PROJECTO DE UM DISPOSITIVO MECÂNICO PARA A REALIZAÇÃO DE ENSAIOS ESTÁTICOS E DINÂMICOS DE REFORÇOS ACETABULARES

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1 PROJECTO DE UM DISPOSITIVO MECÂNICO PARA A REALIZAÇÃO DE ENSAIOS ESTÁTICOS E DINÂMICOS DE REFORÇOS ACETABULARES P. M. A. Talaia*, C. Relvas*, L. Almeida**, J. Salgado** e J. A. Simões* * Departamento de Engenharia Mecânica Universidade de Aveiro Aveiro [ptalaia, crelvas, simoes]@mec.ua.pt, web ** L. A. Medical Fabricantes de Instrumentos Cirúrgicos, Lda Albergaria-a-Velha lamedical@mail.telepac.pt Palavras-chave: Reforço Acetabular, Método dos Elementos Finitos, Rigidez, Resistência. Resumo. A realização de ensaios estáticos e dinâmicos é uma necessidade para caracterizar materiais e estruturas, permitindo designadamente determinar propriedades estruturais intrínsecas de componentes. A rigidez e a resistência são, entre outras características mecânicas, as mais avaliadas. Neste trabalho, descreve-se a concepção e projecto, baseado em ferramentas informáticas de desenho assistido por computador e método dos elementos finitos, de um dispositivo mecânico desenvolvido especificamente para a realização de ensaios estáticos e dinâmicos de reforços acetabulares que são comummente usados na medicina ortopédica. A modularidade do dispositivo foi um dos requisitos de projecto para permitir, selectivamente, diferentes graus de liberdade ao reforço acetabular a ensaiar. Após uma análise numérica prévia do reforço acetabular, que consistiu na determinação das regiões do implante mais susceptíveis de fractura, projectou-se e fabricou-se um dispositivo de ensaios. Este dispositivo foi projectado de forma a permitir, ou não, a fixação dos dois braços orientados perpendicularmente ao braço de fixação. Diversos ensaios mecânicos foram realizados com reforços acetabulares de titânio e as suas propriedades de rigidez determinadas. As zonas de fractura observadas foram iguais às obtidas com o modelo numérico. 1

2 1. INTRODUÇÃO É extremamente importante a realização de ensaios estáticos e dinâmicos para a caracterização de materiais e estruturas, permitindo por exemplo a determinar as propriedades estruturais intrínsecas de componentes. A rigidez e a resistência são, entre outras características mecânicas, as mais avaliadas no que diz respeito ao comportamento estrutural de componentes. Os ensaios de fadiga, por sua vez, permitem determinar a vida útil de determinado componente sob uma gama de solicitações cíclicas. Os dispositivos ortopédicos, nomeadamente os implantáveis, são obrigatoriamente sujeitos a diversos tipos de ensaios, quer aos materiais de que são constituídos, quer à sua própria estrutura, normalmente em ambientes agressivos que simulam as condições fisiológicas. São diversos os traumatismos que podem ser tratados com o recurso a reforços acetabulares (RA) (figura 1). Existem disponíveis no mercado diversos tipos de RA, como o do tipo de Kerbul e outros. No estudo realizado por Hamadouche and Kerboull [1, 2], estes mostraram que a reconstituição alográfica com recurso ao RA a longo prazo pode ser feita de forma satisfatória. Outras técnicas recorrem, como por exemplo, a trama (rede acetabular) de arame ou ao anel do parafuso (Eichler ou de Müller) (ver Herentjens et al. [3]) ou cúpula metálica, ou a combinação destes. Nestas técnicas, juntando trama de arame com o anel de Eichler é possível aumentar a capacidade de carga em cerca de 75%. A combinação entre estes implantes podem ainda aumentar a capacidade de carga em mais 45%. O objectivo deste trabalho consistiu na concepção e fabrico de um dispositivo de ensaios para determinar as características mecânicas de RA de titânio como o ilustrado na figura 1. Figura 1. Reforço acetabular. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Devido há inexistência de ensaios normalizados relativamente a este tipo de implantes ortopédicos, e havendo a necessidade de determinar a integridade estrutural dos mesmos, projectou-se um equipamento específico para realizar ensaios estáticos e dinâmicos. Foi feita a modelação CAD do dispositivo para realizar os ensaios mecânicos em tracção. A geometria 2

3 e dimensionamento do dispositivo foram definidos tendo por base os resultados obtidos da simulação numérica pelo método dos elementos finitos previamente feita. A rigidez do RA foi considerada como um dos parâmetros mais críticos de projecto. Neste sentido, o dispositivo foi projectado de modo que a sua estrutura não sofresse deformações significativas (especialmente em ensaios de fadiga) e que tivesse a resistência estrutural mínima. A simulação numérica do RA forneceu os dados necessários, como a deformação e tensão equivalente máximas na direcção vertical após fractura (direcção da força aplicada) e o respectivo valor da força. A figura 2 ilustra o modelo CAD do RA enquanto que a figura 3 mostra o modelo CAD do dispositivo de ensaios construído e utilizado nos ensaios. Para realizar os ensaios, o dispositivo era fixo à base de uma máquina universal de ensaios de tracção através de 4 parafusos. O RA, por sua vez, era fixo por diversos parafusos, como se pode verificar pela figura 3. O braço mais largo era fixo através de quatro parafusos M4. O braço oposto a este, aqui designado de braço de fricção era restringido de movimento vertical, possibilitando contudo o seu escorregamento. O dispositivo foi concebido para possibilitar a necessária flexibilidade no que concerne à fixação dos outros dois braços. Figura 2. Modelo CAD do RA. Figura 3. Modelo CAD do conjunto do dispositivo de ensaios. 3

4 2.1. Análise Computacional Os campos de tensões de von Mises do RA e do dispositivo foram determinados através de simulações numéricas com o método dos elementos finitos, usando para o efeito a aplicação CosmosWorks. Todas as peças foram simuladas usando elementos tetraédricos do tipo linear. A figura 4 ilustra a malha de elementos finitos do RA Tensão de rotura do RA Estimou-se a tensão de rotura do RA em titânio (módulo de elasticidade = 110GPa, coeficiente de Poisson = 0.3; tensão de cedência = 140MPa e Tensão máxima = 245MPa). Para determinar estas tensões, considerou-se o RA sob diversas cargas incrementais de tracção, obtendo um valor de força da ordem de 10kN. As condições de carregamento e fixação foram análogas às do ensaio, mas não foi possível simular com a aplicação numérica utilizada o efeito de escorregamento, tendo naturalmente sobre estimado a carga de rotura. Todavia, a importância em saber a carga de rotura do implante prendia-se com a necessidade projectar convenientemente o dispositivo de ensaios, tendo em mente que o mesmo será utilizado em ensaios de fadiga. Figura 4. Malha dos elementos finitos do RA. A figura 5 ilustra a distribuição das tensões von Mises do implante. Esta distribuição permitiu aferir as regiões de maior concentração de tensões e consequentemente de maior probabilidade de fractura. 4

5 Figura 5. Distribuição das tensões von Mises Dimensionamento do dispositivo de ensaios Como foi anteriormente referido, o dispositivo de ensaios foi também analisado através do método dos elementos finitos. A figura 6 ilustra a malha das diferentes peças da estrutura de ensaios e do RA. Conforme mostram as figuras 7 e 8, os níveis de tensão e deformação são comparativamente inferiores, praticamente nulos, relativamente aos verificados no RA. Deste modo, o sistema projectado garantia a necessária rigidez e resistência para não influenciar os resultados dos ensaios do RA nem comprometer estruturalmente o mesmo. Figura 6. Malha dos elementos finitos do dispositivo de ensaios. 5

6 Figura 7. Campo de tensões equivalentes de von Mises. Figura 8. Campo de deformações equivalentes. Figura 9. Dispositivo de ensaios. 6

7 Após o dimensionamento do dispositivo, procedeu-se ao seu fabrico. As peças foram maquinadas em aço F10 (F. Ramada). A figura 9 ilustra o dispositivo montado, bem como alguns pormenores Ensaios mecânicos Na figura 10 ilustra-se o gráfico de força versus deslocamento referente aos ensaios realizados, considerando os braços laterais com ou sem movimento restringindo Força [kn ] deslocamento [mm ] Figura 10. Gráficos força versus deslocamento dos ensaios realizados. Dos ensaios realizados, verificou-se que os RA partiam sempre por um dos braços laterais fixados pela parafuso (figura 11), que aliás foi previsto na simulação numérica (figura 5). Como era previsível, a força máxima do RA ensaiando com o braço de fricção livre foi menor. Esta situação simulada será porventura mais próxima de uma situação in vivo, embora se deva realçar que o efeito do suporte ósseo, que sempre existe, não foi tido em consideração no projecto. Uma segunda fractura ocorreu no braço fixo por quatro parafusos. A figura 12 ilustra um RA fracturado. 3. CONCLUSÕES O trabalho apresentado neste artigo mostra a importância dos estudos numéricos para a concepção e projecto de sistemas mecânicos, neste caso um sistema para realizar ensaios estáticos e de fadiga quando não existe normalização adequada. O estudo mostrou-se particularmente útil para determinar as características mecânicas dos RA, tendo os ensaios realizados evidenciado zonas de fractura semelhantes aos previstos numericamente. O dispositivo concebido também se mostrou adequado, relativamente à sua rigidez e resistência. No que diz respeito a ensaios de fadiga, serão necessários realizar alguns para aferir da fiabilidade do equipamento projectado. Relativamente aos resultados dos ensaios realizados, foi possível determinar uma força máxima da ordem de 10kN. Deve-se evidenciar que os RA foram ensaiados em condições 7

8 muito mais adversas que uma hipotética situação in vivo. 2 a Fractura 1 a Fractura Figura 11. Fracturas típicas dos RA. REFERÊNCIAS Figura 12. Fractura de um RA depois de ensaiado. [1] M. Kerboull, M., M. Hamadouche, M. e L. Kerboull, The Kerboull acetabular reinforcement device in major acetabular reconstructions, Clin Orthop, 378, (2000). [2] M. Kerboull, M., M. Hamadouche, M. e L. Kerboull, The Kerboull acetabular reinforcement device in major acetabular reconstructions, Am Acad of Orthop Surg, Feb 28 Mar 4, San Francisco, CA (2001). [3] P. Herentjens, H. De Boeck, F. Handelberg e L. Kerboull, L. et al., Cemented acetabular reconstruction with the Müller support ring, Clin Orthop, 290, (1991). 8