anatomia da junta do quadril .................................................................... 23
Figura 6 - Tipos de fratura do fêmur .......................................................................... 24
Figura 7 - Anatomia da junta do quadril após artroplastia total do quadril ................ 24
Figura 8 - Diferentes composições das hastes ......................................................... 28
Figura 9 - Posicionamento segundo a norma ABNT NBR ISO 7206-4 ..................... 29
Figura 10 - Gabarito para o posicionamento das hastes .......................................... 30
Figura 11 - Haste engastada no concreto ................................................................. 30
Figura 12 - Medição da altura do embutimento ......................................................... 31
Figura 13 - Medições dos ângulos ............................................................................ 31
Figura 14 - Posicionamento segundo a norma ABNT NBR ISO 7206-6 ................... 32
Figura 15 - Gabarito para posicionamento das hastes ............................................. 33
Figura 16 – Antes de depois do embutimento ........................................................... 33
Figura 17 - Ensaio de flexo-torção quase – estático ................................................. 34
Figura 18 - Primeiro dispositivo de fabricação feito por Almeida (2016) ................... 35
Figura 19 - Montagem do desenho 3D e do suporte pronto ..................................... 35
Figura 20 - Modelo 3D do molde para múltiplos núcleos .......................................... 36
Figura 21 - Cavidade e partição do molde para múltiplos núcleos ........................... 37
Figura 22 – Ilustração da influencia dos ângulos e alturas na carga máxima suportada
................................................................................................................................... 39
Figura 23 - Carga x Deslocamento - Haste femoral com 16 camadas de F.V. ......... 41
Figura 24 – Carga x Deslocamento - Haste femoral sem núcleo .............................. 41
Figura 25 – Carga x Deslocamento - Haste femoral com CaCO3 e 16 camadas de F.V.
................................................................................................................................... 42
Figura 26 – Carga x Deslocamento - Haste femoral com 8 camadas de F.V. .......... 42
Figura 27 – Ruptura do pescoço na haste femoral sem núcleo ................................ 44
Figura 28 – Carga x Deslocamento - Haste femoral sem núcleo .............................. 44
Figura 29 - Carga x Deslocamento - Haste femoral com 8 camadas de F.V. ........... 45
Figura 30 – Carga x Deslocamento - Haste femoral com 16 camadas de F.V. ........ 46
Figura 31 – Carga x Deslocamento - Haste femoral com CaCO3 e 16 camadas de F.V.
................................................................................................................................... 46
Figura 32 - Ilustrações do descolamento do perfil externo ....................................... 47
Figura 33 - Fratura do invólucro da haste e integridade física do núcleo ................. 48
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição média do óleo da mamona .................................................. 20
Tabela 2 - Composições da fibra de vidro de reforço ............................................... 21
Tabela 3 - Propriedade dos tipos de fibra de vidro ................................................... 21
Tabela 4 - Propriedades mecânicas dos ossos ........................................................ 25
Tabela 5 - Propriedades mecânicas de materiais/ligas utilizadas na fabricação de
hastes femorais ......................................................................................................... 26
Tabela 6 - Medições das hastes femorais ................................................................. 38
Tabela 7 - Valores encontrados nos ensaios das hastes femorais - ISO 7206-4 ..... 40
Tabela 8 - Valores encontrados nos ensaios das hastes femorais - ISO 7206-6 ..... 43
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 121.1. OBJETIVO ........................................................................................................ 13
1.1.1. Objetivo Geral ................................................................................................ 13
1.1.2. Objetivo Específico ........................................................................................ 13
2. REFERENCIAL TEÓRICO .................................................................................. 142.1. COMPÓSITOS .................................................................................................. 14
2.1.1. Compósitos Poliméricos Reforçados por Fibra .............................................. 15
2.1.2. Biopolímero: Poliuretana Derivada do Óleo de Mamona ............................... 17
2.1.3. Fibra de Vidro ................................................................................................ 20
2.2. FISIOLOGIA DO OSSO .................................................................................... 22
2.2.1. Função do Osso ............................................................................................. 22
2.2.2. Composição do Osso ..................................................................................... 22
2.2.3. Artroplastia Total do Quadril .......................................................................... 23
3. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................. 273.1. POSICIONAMENTO DAS HASTES FEMORAIS .............................................. 28
3.1.1. Engaste conforme ABNT NBR ISO 7206-4 ................................................... 28
3.1.2. Verificação da altura e ângulos das hastes ................................................... 30
3.1.3. Engaste conforme ABNT NBR ISO 7206-6 ................................................... 32
3.2. ENSAIO DE FLEXO-TORÇÃO QUASE-ESTÁTICO ......................................... 33
3.3. DISPOSITIVO DE FIXAÇÃO PARA HASTE FEMORAL ................................... 34
3.4. PROJETO DE UM MOLDE PARA MÚLTIPLOS NÚCLEOS ............................. 36
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................ 384.1. MEDIÇÕES COM MICROSCÓPIO DIGITAL .................................................... 38
4.2. ENSAIOS EXPERIMENTAIS QUASE-ESTÁTICOS ......................................... 39
4.2.1. Ensaio da haste femoral segundo a norma ABNT NBR ISO 7206-4 ............. 39
4.2.2. Ensaio da haste femoral segundo a norma ABNT NBR ISO 7206-6 ............. 43
4.3. MOLDE PARA MÚLTIPLOS NÚCLEOS ........................................................................ 48
5. CONCLUSÃO ..................................................................................................... 496. REFERÊNCIAS ................................................................................................... 51
12
1. INTRODUÇÃO
Os biomateriais vem sendo utilizados desde civilizações antigas; olhos,
orelhas, dentes e narizes artificiais foram encontrados em múmias egípcias, por
exemplo. Ao longo dos séculos, os avanços em materiais sintéticos, técnicas
cirúrgicas e métodos de esterilização tem permitido uso desse tipo de material em
dispositivos médicos e implantes. Os biomateriais também são amplamente utilizados
para restabelecer a função do órgão traumatizado ou degenerado (RAMAKRISHNA
et al., 2001).
Atualmente, grande parte das próteses para membros inferiores e superiores
são feitas de materiais compósitos com matriz polimérica. Estes tipos de materiais são
superiores principalmente quando comparados as próteses de materiais metálicos,
devido ao osso e o metal possuírem grandes diferenças em relação as propriedades
mecânicas como a elasticidade e força de tensão. Ainda, o uso de biocompósitos são
favoráveis devido à sua força em relação ao peso e também sua alta
biocompatibilidade. (SCHOLZ et al., 2011; TEIXEIRA, 2012). O uso de fibra de vidro
como reforço em compósitos vem aumentando devido ao seu baixo preço relativo, a
sua capacidade de reciclar e por poderem competir bem em relação a força por peso
do material (JOHN e THOMAS, 2008).
Os compósitos apresentam propriedades mecânicas que devem ser
estudadas e conhecidas antes da utilização em um implantes. Porém, além das
propriedades mecânicas apresentadas pelo compósito, Bergmann (2001) afirmar ser
importante conhecer as forças de contato aplicadas sobre a junta do quadril através
de testes mêcanicos para que possam desenvolver novos designs e novos materiais
a serem utilizarem em implantes. Ainda, os dados coletados através dos testes podem
servir como guia para melhorar a qualidade de vida de pacientes e avalias quais
atividades devem ser evitadas após o implante.
Sendo assim, o presente trabalho investigou a resistência mecânica das
próteses femorais fabricadas em um biocompósito polimérico com matriz de
poliuretana derivada do óleo de mamona reforçada com fibra de vidro por meio de
ensaios de flexo-torção.
13
1.1. OBJETIVO
1.1.1. Objetivo Geral
Realizar a solicitação mecânica do modelo da prótese sob flexo-torção e
desenvolver dispositivos para auxiliar os ensaios.
1.1.2. Objetivo Específico
• Embutir as hastes femorais, de acordo com a norma ABNT NBR ISO 7206-4,
em um molde de PVC e concreto;
• Desenvolver molde para fixação da haste de acordo com a ABNT NBR ISO
7206-6;
• Embutir as hastes femorais, de acordo com a norma ABNT NBR ISO 7206-6,
em um molde de PVC e concreto;
• Verificar a distância do embutimento até o centro da esfera e o posicionamento
dos ângulos α e β, de acordo com a norma ABNT NBR ISO 7206-4, por
aparelho microscópio e software DinoCapture 2.0;
• Fabricar dispositivo de fixação do conjunto haste embutida para utilização no
ensaio mecânico;
• Realizar ensaios mecânicos de flexo-torção quase-estáticos das hastes
fabricados em biocompósito, para avaliar o comportamento mecânicos das
mesmas;
• Projetar um molde para a criação de múltiplos núcleos.
14
2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1. COMPÓSITOS
Com o desenvolvimento de novas aplicações tecnológicas, houve a
necessidade de novos materiais com combinações de propriedades diferentes das
três classes de materiais já existentes: ligas metálicas, polímeros e cerâmicas. Sendo
assim, desenvolveu-se uma quarta classe de materiais, os materiais compósitos
(CALLISTER, 2008).
Segundo Shackelford (2008), o principal conceito de compósito é que, este,
deve fornecer a propriedade mais relevante de cada componente para o mesmo.
Conforme a norma ASTM D3878-95, compósito consiste na combinação de
dois ou mais materiais, insolúveis entre si, com a intenção de formar um material com
certas propriedades que não são encontradas nos materiais separadamente. Callister (2008), afirma que as propriedades do compósito são derivadas das propriedades das fases, da quantidade relativa e da geometria da fase dispersa.
Herakovich (1998) define compósito como heterogêneo, sendo que a fase
fibra reforça a fase matriz. Na Figura 1, pode-se distinguir as fases, onde o círculo representa a fibra.
Figura 1 - Fases distintas de um compósito Fonte: Herakovich (1998).
“Muitos materiais compósitos são constituídos por apenas duas fases; uma é denominada matriz, a qual é contínua e envolve a outra fase, chamada com frequência de fase dispersa” (CALLISTER, 2008, pg. 423).
Ainda, de acordo com Callister (2008), os compósitos são classificados em três tipo: os compósitos reforçados com partículas, os compósitos reforçados com
15
fibras e os compósitos estruturais, esquematizado na Figura 2. Neste trabalho serão abordados especificamente os reforçados com fibra.
Figura 2 - Esquema de classificação para materiais compósitos Fonte: Callister (2008)
2.1.1. Compósitos Poliméricos Reforçados por Fibra
O uso de fibras como reforço em compósitos poliméricos tem sido foco de
inúmeras pesquisas nos últimos anos. Os compósitos reforçados por fibras são os
mais importantes, estes têm como objetivo alta resistência e/ou rigidez em relação ao
peso, refletindo na resistência específica e no módulo específico (CALLISTER, 2008).
As propriedades mecânicas do compósito reforçados com fibras, não
depende somente das propriedades mecânicas dos materiais, mas também da
interface e interação das fases fibra-matriz. Ainda, o arranjo, a concentração e a
distribuição das fibras influenciam nas características do compósito. (CALLISTER,
2008; GODARA E RAABE, 2007).
Quando uma carga externa é aplicada no compósito, parte desta carga é
passada para a matriz e parte para a fibra. A porcentagem de carga distribuída é
definida pela fração volumétrica de fibra, pela forma, pela orientação e pelas
propriedades dos materiais utilizados no compósito. Devido a carga aplicada, estática
ou dinâmica, estruturas compósitas podem sofrer trincas ou outras formas de dano;
possibilitando assim, a ocorrência de falha. Sendo assim, torna-se difícil a predição
da resistência e falhas no compósito, pois estas propriedades não dependem somente
16
das propriedades de cada material, mas também das propriedades da interface entre
fibra-matriz e a presença de tensão residual (COWIN, 2001; ERKENDIRCI, 2012).
Para Shackelford (2008), o reforço de fibra geralmente é encontrado em uma
das três configurações, como pode ser visto na Figura 3: fibras contínuas, fibras
discretas ou curtas e tecido tramado.
Figura 3 - Configurações de fibra para reforço de compósito Fonte - Shackelford (2008)
Além da configuração da fibra, o método de fabricação do compósito também
interfere nas características mecânicas. De acordo com Hyer (1998), utilizando um
método de processamento adequado, a adição de fibras em compósitos poliméricos
resulta em um aumento na resistência, tenacidade e rigidez em relação ao seu peso.
Isso ocorre como resultado do alinhamento da cadeia polimérica ao longo do eixo da
fibra.
O componente da matriz pode ser fabricado em cerâmica, metal ou polímero;
enquanto a fibra é inserida no interior da matriz, conferindo propriedades diferentes e
melhoradas para o material compósito. Para um material ser denominado compósito,
os seguintes pontos são essenciais (SEN, 2004):
• Dois materiais distintos devem estar presentes no material e em
proporções significativas.
• A propriedade do compósito deve ser diferente das propriedades dos
componentes separadamente.
17
• O processo de fabricação deve formar um único material, por exemplo,
quando as partículas cerâmicas estão totalmente coladas na matriz de
metal; criando o compósito cerâmica-metal.
Os compósitos poliméricos apresentam uma vasta área de aplicação, como
na aeronáutica, automotiva, medicina, construções civis, e entre outros. Para o
presente trabalho, estudaremos o comportamento mecânico à flexo-torção do modelo
de prótese de quadril em poliuretana derivada do óleo de mamona, como matriz, e a
fibra de vidro, como reforço
2.1.2. Biopolímero: Poliuretana Derivada do Óleo de Mamona
A norma ABNT NBR 15448-1 (2008) afirma que biopolímeros são polímeros
fabricados utilizando matérias-primas de fontes renováveis, como: mamona, milho,
cana-de-açúcar e celulose. Há diversos fatores, tanto ambientais, quanto
socioambientais, que estão relacionados ao grande desenvolvimento das pesquisas
sobre biopolímeros. Para citar alguns, o aumento do preço do petróleo, que é utilizado
na fabricação de grande parte dos polímeros sintéticos, e a degradação ambiental
causada na fabricação e principalmente pelo descarte dos polímeros sintéticos
(BRITO et al, 2011).
John e Thomas classificam os biopolímeros em quatro categorias, como pode
ser visto na Figura 4.
18
Figura 4 - Classificação dos Polímeros Biodegradáveis Fonte - Adaptado de John e Thomas (2008)
Entre estes biopolímeros, destaca-se a poliuretana derivada do óleo de
mamona. Segundo Cangemi, Santos e Levy Neto (2005), “o óleo da mamona é um
triglicerídeo derivado do ácido ricinoléico e é obtido da semente da planta Ricinus
communis, encontrada em regiões tropicais e subtropicais sendo muito abundante no
Brasil”.
O desenvolvimento dos poliuretanos começou em 1937, onde Bayer e seus
associados descobriram a reação de polimerização de adição entre diisocianato e
19
dióis. Desde de a sua descoberta, a demanda de poliuretana tem aumentado e atingirá
em 2016 uma produção de 18 milhões de toneladas, das quais 75% serão do tipo
espuma. Com uma cota de 7% da demanda total do mercado, a poliuretana está em
5˚ lugar na produção mundial de plástico (CORNILLE et al. 2015; SHEN e PATEL,
2009).
As poliuretanas são utilizadas em uma variedade surpreendentes de
aplicações comerciais, que são divididas em sete grandes grupos. São eles
(SZYCHER, 2012):
• Placa Flexíveis;
• Espumas Moldadas Flexíveis;
• Espumas Rígidas;
• Elastômeros Sólidos;
• Moldagem por Injeção;
• Apoio de Carpete;
• Fabricação de compósito.
É importante ressaltar que as variadas aplicabilidades das poliuretanas
podem ser explicadas pela sua flexibilidade e elasticidade, e pela alta resistência à
tração, ruptura e abrasão. Destacando a poliuretana derivada do óleo da mamona,
utilizada no presente trabalho, por apresentar boas propriedade elastoméricas.
(MILÉO et al., 2011; MORTLEY, BONIN e BUI, 2007).
Comparado à maioria dos óleos vegetais, o óleo de mamona possui
características singulares devido a presença do ácido ricinoléico, que difere dos
demais ácidos graxos presentes na natureza pela sua estrutura molecular, onde no
carbono 12 encontra-se um grupo hidroxila (CANGEMI, SANTOS e LEVY NETO,
2008). Segundo Silvestre Filho (2001), “esta particularidade é o que faz da triglicéride
do ácido ricionoléico um poliol natural trifuncional” (pg. 86).
20
Tabela 1 - Composição média do óleo da mamona COMPONENTE PERCENTAGEM
Ácido ricinoléico 89,5
Ácido palmítico 1,0
Ácido linoléico 4,2
Ácido linolênico 0,3
Ácido dihidroxiesteárico 0,7
Ácido estereático 1,0
Ácido oléico 3,0
Ácido eicosanóico 0,3
Fonte: Filho (2001).
O poliol é um dos bicomponentes usados na síntese do poliuretano, além do
pré-polímero. O poliol é um termo para caracterizar os “compostos contendo grupos
hidroxilas, capazes de reagir com os isocianatos para formar os poliuretanos” (VILAR,
2004).
O polímero de poliuretano derivada do óleo da mamona além de apresentar
baixa toxicidade, sendo assim menos poluente; tem baixo custo de produção e
processamento.
2.1.3. Fibra de Vidro
Conforme a Tabela 2, observa-se uma ampla quantidade de tipos de fibras de
vidro, onde cada tipo tem suas característica e aplicações específicas. Shackelford
(2008) cita 5 tipos de fibras de vidro e suas finalidades, sendo a fibra vidro-E a mais
utilizada, principalmente na área elétrica, devido à baixa condutividade térmica e seu
potencial dielétrico.
21
Tabela 2 - Composições da fibra de vidro de reforço Composiçãoª (% p)
Designação Característica SiO2 (Al2O3 + Fe2O3) CaO MgO Na2O K2O B2O2 TiO2 ZrO2
Vidro - A Sílica de cal de soda comum 72 <1 10 14
Vidro - AR
Resistente a bases alcalinas (para reforço de concreto)
61 <1 5 <1 14 3 7 10
Vidro - C Resistente à corrosão química 65 4 13 3 8 2 5
Vidro - E Composição elétrica 54 15 17 5 <1 <1 8
Vidro - S Alta resistência e alto módulo 65 25 10
Fonte - Shackelford (2008)
Comparando os tipos de fibras de vidros, podemos observar que as
propriedades variam de acordo com a composição. Na Tabela 3, observamos as
propriedades de três tipos de fibra. De acordo com Levy Neto e Pardini (2006), a
condutividade térmica da fibra de vidro é equivalente a 1,3 W/m.K e o calor específico
é de 850 J/kg.K.
Tabela 3 - Propriedade dos tipos de fibra de vidro
Tipo de Fibra Cerâmica Vidro E Vidro S Vidro AR Massa específica (g/cm3) 2,54 2,55 2,7 Módulo de elasticidade (GPa) 70 86 75 Resistência à tração (GPa) 2,4 2,8 1,7 Módulo específico (Mn) 27 34 34 Preço (US$)/kg 1,65 – 2,20 13,0 – 17,5 - Preço (US$)/kg tecido 10 – 20 20 – 40 -
Fonte – LEVY NETO e PARDINI (2006).
A notoriedade do uso de fibra de vidro como reforço, dá-se pelos seguintes
motivos (CALLISTER, 2008; LEVY NETO e PARDINI, 2006; MALLICK, 2007):
• Alta resistência;
• Versatilidade quanto ao modo de fabricação de compósito, além de ser
um material facilmente disponível;
• Facilidade de incorporação a matriz, recobrindo a fibra com agentes
ligantes para melhorar a adesão entre a matriz e a superfície da fibra;
• O vidro é quimicamente inerte, quando associado a plásticos, torna um
compósito útil em inúmeros ambientes corrosivos;
22
• Alta resistência química;
• Baixo custo;
• Excelentes propriedades isolantes.
2.2. FISIOLOGIA DO OSSO
2.2.1. Função do Osso
De acordo com Cowin (1989), o osso executa duas funções no corpo humano,
uma função como tecido estrutural, e outra como tecido metabólico. Com relação a
função estrutural, o osso atua como um suporte para o corpo contra a gravidade, além
do mais, o mesmo serve como proteção e cobertura para os órgãos vitais, como,
cérebro, coração e medula. Já em relação às funções metabólicas, a função do osso
recai em ser um repositório para o cálcio, que é amplamente utilizado pelo corpo nas
contrações musculares, comunicação entre os nervos, formação de coágulos e
secreção celular.
2.2.2. Composição do Osso
Segundo Cowin (2001), a composição do osso consiste em,
aproximadamente, 65% de minerais e 35% de matriz orgânica, células e água. Os
minerais ósseos são encontrados sob a forma de agulhas, placas e/ou hastes, sendo
localizados dentro ou entre as fibras de colágeno. O mineral mais abundante
encontrado no osso é a hidroxiapatita, Ca10(PO4)6(OH)2.
Maheshwari e Mhaskar (2015) afirmam que existem três tipos principais de
células no osso, são elas os osteoblastos, os osteócitos e os osteoclastos. Os
osteoblastos são as células responsáveis pela ossificação, essas são ricas em
fosfatase alcalina, glicolítico e enzimas fosforilases. Osteócitos são células maduras,
ricas em glicogênio e grânulos positivos, onde podem assumir a forma de osteoclastos
ou de reticulócitos. E por último, os osteoclastos, onde esses são as células multi-
23
nucleadas, contendo hidrolases ácidas glicolíticas, colagenases e enzimas fosfatase,
envolvidas com a reabsorção óssea.
2.2.3. Artroplastia Total do Quadril
A artroplastia total do quadril é uma operação cirúrgica em que uma
articulação do quadril danificada é substituída por prótese. Este procedimento se faz
necessário por diversos motivos, como por exemplo: desgaste da cartilagem entre o
fêmur e o quadril (osteoartrite) e uma fratura na cabeça ou no colo femoral (PIVEC et
al., 2012).
Figura 5 - Anatomia da junta do quadril Fonte – Adaptada de Pinheiro (2015)
24
Figura 6 - Tipos de fratura do fêmur Fonte - Adaptada de Pinheiro (2015)
Anualmente, cerca de um milhão de pessoas ao redor do mundo passam pela
cirurgia de artroplastia total do quadril, e a estimativa é que esse número dobre nas
próximas duas décadas por causa do aumento da expectativa de vida da população
e pela epidemia de obesidade. Entre os pacientes, a taxa clínica de sucesso é alta,
sendo de 93% até dez anos e 85% até quinze anos após o procedimento
(BOUGHERARA et al. 2011; PIVEC et al., 2012).
Figura 7 - Anatomia da junta do quadril após artroplastia total do quadril Fonte - Neri (2012)
Pivec et al. (2012) afirma que os principais sintomas que indicam uma possível
necessidade da artroplastia total do quadril são fortes dores e incapacidade funcional.
O diagnóstico de algum problema no quadril se dá por exames físicos e radiografias.
Entretanto, em muitos casos, não é indicado a cirurgia como primeiro tratamento, e
25
sim uma tentativa de mudança de hábitos relacionados a atividade física, ajuda
ambulatorial ou até perda de peso.
Katti (2004) diz que, idealmente, um implante de osso, tal como um implante
de quadril deve apresentar uma resposta idêntica a carga como um osso real, ter
biocompatibilidade com o tecido existente e ser economicamente viável.
Por meio de seus estudos, Bergmann et al. (2001) indicam que a carga
aplicada por uma pessoa, em média, sobre o seu quadril é de 238% do seu peso
corporal quando anda a uma velocidade de 4 km/h. Ao subir e descer uma escada a
força media encontrada foi de 251% e 260% do peso corporal, respectivamente. Por
outro lado, Ramakrishna et al. (2000) afirma que a carga aplicada sobre a junta do
quadril pode alcançar até 3 vezes o peso corporal (3000 N) e picos de carga de até
10 vezes o peso corporal durante um salto.
Os materiais convencionais usados para a construção de hastes femorais
utilizadas em artroplastia total do quadril são aço inoxidável, cobalto-cromo e ligas de
titânio. No entanto, estes materiais apresentam uma importante diferença de rigidez,
como pode se observar nas Tabelas 4 e 5, com o osso do fêmur, que pode induzir a
efeito de tensão de blindagem no osso. Como resultado, o processo de remodelação
óssea pode ser afetado, conduzindo a reabsorção óssea e, eventualmente ao
afrouxamento da prótese (KATTI, 2004). Além disso, ligas metálicas estão sujeitas a
corrosão devido ao meio corrosivo formado pelo fluído corpóreo, sais e compostos
orgânicos, podendo influenciar o processo de degradação da prótese. (TERADA,
2008).
Tabela 4 - Propriedades mecânicas dos ossos
Resistência a compressão
(MPa) Resistência a tração (MPa)
Módulo de Elasticidade
(GPa) Tíbia 159 140 18,1
Fêmur 167 121 17,2
Radio 114 149 18,6
Úmero 132 130 17,2 Cervical 10 3,1 0,23
Lombar 5 3,7 0,16 Fonte: Katti (2004).
26
Tabela 5 - Propriedades mecânicas de materiais/ligas utilizadas na fabricação de hastes femorais
Liga Microestrutura Resistência à tração (MPa)
Módulo de Elasticidade (GPa)
Ti (titânio puro) {!} 785 105
Ti-Zr {!'/"} 900
Ligas de Co-Cr 655-1896 210 - 253
Co-Cr-Mo {Austenita (fcc) + hcp} 600 - 1795 200-230
Ti-6Al-4V {!'/"} 960 - 970 110
Ti-6Al-7Nb {!/"} 1024 105
Ti-5Al-2,5Fe {!/"} 1033 110
Ti-13Nb-13Zr {!'/"} 1030 79
Ti-15Mo-5Zr-3Al {Mataestável "} 882 - 975 75
{Maduro " + !} 1099 - 1312 88 - 113
Ti-12Mo-6Zr-2Fe {Mataestável "} 1060 - 1100 74 - 85
Ti-15Mo-5Zr-3Al {Mataestável "} 882 - 975 75
{Maduro " + !} 1099-1312 88 - 113
Aço Inoxidável 316 L {Autenita} 465 - 950 200
Ti-15Mo-2,8Nb-3Al {Mataestável "} 812 82
{Maduro " + !} 1310 100
Ti-53Nb-5Ta-7Zr (TNZT) {Mataestável "} 590 55
Ti-15Mo-3Nb-0,3O (21SRx) {Mataestável "} 1020 82
Ti-35Nb-5Ta-7Zr-0,4O (TNZTO) {Mataestável "} 1010 66 Ti-0/20Zr-0/20Sn-4/8Nb-2/4Ta+(Pd,N,O) {!/"} 750 - 1200
Fonte: Katti (2004).
27
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste trabalho foi realizado o engastamento de hastes femorais conforme as
normas ABNT NBR ISO 7206-4 e ABNT NBR ISO 7206-6, por meio de moldes
fabricados em impressora 3D. Para assegurar o correto posicionamento dos corpos
de prova realizam-se medições das alturas e dos ângulos em um microscópio digital.
Após a verificação do engastamento, efetuam-se ensaios à flexo-torção das hastes,
para isto, foi necessário a criação de um dispositivo para auxiliar na fixação dos corpos
a serem ensaiados na máquina de ensaio universal. Finalmente, projeta-se um molde
para fabricação de múltiplos núcleos.
Os resultados dos ensaios de flexo-torção e das medições de alturas e
ângulos foram analisados pelo software computacional Excel, por meio de tabelas e
gráficos, além de figuras ilustrativas.
As hastes femorais utilizadas neste trabalho foram fabricadas pelo mestrando
Fellipe Roberto Biagi de Almeida, o modelo utilizado apresenta um perfil externo de
poliuretana derivada do óleo de mamona e um interior nucleado cilíndrico de
poliuretana reforçada com fibra de vidro. Foram criados quatro diferentes tipos de
haste para serem analisadas, Figura 8, sendo:
• Haste sem núcleo;
• Hastes reforçada com 8 camadas de fibra de vidro;
• Hastes reforçada com 16 camadas de fibra de vidro;
• Hastes com 30% de CaCo3 e reforçada com 16 camadas de fibra de
vidro.
28
Figura 8 - Diferentes composições das hastes Fonte - Almeida (2016)
3.1. POSICIONAMENTO DAS HASTES FEMORAIS
Para garantir o total engaste da haste, na qual não há possibilidade de
movimentação em nenhuma direção, esta foi fixada em um tubo de PVC preenchido
por concreto conforme as normas ABNT NBR ISO 7206-4 e ABNT NBR ISO 7206-6.
3.1.1. Engaste conforme ABNT NBR ISO 7206-4
A ABNT NBR ISO 7206-4:2011 descreve as especificações sobre o
posicionamento da haste para os testes de flexo-torção. Essas especificações dizem
o quanto a haste precisa ser embutida, tanto para a profundidade, quanto para a sua
angulação, para simular o comportamento de um fêmur humano. Segundo a norma,
os ângulos devem ser de, α = 10˚ e β = 9˚, com 1˚ de tolerância para ambos os casos,
29
e o nível de embutimento, que é a distância entre o centro da esfera até o concreto,
ser de D = 80 mm. Estas especificações podem ser observadas na Figura 9.
Figura 9 - Posicionamento segundo a norma ABNT NBR ISO 7206-4 Fonte - ABNT NBR ISO 7206-4 (2011)
Para assegurar que a haste seja posicionada corretamente, Almeida (2016)
desenvolveu um gabarito que foi fabricado em uma impressora 3D, Figura 10. A haste
femoral era encaixada no gabarito e colocada no interior do tubo preenchido com
concreto, em que após no mínimo 72 horas para a cura do concreto, garantia-se o
engastamento correto da haste, ilustrado na Figura 11.
30
Figura 10 - Gabarito para o posicionamento das hastes Fonte - Almeida (2016)
Figura 11 - Haste engastada no concreto Fonte - Autoria própria
3.1.2. Verificação da altura e ângulos das hastes
Após a posicionamento das hastes conforme a norma ABNT NBR ISO 7206-
4:2011, realiza-se a verificação da altura e dos ângulos por um dispositivo
microscópio, modelo Dino-Lite Digital Microscope Pro. Para as medições, utiliza-se
um software computacional DinoCapture 2.0. A Figura 12 mostra a medição da altura
31
de embutimento, ilustrado pela linha vermelha, e a Figura 13 mostra os ângulos α e
β, também representados pelas linhas vermelhas.
Figura 12 - Medição da altura do embutimento Fonte - Autoria própria
Figura 13 - Medições dos ângulos Fonte - Autoria própria
Os dados foram tabulados no software computacional Excel, seguindo os
quatro diferentes tipos de hastes, serão apresentados nos resultados e discussões.
32
3.1.3. Engaste conforme ABNT NBR ISO 7206-6
Segundo a norma ABNT NBR ISO 7206-6 (2004), “os métodos de ensaios
para a determinação da resistência a fadiga da região de cabeça e pescoço de
componentes de hastes femorais”. Essas especificações dizem o quanto a haste
precisa ser embutida, tanto para a profundidade, quanto para a sua angulação, para
simular o comportamento de um fêmur humano. Segundo a norma, os ângulos devem
ser de α=10˚ e β=9˚, com 0,30’ e 1˚ de tolerância respectivamente, Figura 14, e o
nível de embutimento coincidir com um caso real de substituição total ou parcial da
articulação do quadril.
Figura 14 - Posicionamento segundo a norma ABNT NBR ISO 7206-6 Fonte - ABNT NBR ISO 7206-6 (2004)
Com o intuito de garantir o correto posicionamento da haste femoral, foi
projetado e fabricado em uma impressora 3D, Figura 15, um molde para fixação. A
haste femoral era encaixada no gabarito e colocada no interior do tubo preenchido
com concreto, onde após 72 horas para a cura do concreto, garantia-se o
engastamento correto da haste, como pode ser visto na Figura 16.
33
Figura 15 - Gabarito para posicionamento das hastes Fonte - Autoria Própria
Figura 16 – Antes de depois do embutimento Fonte - Autoria Própria
3.2. ENSAIO DE FLEXO-TORÇÃO QUASE-ESTÁTICO
O ensaio de flexo-torção é um tipo de ensaio mecânico destrutivo pois provoca
a inutilização parcial ou total do corpo de prova ensaiado, e neste trabalho pode ser
considerado quase-estático devido a carga ser aplicada de maneira lenta a induzir
uma sucessão dos estados de equilíbrio (LOPES, 2014).
Os ensaios foram realizados utilizando velocidade de 2 mm/min, como afirma
a norma ASTM D3039 para compósitos. O equipamento utilizado, ilustrado na Figura
17, foi a máquina universal de ensaio da Time Group Inc., modelo WDW-100E, no
34
Laboratório de Estudo de Materiais e Ensaios (LEME) da Universidade Tecnológica
Federal do Paraná, câmpus Cornélio Procópio.
Figura 17 - Ensaio de flexo-torção quase – estático Fonte - Autoria própria
3.3. DISPOSITIVO DE FIXAÇÃO PARA HASTE FEMORAL
Segundo Almeida (2016), após concluir a fabricação dos corpos de prova,
houve a necessidade de projetar e fabricar um dispositivo que garantisse uma melhor
fixação das hastes femorais. O dispositivo fabricado por Almeida (2016) era composto
por duas partes, uma superior e outra inferior, mostradas na Figura 18. A seção inferior
tem o intuito de garantir que o conjunto haste/concreto estivesse engastado na parte
inferior da máquina de ensaio e não houvesse deslocamento em nenhuma direção. E
a seção superior, formada pela pista de rolamento, acetábulo e rolamento, tem como
finalidade a fixação na parte superior da máquina, porém deveria estar livre para
movimentar-se horizontalmente durante o experimento.
35
Figura 18 - Primeiro dispositivo de fabricação feito por Almeida (2016) Fonte - Almeida (2016)
No entanto, após os primeiros testes, a parte inferior do dispositivo fabricado
por Almeida (2016) não se comportou como o esperado, apresentando um
deslocamento durante a flexo-torção da haste. Portanto, utilizando como base o
dispositivo anterior, foi desenvolvido e fabricado, Figura 19, uma nova parte inferior
com a ajuda de Almeida (2016), onde essa nova parte é maciça e comportou-se
melhor durante os ensaios.
Figura 19 - Montagem do desenho 3D e do suporte pronto Fonte - Autoria própria
36
3.4. PROJETO DE UM MOLDE PARA MÚLTIPLOS NÚCLEOS
O desenvolvimento do molde para múltiplos núcleos tem como principal
objetivo a melhoria da fração volumétrica de fibra de vidro no compósito, com um
aumento da quantidade de fibra em relação a matriz polimérica. Além disto, o molde
proporcionará a otimização do processo de fabricação destes núcleos, visando
fabricar seis núcleos simultaneamente em um processo manual. Projeta-se este
molde por meio do software computacional SolidWorks, conforme o modelo mostrado
na Figura 20, para fabricação em impressora 3D. Com a adição de um eixo no centro
do molde, será acoplado uma manivela que permitirá um movimento rotacional do
molde, que por sua vez será preenchido por diversas camadas de fibra de vidro.
Figura 20 - Modelo 3D do molde para múltiplos núcleos Fonte - Autoria Própria
O molde será alimentado por fibra de vidro banhada na resina de poliuretana
aquecida, e assim o movimento rotacional irá preencher a cavidade. No final, a
retirada dos núcleos será feita desmontando o molde conforme mostra a Figura 21.
37
Figura 21 - Cavidade e partição do molde para múltiplos núcleos Fonte - Autoria Própria
A otimização do processo de fabricação por meio deste molde tem como
motivação os seguintes critérios:
• Diminuição no tempo de produção;
• Praticidade na fabricação;
• Aumento da quantidade de camadas de fibras;
• Padronização dos núcleos.
38
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1. MEDIÇÕES COM MICROSCÓPIO DIGITAL
As medições das alturas de embutimento e os ângulos das hastes femorais
segundo a norma ABNT NBR ISO 7206-4 estão registrados na Tabela 6. Os dados
foram tabulados para cada tipo de haste, também foram analisados a média e o desvio
padrão para as medições.
Tabela 6 - Medições das hastes femorais
Nome Tipo D [80 mm] ! [10˚] " [9˚]
Haste 2 FV - 16 80,144 9,310 9,820 Haste 3 Sem Núcleo 84,085 9,367 8,915 Haste 4 Sem Núcleo 82,772 9,031 9,039 Haste 5 FV - 16 + CaCO3 87,151 8,300 9,002 Haste 6 FV - 8 86,713 8,310 8,746
Média 84,173 8,864 9,104 Desvio P. 2,895 0,526 0,416
Fonte - Autoria Própria.
Observou-se que a média das alturas de engaste foi de 84,173 mm, contendo
uma diferença de cerca de 5% do valor definido pela norma, D = 80mm. Ainda, os
valores medidos para α são aceitáveis para as hastes 2, 3 e 4; porém, as hastes 5 e
6 estão fora dos parâmetros que a norma define, α = 10˚ ± 1˚. Já o angulo β apresentou
uma ótima média, considerando que os valores para este ângulo estão dentro da
margem de erro especificada pela norma, β = 9˚ ± 1˚.
É importante verificar as medidas de alturas e dos ângulos, pois estas
medidas influenciam diretamente nos resultados obtidos para carga máxima
suportada, em virtude do aumento ou diminuição da distância da linha de ação da
força ao engastamento da haste, conforme Figura 22.
39
Figura 22 – Ilustração da influencia dos ângulos e alturas na carga máxima suportada Fonte - Adaptado de Almeida (2016)
As discrepâncias nos valores podem ser justificadas por problemas com
relação ao encaixe das hastes no molde devido ao corpo das hastes possuírem
pequenas diferenças em suas espessuras; pela secagem de parte da água que
constituía o concreto durante a cura, reduzindo assim o seu volume final; ou por erro
sistemático observacional durante as medições utilizando o microscópio digital,
causado pelo efeito de paralaxe durante a leitura.
4.2. ENSAIOS EXPERIMENTAIS QUASE-ESTÁTICOS
4.2.1. Ensaio da haste femoral segundo a norma ABNT NBR ISO 7206-4
Utilizando a máquina universal de ensaio da Time Group Inc., modelo WDW-
100E, ensaiaram-se cinco hastes de implante de quadril de quatro diferentes tipos,
sem núcleo, reforçada com 8 camadas de fibra, reforçada com 16 camadas de fibra e
40
reforçada com 16 camadas de fibra com 30% CaCO3, utilizando os dispositivos de
fixação mostrados nas Figuras 18 e 19. Os dados de carga máxima de cada tipo de
haste podem ser analisados na Tabela 7.
Tabela 7 - Valores encontrados nos ensaios das hastes femorais - ISO 7206-4
Relação Carga-Deslocamento
Resultados Ensaio conforme a ISO 7206-4
Carga Máxima [N] Deslocamento até a Carga Máxima [mm]
Sem Núcleo 615,03 10,86 8 camadas F.V. 767,18 14,34 16 camadas F.V 871,46 7,72
30% CaCO3 + 16 camadas F.V. 922,54 9,42 Fonte - Autoria Própria.
Observou-se que as cargas máximas suportáveis pelas hastes aumentam de
acordo com o aumento do reforço, o que já era esperado. No entanto, os valores
continuam muito aquém do exigidos para a confecção de uma haste femoral segundo
a literatura. O valor médio aplicado na junta do quadril é cerca de 238% do peso
corporal, podendo chegar a picos de até 10 vezes o peso corporal durante saltos,
como afirmam Bergmann et al (2001) e Ramakrishna et al. (2000).
Silvestre Filho (2006) também realizou ensaios em uma haste femoral
fabricada com poliuretana sem o reforço de um núcleo segundo a norma ABNT NBR
ISO 7206-4, a carga máxima suportada durante os ensaios de flexo-torção foi de
aproximadamente 750 N e um deslocamento igual a 7,5 mm. O valor encontrado neste
trabalho para a mesma configuração de haste foi de cerca de 615 N para o
carregamento e 10,86 mm para o deslocamento no carregamento máximo.
A análise do comportamento mecânico das hastes durante o ensaio pode ser
observada nos seguintes gráficos de Carga versus Deslocamento. No geral, as hastes
apresentaram um comportamento dúctil e não apresentaram ruptura ou
desprendimento entre o núcleo e o perfil externo fabricado somente de poliuretana.
Observa-se no comportamento dos resultados obtidos, que uma explicação
para obtenção de valores abaixo do esperado é a falta de rigidez dos dispositivos de
fixação. Para ilustrar, observou-se o esmagamento do acetábulo pela esfera nas
hastes 2 e 3, causando interferência na transmissão de carga, como pode ser
analisado nas Figuras 23 e 24.
41
Figura 23 - Carga x Deslocamento - Haste femoral com 16 camadas de F.V. Fonte - Autoria Própria
Com a remoção do acetábulo, nota-se nas hastes 4, 5 e 6, presentes nas
Figuras 24, 25 e 26, um comportamento mais estável. Porém, o desnivelamento da
mesa superior durante os experimentos, onde conectava-se o acetábulo/esfera à
máquina de ensaios, causado pelo momento gerado pela posição de ensaio da haste,
pode ter atuado como um causador da falta de rigidez apresentada nos resultados.
Figura 24 – Carga x Deslocamento - Haste femoral sem núcleo Fonte - Autoria Própria
A falta de rigidez da máquina também pode ter influenciado nos resultados.
Se a máquina não é rígida suficiente, haverá uma transmissão dos esforços impostos
00,10,20,30,40,50,60,70,80,91
0 5 10 15 20 25
Car
ga [K
N]
Deslocamento [mm]
Haste femoral com 16 camadas de F.V.
Haste2
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 5 10 15 20 25
Car
ga [k
N]
Deslocamento [mm]
Haste femoral sem núcleo
Haste3
Haste4
42
pelo corpo de prova para a própria máquina causando uma deformação elástica em
ambos, podendo assim, interferir na coleta de dados (SILVESTRE FILHO, 2001).
Como pode-se analisar no Figura 25, a haste 5 foi a que obteve melhor
resultado seguindo as diretrizes da norma ABNT NBR ISO 7206-4. Este fato deve-se
a presença de CaCO3 na composição da haste, que assim como a fibra de vidro, age
como reforço à matriz polimérica.
Figura 25 – Carga x Deslocamento - Haste femoral com CaCO3 e 16 camadas de F.V. Fonte - Autoria Própria
Figura 26 – Carga x Deslocamento - Haste femoral com 8 camadas de F.V. Fonte - Autoria Própria
00,10,20,30,40,50,60,70,80,91
0 5 10 15 20 25
Car
ga [K
N]
Deslocamento [mm]
Haste femoral com CaCO3 e 16 camadas de F.V.
Haste5
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
0 5 10 15 20 25
Car
ga [K
N]
Deslocamento [mm]
Haste femoral com 8 camadas de F.V.
Haste6
43
Durante os ensaios não houve falha das hastes por ruptura. Os ensaios foram
realizados até a esfera entrar em contato com o corpo das hastes, este fato interferiria
na coleta de resultados, o que resultou na finalização do ensaio.
4.2.2. Ensaio da haste femoral segundo a norma ABNT NBR ISO 7206-6
Utilizando a máquina universal de ensaio da Time Group Inc., modelo WDW-
100E, ensaiaram-se quatro diferentes tipos de hastes femorais de acordo como já foi
mencionado e está especificada na Tabela 8. Para a realização dos ensaios foram
usados os dispositivos de fixação fabricados, Figuras 18 e 19, e as próteses foram
posicionadas e fixadas conforme a norma ABNT NBR ISO 7206-6. Os dados
coletados nos ensaios foram registrados na Tabela 8.
Tabela 8 - Valores encontrados nos ensaios das hastes femorais - ISO 7206-6
Relação Carga-Deslocamento
Resultados Ensaio conforme a ISO 7206-6
Carga Máxima [N] Deslocamento até a Carga Máxima [mm]
Sem Núcleo 911,90 4,67 8 camadas F.V. 767,18 4,29 16 camadas F.V. 1043,84 8,34 30% CaCO3 + 16 camadas F.V. 1739,73 5,07
Fonte - Autoria Própria.
A haste sem núcleo foi a única na qual houve a ruptura total do pescoço
durante os ensaios, Figura 27. Ainda, os valores obtidos tanto para a carga máxima,
quanto para o deslocamento foram superiores aos comparados com das hastes
fixadas de acordo com a norma anterior, Figura 28. Sendo que a carga máxima
suportada obteve um aumento de cerca de 50% e o deslocamento atingindo na carga
máxima foi reduzido em 57%.
44
Figura 27 – Ruptura do pescoço na haste femoral sem núcleo Fonte – Autoria Própria
Figura 28 – Carga x Deslocamento - Haste femoral sem núcleo Fonte - Autoria Própria
Os valores de carga máxima suportadas neste grupo de hastes foram
maiores, entretanto, ainda estão abaixo dos indicados na literatura. Diferentemente
dos resultados obtidos no ensaio segundo a norma ISO 7206-4, na qual os valores
obtidos para carga máxima obedecem um aumento conforme o reforço, este
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 2 4 6 8 10 12
Carga(kN)
Deslocamento(mm)
Haste femoral sem núcleo
45
comportamento não se aplica para os valores obtidos neste ensaio para carga máxima
suportada. Teoricamente, a haste reforçada com 8 camadas de fibra de vidro, devido
a este reforço, deveria suportar uma carga máxima maior que a haste sem núcleo,
conforme pode ser visto na Tabela 8.
Já a haste femoral reforçada com 8 camadas de fibra de vidro, Figura 29,
obteve resultados inferiores, com relação a carga suportada, nos ensaios segundo a
norma ISO 7206-6. Os valores de carga máxima foram idênticos ao obtidos com os
ensaios da a norma ISO 7206-4, no entanto, o deslocamento diminui de 14,34 mm
para 4,29 mm, ou seja, uma diminuição de 3,3 vezes o seu valor, quando comparado
os resultados das hastes com as mesmas quantidades de fibras e engastadas
segundo as normas supracitadas.
Figura 29 - Carga x Deslocamento - Haste femoral com 8 camadas de F.V. Fonte - Autoria Própria
A haste femoral reforçada com 16 camadas de fibra de vidro, Figura 30,
apresentou um aumento da carga suportada de 871,45 N para 1043,84 N, cerca de
17%, comparando os resultados de ensaios entre as duas normas, ou seja, a forma
de fixação. Por outro lado, houve um aumento do deslocamento até a carga máxima,
de 7,72 mm para 8,34 mm, quando comparado com a outra norma utilizada neste
trabalho, cerca 13%.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 5 10 15 20 25
Carga(kN)
Deslocamento(mm)
Haste femoral com 8 camadas de F.V.
46
Figura 30 – Carga x Deslocamento - Haste femoral com 16 camadas de F.V. Fonte - Autoria Própria
Por último, a haste femoral com reforço de 30% de CaCO3 e 16 camadas de
fibra de vidro, Figura 31, obteve os melhores resultados nos ensaios utilizando esta
norma, alcançando um valor de carga máxima de 1739,73 N, 88% maior ao
comparado com o valor encontrado de 922,54 N obtidos na outra norma, e
deslocamento de 5,07 mm até a carga máxima.
Figura 31 – Carga x Deslocamento - Haste femoral com CaCO3 e 16 camadas de F.V. Fonte - Autoria Própria
00,10,20,30,40,50,60,70,80,91
1,1
0 5 10 15 20 25
Carga(kN)
Deslocamento(mm)
Haste femoral com 16 camadas de F.V.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0 5 10 15 20 25
Carga(kN)
Deslocamento(mm)
Haste femoral com CaCO3 e 16 camadas de F.V.
47
Assim como ocorreu no primeiro tipo de ensaio, as influências no
comportamento dos resultados obtidos se dão devido à falta de rigidez, do dispositivo
de fixação; à interferência na transmissão de carga devido ao escorregamento
apresentado entre o pescoço e a esfera; e à resistência ao deslocamento horizontal
dos elementos rolantes do mancal axial colocado entre a pista de rolamento e a esfera
acoplada à haste a ser ensaiada.
Os ensaios foram conduzidos até a ruptura total ou parcial dos pescoços das
hastes femorais. Como foi dito anteriormente, o único caso de ruptura total aconteceu
na haste que não continha núcleo, como pode ser observado na Figura 27. O núcleo,
formado por fibra de vidro e poliuretana, mostrou-se mais resistente quando
comparado ao perfil externo formado apenas pela poliuretana, evitando assim, a
ocorrência da fratura total da haste femoral. Nos três tipos de hastes que possuíam
núcleo houveram apenas o descolamento do perfil externo, sendo que o núcleo
permaneceu ileso, Figura 32 e 33.
Figura 32 - Ilustrações do descolamento do perfil externo Fonte - Autoria Própria
48
Figura 33 - Fratura do invólucro da haste e integridade física do núcleo Fonte - Autoria Própria
4.3. MOLDE PARA MÚLTIPLOS NÚCLEOS
Com o intuito de projetar um molde para a fabricação de múltiplos núcleos,
propõem-se um modelo para ser produzido via impressora 3D. Com esse projeto
intenta-se atender os requisitos de projeto desses núcleos, ou seja, melhorar a fração
volumétrica de fibra em relação à fração volumétrica de matriz. Assim, a produção
passará de um núcleo para a fabricação de 6 simultaneamente, neste molde há uma
cavidade a qual será preenchida por fibras impregnadas de resina para a formação
do núcleo. O molde será bipartido, o que facilitará a remoção dos núcleos após a sua
produção. O preenchimento do molde se dará por meio de movimentos circulares de
uma manivela acoplada a um eixo central chavetado encaixado no centro do molde.
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5. CONCLUSÃO
Neste presente trabalho, apresentou-se a fabricação do gabarito de
posicionamento de hastes femorais no sistema de engastamento, para realização de
ensaios conforme as normas ABNT NBR ISO 7206-4 e ABNT NBR ISO 7206-6.
Também foi projetado e desenvolvido os dispositivos de fixação utilizados nos ensaios
de solicitação mecânicas das próteses. Por consequência de falhas e muitas
dificuldades na produção dos núcleos, resolveu-se projetar um molde para fabricação
de múltiplos núcleos.
Os moldes utilizados para o posicionamento das hastes femorais
desempenharam a função para o qual foi projetado, tendo obtido os valores de
ângulos e de distâncias dentro dos limites aceitáveis pelas normas propostas, com
exceção do ângulo α das hastes 5 e 6, aproximadamente α = 8,3˚, que apresentou
valor menor que o especificado α = 10˚ ± 1˚.
O dispositivo de fixação inferior atendeu as expectativas, não permitindo o
movimento do conjunto haste e concreto em nenhuma direção. Porém o dispositivo
de fixação superior, composto pela pista de rolamento e o mancal axial, apresentou
um desempenho ineficiente. Durante o ensaio, a pista de rolamento exibiu um
desnivelamento, sendo necessário alguns ajustes temporários, a qual também
apresentou resistência ao rolamento no aplicador de carga, devido ao atrito presente
entre o mancal axial e a pista de rolamento. Estes problemas influenciaram nos
resultados coletados, ilustrados pelos escorregamentos mostrados pelos gráficos
apresentados.
Durante os ensaios sob flexo-torção, a haste reforçada com carbonato de cálcio e 16 camadas de fibra suportou 1739,73 N, nos ensaios conforme a norma ABNT NBR ISO 7206-6 sendo próximo ao valor médio aplicado na junta do quadril, cerca de 238% do peso corporal ou cerca de 1900 N. Apesar de estar um pouco abaixo do exigido pela literatura, os resultados são promissores, pois, como esperávamos, houve um aumento na carga máxima suportada juntamente com o aumento do reforço utilizado nas hastes.
Finalmente, projetou-se um molde para múltiplos núcleos no qual visa atender
os requisitos de projeto, ou seja, um molde que fabricasse vários núcleos
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simultaneamente visando a melhoraria da fração volumétrica de fibra em relação a
matriz, bem como facilitasse o processo e uniformizasse os núcleos.
Como sugestões para trabalhos futuros propõem-se a melhoria do modelo da
prótese, a fabricação do molde para produção de múltiplos núcleos e a verificação da
fração volumétrica de fibra em relação matriz obtidas através da utilização do molde
para múltiplos núcleos.
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