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.

51

6. REFERÊNCIAS

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