ENSAIOS DE FADIGA EM COMPONENTES DE PEQUENA DIMENSÃO

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1 ENSAIOS DE FADIGA EM COMPONENTES DE PEQUENA DIMENSÃO Tahiriny Ghizoni Kafka, Universidade Federal de Santa Catarina, Walter Lindolfo Weingaertner, Universidade Federal de Santa Catarina, Resumo. Componentes mecânicos, como implantes odontológicos, submetidos a esforços cíclicos podem romper com carregamentos bem inferiores aos necessários para sua ruptura sob carregamento estático. Além do carregamento, a geometria e o acabamento também são determinantes do número de ciclos e do carregamento que pode ser aplicado ao componente. Para evitar possíveis falhas causadas por fadiga, componentes fabricados em diversos materiais devem ser submetidos a ensaios que imitem os carregamentos em que eles serão submetidos, permitindo ao projetista assegurar que os mesmos possuem resistência suficiente para atuar em suas funções futuras e serão capazes de suportar as cargas que lhes serão atribuídas. Por se tratarem de ensaios demorados, com a intenção de diminuir o tempo de avaliação do comportamento de fadiga de implantes, foi desenvolvido um equipamento de ensaio de flexão rotativa de múltiplos eixos em paralelo, submetendo corpos de prova de pequena dimensão, apresentando um estrangulamento central de 3mm fabricados de aço ABNT 1020, a partir de uma barra trefilada com 8mm de diâmetro. Para a análise das falhas, os ensaios foram realizados sob diferentes carregamentos, aplicados na extremidade livre a uma distância preestabelecida do estrangulamento, onde é aplicada a carga por um peso. Os resultados mostram um comportamento típico de fadiga, onde o número de ciclos diminui ao aumentar o carregamento e apresenta vida infinita para carregamentos abaixo da tensão crítica. Palavras chave: Ensaio de fadiga, fratura, implante odontológico. 1. INTRODUÇÃO Objetivando atender uma demanda de qualificar implantes odontológicos em relação ao comportamento de fadiga, no escopo de um projeto cooperativo entre a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e a Universidade do Minho, em Portugal, envolvendo a área de Odontologia, Materiais e Engenharia Mecânica destas universidades, desenvolveu-se e qualificou-se um equipamento de ensaios de fadiga de flexão rotativa de múltiplos eixos. Implantes odontológicos são estruturas dispostas cirurgicamente no osso maxilar, que têm como função substituir o dente natural, desde a raiz até a coroa, quando este não exerce mais sua função de maneira satisfatória. Antigas civilizações já tentavam substituir o dente, porém, até meados do século XIX, os precursores de implantes eram bastante precários e de pouco fundamento científico, o que significa que a implantodontia é uma área recente, que começou a tomar forma no século XX (Tamura et al., 2011). Em 1946 foi desenvolvida a técnica de manipular o titânio, contudo, seu uso na odontologia foi adiado. As primeiras evidências de biocompatibilidade deste material foram observadas apenas em 1950, e somente em 1968 é que o primeiro implante de titânio foi utilizado, na era pré-osseointegração. A implantodontia osseointegrada, onde há união estável e funcional entre o osso e o titânio, começou a ser desenvolvida na década de 60 e perdura até hoje, devido ao seu sucesso (Tamura et al., 2011). Os implantes odontológicos têm se tornado mais populares, e as técnicas e equipamentos estão cada vez mais sofisticados. Eles oferecem uma solução de longo prazo para as pessoas que perderam dentes por acidente, lesão ou decadência. A importância de substituir falhas dentais resume-se em evitar possíveis problemas por ela causados, como prejudicar a capacidade de comer e falar claramente, além de impactar negativamente na estética bucal e autoestima do paciente (Anusavice, 2003). Combinado a tecnologias sofisticadas, como a cirurgia guiada por computador, os implantes dentários proporcionam segurança e rapidez aos tratamentos dos pacientes, por este e outros benefícios, eles estão se tornando a escolha de muitos. Pelo conforto e segurança, e por serem feitos de titânio, não agredindo o tecido gengival, o implante dentário é preferência em relação a outros tratamentos, incluindo próteses e pontes dentárias (Anusavice, 2003). Apesar de raras, complicações com implantes dentários podem ocorrer. Entre os problemas mais frequentes estão o insucesso na osseointegração e a fratura do implante. O êxito do mesmo depende de sua capacidade de integração com o osso circundante, que pode ser rejeitado pelo corpo por falta de biocompatibilidade, causando reação inflamatória, ou devido a erro de procedimento durante a preparação do local do implante. Em relação à fratura da liga metálica, esta pode ocorrer devido a forças cortantes excessivas ou pelo ranger de dentes (Anusavice, 2003). O índice de fratura em implantes odontológicos, apesar de ser relativamente baixo (cerca de 3,5%), tem trazido muitas complicações, tanto para o clínico, quanto para o usuário, e a razão destas complicações geralmente tem relação com o não cumprimento dos protocolos estabelecidos para a sua instalação. Tal fratura se dá, muitas vezes, devido à força oclusal e à fadiga do metal e, algumas vezes, por periimplantite. Dentre estes fatores que afetam o sucesso dos implantes, a fadiga está se tornando a mais importante (Aguiar et al.; Jeong, 2012; Karl et al., 2009). Os fatores que afetam a resistência à fratura por fadiga incluem a concentração de tensão, o tamanho do grão em relação ao tamanho do componente, a rugosidade e a condição da superfície e ambiente. Porém, esta probabilidade de

2 Tahiriny Ghizoni Kafka, Walter Lindolfo Weingaertner Ensaios de Fadiga em Componentes de Pequena Dimensão fratura por fadiga pode ser reduzida, muitas vezes, através do método de operação feito pelo clínico. Por exemplo, a inclinação do implante, o diâmetro e a altura adequados podem evitar a fadiga do material que provoca a fratura (Muroff apud Aguiar et al.; Jeong, 2012). Historicamente foram empregados uma gama de materiais, abrangendo desde o marfim até o ouro. Hoje, o material mais utilizado nos implantes dentários é o titânio e suas ligas, e estes não apresentam fenômenos de rejeição imunológica, como alguns dos demais materiais ali citados, e, além disto, possuem altaa resistência mecânica e à corrosão (Anusavice, 2003; König e Klocke, 2002). Como todo material submetido a esforços cíclicos está sujeito à falha, é necessário fazer verificações e validações da resistência que o componente possui, a fim de evitar perdas e danos, eventualmente causados pela falha ou ruptura. Ensaios de fadiga permitem investigar e prever o comportamento do componente, além de identificar quais locais estão susceptíveis a falhas, o que é muito importante para as áreas médica e odontológica, onde qualquer erro pode trazer prejuízos irreparáveis. Assim, é possível perceber que a importância dos ensaios de fadiga vem crescendo, bem como a procura por implantes. O processo de falha por fadiga apresenta uma notável dispersão de resultados e isto pode levar a uma significativa incerteza de vida em fadiga. Esta dispersão se dá em consequência da sensibilidade da fadiga e dos parâmetros de ensaio que não podem ser controlados com precisão. Incluídos nestes parâmetros estão a fabricação do componente, preparação da superfície, variáveis metalúrgicas, tensão média e frequência de ensaio (Rosa, 2002; Callister, 2005). É de extrema conveniência à odontologia, a ciência do desempenho mecânico dos implantes odontológicos, já que, por serem submetidos a diversos carregamentos, o clínico não pode antecipar tal comportamento. Diferentes procedimentos, numéricos e experimentais são realizados com o intuito de prever falhas e seus meios, abrangendo o envolvimento fundamental da biomecânica e dos biomateriais. O estudo desenvolvido compreendeu a verificação da distribuição e intensidade de tensões típicas em implantes odontológicos, a fim de conferir e prever, através dos ensaios de flexão rotativa, o comportamento biomecânico do implante ou, neste caso, dos corpos de prova. O presente trabalho visa contribuirr para o desenvolvimento pequenos componentes mecânicos, como implantes odontológicos fabricados de um metal. Para este propósito, foi avaliado o desempenho mecânico de corpos de prova de aço 1020 em ensaios de flexão rotativa. Os resultados obtidos na máquina de ensaios de múltiplos eixos permite definir a faixa de desempenho aceitável dos componentes ensaiados. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Com o objetivo de avaliar o comportamento à fadiga de componentes de pequena dimensão, como de parafusos de fixação da coroa em implantes odontológicos, foi desenvolvida uma máquina de ensaio de fadiga por flexão rotativa. Esta máquina é dotada de seis eixos paralelos acionados centralmente por um motor servo-controlado, Fig. (1). Na extremidade livre de cada eixo é fixo um corpo de prova, com dimensões próximas em um mandril autocentrante. A carga é aplicada sobre o corpo de provas por peso. Massas de até 10kg são apoiadas sobre um rolamento fixo na extremidade livre do corpo de provas. Entre o rolamento e o suporte das massas uma mola helicoidal absorve eventuais batimentos do corpo de provas. Figura 1.. Máquina de ensaio de fadiga por flexão rotativa. Os corpos de prova foram fabricados em aço ABNT 1020 trefilado, Fig. (2), com um estrangulamento à uma distância preestabelecida do ponto de aplicação de carga. Por sua resistência mecânica ser inferior à do titânio, o aço 1020 foi utilizado com o objetivo de que o corpo de prova fraturasse de maneira mais rápida, podendo-se fazer uma análise prévia de eficiência do corpo de prova e suas dimensões, do software e da máquina utilizada. Os ensaios de flexão rotativa foram realizados a 16Hz, na temperatura ambiente de 22 C. Os seis ensaios realizados simultaneamente podem ser efetuados com carregamentos iguais ou distintos em cada corpo de provas.

3 ENEBI 2015 Encontro Nacional de Engenharia Biomecânica Figura 2. Geometria do corpo de prova. Na realização dos ensaios preliminares, aplicando-se cargas de 5 a 10kg aos corpos de prova. A tensão máxima no estrangulamento do corpo de provas, de ~1415MPa, levou à quebra prematura dos corpos de prova. Para a tensão de ~705MPa, correspondente à menor carga, foram obtido mais de 10 milhões de ciclos e, portanto, considerou-se que os corpos de prova tivessem vida infinita. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Com o intuito de atender os objetivos traçados no princípio desse estudo, diferentes ensaios foram realizados, classificando-os em 6 grupos. No primeiro grupo, denominado de 1.1, os corpos de prova foram submetidos à tensão de 1060MPa. Os grupos 1.2, 1.3, 1.4, 1.5 e 1.6 correspondem às tensões 990MPa, 920MPa, 850MPa, 780MPa, e 705MPa, respectivamente. Visando apresentar graficamente a posição central dos dados (mediana) e sua tendência, promover indicativos de simetria ou assimetria dos dados, bem como mostrar os outliers ocorridos, um boxplot dos ensaios foi desenvolvido, mostrado na Fig. (3). Este tipo de gráfico permite comparar dados colocando a variável categórica lado a lado, no mesmo gráfico. No boxplot, a caixa apresenta o intervalo que contém os 50% centrais dos dados colhidos nos ensaios. O limite superior da caixa indica 75º percentil dos dados, e o limite inferior da caixa indica 25º percentil (Montgomery e Runger, 2008). Figura 3. Boxplot dos ensaios. Este boxplot salienta a divergência encontrada nos ensaios 1.3 e 1.4, fato este que difere do que ocorre com as tensões utilizadas nos demais ensaios, tanto para as elevadas, quanto para as mais baixas, onde os resultados obtidos foram mais estáveis. A Fig. (4) apresenta a curva S-N de fadiga, ou seja, de tensão versus o número de ciclos, alcançada por meio desses ensaios. Tal curva mostra certa variação no número de ciclos em relação a cada tensão correspondente e esta variação ocorre principalmente para as tensões de 920 e 850MPa (ensaios 1.2 e 1.3, respectivamente). É considerado então, em uma análise individual, que as demais dispersões ocorridas são pontos fora da curva ou tratam-se de pontos próximos à região de transição da curva, onde a vida dos corpos de prova passam de finita para infinita.

4 Tahiriny Ghizoni Kafka, Walter Lindolfo Weingaertner Ensaios de Fadiga em Componentes de Pequena Dimensão Figura 4. Curva S-N de todos os ensaios realizados: (a) escala linear; (b) escala logarítmica. De acordo com Callister (2005), quanto maior a magnitude da tensão, menor é o número de ciclos que o material é capaz de suportar antes da fratura. A curva S-N costuma se tornar horizontal em valores maiores que N, pois, abaixo do nível de tensão limite, limite de fadiga, a falha por fadiga não ocorrerá. Este limite de fadiga representa o mais alto valor de tensão flutuante que não causará falha para um número essencialmente infinito de ciclos. O mesmo autor afirma ainda que sempre existe uma considerável dispersão em dados de fadiga, isto é, uma variação no valor N medido para um número de amostras ensaiadas no mesmo nível de tensão, o que pode conduzir a uma significativa incerteza quando o limite de fadiga estiver sendo considerado. A dispersão dos resultados é uma consequência da sensibilidade da fadiga a um número de ensaio e de parâmetros de ensaio que são impossíveis de controlar de maneira precisa. Estes parâmetros incluem fabricação da amostra e preparação da superfície, variáveis metalúrgicas, alinhamento da espécie no aparelho, tensão média e frequência de teste. 4. CONCLUSÃO Os ensaios realizados em corpos de prova fabricados em aço 1020 valida o aparato experimental para corpos de prova de pequena dimensão. Os resultados assemelham-se aos da literatura e podem ser comparados com os implantes fabricados com biomateriais como o titânio, por exemplo. Os resultados obtidos mostram uma elevada dispersão e requerem uma ampliação dos estudos para melhor compreender a influência de fatores específicos da geometria, das variáveis de processo e metalúrgicas do componente ensaiado. A disponibilidade de um equipamento que permite realizar 6 ensaios simultâneos permitirá aumentar a quantidade de ensaios realizados e, assim, garantir a obtenção de resultados significativos para a área de implantes biomecânicos. 5. REFERÊNCIAS Aguiar, R. C.; Scherer, D.; Battisti; T. C.; Gassen, H. T.; Silva, A. N., 2007, Fratura de Implante Dentário: Relato de Caso Clínico, Universidade Luterana do Brasil, Canoas, pp Anusavice, K. J., 2003, Phillips Science of Dental Materials, 11 ed. São Luís - Missouri: Elsevier Science. Callister, W. D. J., 2005, Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach, 2 ed. New York: John Wiley&Sons, Inc. Jeong, Y. H.; Lee, C. H.; Chung, C. H.; Son, M. K.; Choe, H. C. C., 2012, Effects of TiN and WC Coating on the Fatigue Characteristics of Dental Implant, Surface & Coatings Technology. República da Coreia. Karl, M.; Lee, C. K.; Kelly, J. R., 2009, Evaluation of Test Protocol Variables for Dental Implant Fatigue Research, Academy of Dental Materials 25, Elsevier, pp König, W.; Klocke, F., 2002, Tecnologia da Usinagem com Ferramenta de Corte de Geometria Definida Parte I, traduzido por Prof. Dr. Ing. Walter Lindolfo Weingaertner e Prof. Dr. Eng. Rolf Bertrand Schroeter, do livro "Fertigungsverfahren - Drehen, Bohren, Fräsen", Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis. Montgomery, D. C.; Runger, G. C., 2008, Estatística Aplicada e Probabilidade para Engenheiros, 2ª ed. Rosa, E., 2002, Análise de Resistência Mecânica, apostila da disciplina de Mecânica da Fratura e Fadiga, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis. Tamura, M. T.; Paganelli, P. H. M.; Lopes, R. C. M., 2011, Implante Dentário, relatório da Disciplina de Laboratório de Manufatura e Metrologia, curso de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.

5 ENEBI 2015 Encontro Nacional de Engenharia Biomecânica 6. ABSTRACT Mechanical components as dental implants, subjected to cyclic stresses can break with lower loadings than the necessary for static load rupture. Besides the loading, the geometry and the surface finish also determines the number of cycles and the loading that can be applied to the component. To avoid possible failures caused by fatigue, components manufactured in various materials must be subjected to fatigue tests that mimic the loads in which the components will be used, allowing the designer ensure that they have sufficient resistance to act in their future functions and be able to withstand the loads that will be assigned. Because these experiments are time consuming and with the intention of reducing the time for evaluation of fatigue behavior of implants, a multiple parallel axes test equipment for rotating bending was developed. Specimens made of AISI 1020, cold drawn steel with 8mm in diameter were manufactured by turning, with a central strangulation, representing the size of an implant. For the analysis of failures, tests were conducted under different loads, applied on the free extremity at a preset distance from the strangulation, where the test load by a weight is applied. The results show a typical fatigue behavior, where the number of cycles decreases with increasing loading and presents infinite life for loads below the critical pressure. 7. RESPONSABILIDADE PELAS INFORMAÇÕES Os autores são os únicos responsáveis pelas informações incluídas neste trabalho.