Comportamento do osso cortical submetido a processos de furação Hugo Alexandre Simão Lúcio Relatório Final do Trabalho de Projeto apresentado à Escola Superior de Tecnologia e Gestão Instituto Politécnico de Bragança para obtenção do Grau de Mestre em Tecnologia Biomédica Orientador: Professora Elza Maria Morais Fonseca novembro 2015 Agradecimentos Quero agradecer a todas as pessoas que me acompanharam ao longo do meu percurso académico. Em particular, à minha orientadora, Professora Doutora Elza Maria Morais Fonseca pelo apoio, disponibilidade, dedicação e organização durante a realização da dissertação. Agradeço também todos os conhecimentos que me transmitiu no decorrer deste trabalho. À engenheira Luísa Barreira, ao engenheiro Jorge Meireles e a engenheira Goreti Fernandes deixo aqui os meus agradecimentos pelo apoio e disponibilidade durante os ensaios experimentais e toda a dedicação. Finalmente quero agradecer aos meus pais por todo o apoio que me deram ao longo desta fase da minha vida. ii iii Resumo O principal objetivo deste estudo é avaliar o desenvolvimento da necrose térmica e/ou desgaste ósseo durante um processo de furação em materiais compósitos com estrutura similar ao tecido ósseo cortical. As fases de trabalho contemplam a leitura do campo de temperaturas nos modelos biomecânicos através de um processo de furação, o campo de deformações através da utilização da extensometria, leitura da temperatura gerada na broca após o processo de furação através de imagens termográficas e análise térmica e mecânica a partir de um modelo de elementos finitos. Foram tomadas considerações sobre a escolha dos biomateriais, dimensões do modelo e do processo de furação tendo em conta diversas variáveis, como a velocidade, diâmetro e comprimento da broca. Com este trabalho, utilizando um procedimento experimental e numérico, pretende-se verificar a interação entre a alteração da velocidade de avanço com a mesma velocidade de rotação e diâmetro de broca, no aumento da temperatura e de deformações no tecido cortical em estudo. Os métodos experimentais utilizados em laboratório são baseados nas técnicas de termografia, extensometria e aplicação de termopares durante a furação dos materiais compósitos. Numericamente, são utilizados modelos teóricos, mecânico e térmico, com o recurso à técnica de elementos finitos, para a discussão de resultados. Após a elaboração do presente trabalho conclui-se que a temperatura na broca é superior para uma menor velocidade de avanço. O aumento da velocidade de avanço provoca um decréscimo da temperatura, ou seja, as temperaturas no material são mais elevadas para uma velocidade de avanço inferior. Verificou-se ainda que as temperaturas nos termopares a uma mesma distância da furação são inferiores às temperaturas registadas em distâncias diferentes. Com a diminuição da temperatura as tensões também diminuem, isto é, para uma velocidade de avanço superior as tensões à superfície do material e próximas da furação são inferiores. Palavras-Chave: Temperatura, Deformações, Termografia, Extensómetros,Termopares, Elementos finitos. iv v Abstract The primary main objective of this study is to assess the development of thermal necrosis and / or bone wear during a drilling process in composite materials with similar structure to the cortical bone. The working steps include the reading of the temperature field in the biomechanical models through a drilling process, the strain field by using strain gages, temperature reading generated in the drill after drilling the process through and thermographic images collected by thermal analysis and a mechanical analysis using from a finite element model. Considerations have been taken on the choice of biomaterials, model dimensions, and drilling process taking into account several variables such as speed, diameter and length of the drill. This work intends to verify, experimental and numerically, the interaction between the same feed rate and different rotational speeds, with the same cut drill, in the tissue temperature and strain field formation. To this end, composite materials are used with similar characteristics to the cortical bone, with equal densities. The experimental methods used in the laboratory are based on thermography techniques, thermocouples and strain gages used during the drilling of different composite materials. Numerically, theoretical models are used with the finite element technique for the discussion of results. After the preparation of this work is concluded that the temperature in the drill is higher to a lower feed rate. The increase in feed rate causes a decrease in the temperature, i.e., temperatures of the material are higher to a lower feed rate. The temperatures in the thermocouples at the same distance from the hole are lower than the temperatures recorded at different distances. It was found that with decreasing temperature, the stress also decreases, i. e., to a higher feed rate, the surface and the hole surrounding have lower stresses. Keywords: Temperature, Strain, Thermography, Extensometers, Thermocouples, Finite elements. vi vii Conteúdo Agradecimentos ............................................................................................................. iii Resumo ............................................................................................................................ v Abstract ......................................................................................................................... vii Conteúdo ........................................................................................................................ ix Lista de abreviaturas ................................................................................................... xiii Lista de tabelas ............................................................................................................ .xv Lista de figuras............................................................................................................xvii Capítulo 1 ........................................................................................................................ 1 Introdução ..................................................................................................................... 1 1.1 Contextualização e Objetivos ......................................................................... 1 1.2 Organização dos Capítulos ............................................................................. 2 Capítulo 2 ........................................................................................................................ 3 Revisão Bibliográfica ................................................................................................... 3 2.1 Tecido ósseo ................................................................................................... 3 2.2 Propriedades térmicas do osso cortical ........................................................... 4 2.3 Comportamento mecânico do osso ................................................................. 5 2.4 Envelhecimento do osso ................................................................................. 6 2.5 Processo de furação ...................................................................................... ..6 2.5.1 Geração de calor no osso devido à deformação plástica ....................... ..6 2.5.2 Geração de calor no osso devido a fricção ............................................ ..7 2.6 Fatores que afetam a geração de calor.............................................................8 2.6.1 Tempo de exposição .............................................................................. ..8 2.6.2 Temperatura inicial da broca ................................................................. ..8 2.6.3 Efeito da velocidade de avanço ............................................................. ..9 viii 2.6.4 Efeito da velocidade de rotação ............................................................ ..9 2.6.5 Efeito do arrefecimento com irrigação .................................................. 10 2.6.6 Efeito da condição da broca .................................................................. 11 2.6.7 Efeito do ângulo da hélice da broca ...................................................... 11 2.7 Extensometria................................................................................................12 2.7.1 Extensómetros ....................................................................................... 12 2.7.2 Tipos de extensómetros ......................................................................... 14 2.7.3 Critério de seleção dos extensómetros .................................................. 15 2.7.4 Sistema de medição ............................................................................... 15 2.7.5 Definições das grandezas utilizadas na extensometria .......................... 16 2.7.5.1 Deformação ............................................................................... 16 2.7.5.2 Tensão ........................................................................................ 17 2.7.5.2.1 Tensão de corte ............................................................ 18 2.7.5.2.2 Tensões residuais e térmicas ....................................... 18 2.7.6 Circuitos elétricos utilizados na extensometria ..................................... 18 2.7.6.1 Circuito potenciómetro .............................................................. 19 2.7.6.2 Ponte de Wheatstone ................................................................. 19 2.7.7 Lei de Hooke para a determinação das tensões mecânicas ................... 21 Capítulo 3 ...................................................................................................................... 23 Desenvolvimento de um modelo experimental .......................................................... 23 3.1 Material e métodos ....................................................................................... 23 3.2 Resultados ..................................................................................................... 29 3.2.1 Análise da temperatura na broca ........................................................... 29 3.2.2 Análise da temperatura no material ....................................................... 31 3.2.3 Análise das deformações no material .................................................... 32 3.2.4 Comparação das deformações com a temperatura ................................ 34 ix Capítulo 4 ...................................................................................................................... 35 Desenvolvimento de um modelo numérico ................................................................ 35 4.1 Propriedades térmicas dos materiais............................................................. 35 4.2 Parâmetros da furação .................................................................................. 36 4.3 Análise térmica ............................................................................................. 37 4.4 Análise mecânica .......................................................................................... 39 4.5 Análise dos resultados numéricos vs. experimentais.................................... 40 Capítulo 5 ...................................................................................................................... 43 Conclusões e trabalhos futuros ................................................................................... 43 5.1 Conclusões .................................................................................................... 43 5.2 Trabalhos Futuros ......................................................................................... 44 Referências bibliográficas ............................................................................................ 45 Anexos ............................................................................................................................ 49 Anexo A: Desenho SolidWorks .................................................................................. 49 Anexo B: Imagens termográficas da componente experimental, Bloco 3 .................. 51 Anexo B: Imagens termográficas da componente experimental, Bloco 4 .................. 52 Anexo C: Dados dos termopares durante as furações, Bloco 3 .................................. 53 Anexo C: Dados dos termopares durante as furações, Bloco 4 .................................. 55 Anexo D: Tensões obtidas com os extensómetros, Bloco 3 ....................................... 57 Anexo D: Tensões obtidas com os extensómetros, Bloco 4 ....................................... 58 Anexo E: Relação Tensão/Profundidade, Bloco 3 ...................................................... 59 Anexo E: Relação Tensão/Profundidade, Bloco 4 ...................................................... 60 Anexo F: Componente térmica e mecânica para diferentes tempos, Bloco 3 ............ 61 Anexo F: Componente térmica e mecânica para diferentes tempos, Bloco 4 ............ 62 x