12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015

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1 12º CONGRESSO IEROMERICNO DE ENGENHRI MECNIC Guayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015 INFLUÊNCI D ORIENTÇÃO DE PROTOTIPGEM N TENCIDDE À FRTUR D LIG TI-6L-4V DE COMPONENTES PRODUZIDOS POR SINTERIZÇÃO DIRET LSER DE METIS (DMLS) 1 ritto, C. E. S., 1 Roque, L. K., 2 Zavaglia, C.. C., 2 Larosa, M., 1 Tokimatsu, R. C 1 Departamento de Engenharia Mecânica FEIS/UNESP 2 Departamento de Engenharia de Materiais FEM/UNICMP Área Temática: 12 (Ciências plicadas na Engenharia Mecânica Materiais e Metalurgia) venida rasil Centro, 56 Ilha Solteira/SP, rasil CEP carlos.britt.mec@gmail.com ruis@dem.feis.unesp.br ruisctok@gmail.com RESUMO fabricação de próteses e biomodelos pelo processo DMLS se baseia na deposição de camadas de um pó metálico que posteriormente são fundidas através de um feixe de laser de alta potência. O propósito do presente trabalho é determinar a influência da orientação da deposição de camadas de pó da liga Ti-6l-4V na tenacidade à fratura e nos micromecanismos de fratura de componentes fabricados pela técnica DMLS. Para tanto, foram fabricados componentes em três orientações distintas de deposição de pós dessa liga. caracterização microestrutural foi realizada com auxílio de microscopia óptica e por difração de raios-x. s fractografias foram obtidas com o auxílio de microscopia eletrônica de varredura (MEV). caracterização mecânica foi realizada por intermédio dos ensaio de flexão em três pontos. discussão e as conclusões versam sobre a orientação da deposição de camadas de pó da liga Ti-6l-4V no comportamento anisotrópico de componentes fabricados pela técnica DMLS. PLVRS CHVE: anisotropia, biomateriais, prototipagem rápida, Ti-6l-4V INTRODUÇÃO técnica de prototipagem rápida DMLS (sinterização direta a laser de metais), é uma das mais utili zadas na fabricação de implantes e próteses para utilização médica e odontológica. Essa tecnologia, unida com técnicas de obtenção de imagens médicas (ressonância magnética e tomografia computadorizada), permite a criação de modelos físicos com geometrias complexas, criando implantes personalizados de acordo com as dimensões do sítio cirúrgico, facilitando o trabalho da equipe médica, reduzindo o tempo de cirurgia e de custos pré e pósoperatórios [1][2]. Para a construção dos componentes através desta técnica, cria-se o modelo virtual 3D do protótipo no CD (Computer ided Design) que será convertido a um arquivo com extensão STL (Standard Triangulation Language). Posteriormente o desenho é analisado por um software onde será realizado o fatiamento e criação das camadas a serem construídas e estratégias de deposição de material [3]. Depois deste processo, o arquivo é enviado para a máquina de prototipagem para a criação do protótipo. O processo se inicia quando o rolo de alimentação é ativado, espalhando e nivelando o pó-metálico sobre a plataforma de construção. Posteriormente um laser CO 2 de média potência realiza a varredura sobre o pó de acordo com a geometria da camada 2D, aquecendo as partículas e realizando a sinterização do mesmo sobre um suporte ou na camada anterior. pós a solidificação da camada, a plataforma se movimenta para baixo (deslocamento correspondente a espessura da camada), ativando novamente o sistema de alimentação do material [4]. O pó fica armazenado em dois recipientes localizados nas laterais da câmera de construção. câmera onde o material é produzido possui uma atmosfera inerte e controlada por nitrogênio, tendo em vista a eliminação de riscos de oxidação e possíveis explosões de partículas menores (Figura 1) [3].

2 Fig. 1: Princípio do processo DMLS (ESPERTO e OSÓRIO,2008). Porém, para o sucesso de um implante permanente ou temporário, a característica do material utilizado para a fabricação do modelo físico é de grande importância dependendo de sua aplicação. Os materiais utilizados na fabricação de implantes são chamados de biomateriais e tem como objetivo substituir e atender a função ao qual foi destinado, ou seja, ser biocompativel e biofuncional. Dentre os diversos biomateriais metálicos existentes, um dos mais utilizados é o titânio e suas ligas, que além de ter boa relação resistência/peso, oferece boa resistência mecânica e a corrosão eletroquímica, o que faz ser o biomaterial mais utilizado em áreas onde há solicitação mecânica mais intensas, como, por exemplo, em implantes craniofaciais. Por fim, com a união entre tecnologia de fabricação e a seleção dos materiais é possível aumentar a produtividade e a qualidade na fabricação de próteses e implantes. Entre técnicas de prototipagem rápida existentes e os diversos tipos de biomateriais já conhecidos, a prototipagem de implantes utilizando a liga Ti- 6l-4V através do processo de Sinterização Direta de Metais por Laser (DMLS) é uma das mais consolidadas e utilizadas para o desenvolvimento de próteses que exigem alta resistência mecânica. Uma das características mais influenciáveis na técnica DMLS é a orientação da deposição das camadas do pó metálico. Dependendo da orientação da construção, estes dispositivos podem apresentar características mecânicas diferentes quando solicitados em diversas direções, causando um efeito anisotropico. Sendo assim o estudo da influência da orientação de prototipagem é de grande importância para determinar melhores estratégias de construção, com a finalidade de aumentar o tempo de uso destes implantes, garantindo ao receptor uma melhor qualidade de vida. MTERIIS E MÉTODOS Para a confecção dos corpos de prova de liga de titânio pela técnica de prototipagem rapida por Sinterização Direta de Metais por Laser (DMLS), foi utilizado o no equipamento EOSINT M270 da EOS GmbH (Electro Optical Systems) localizado no Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em iofabricação (INCT - IOFRIS), situado na Faculdade de Engenharia Química (FEQ) da Universidade Estadual de Campinas UNICMP. Foram prototipados cinco corpos de prova para cada orientação de prototipagem, utilizando como matéria prima o pó pré-ligado EOS Titanium Ti64 da EOS GmbH cedido pelo INCT-IOFRIS. s propriedades físicas e químicas estão descritas na tabela 1. Composição do Material Densidade Relativa Densidade Fonte: EOS GmbH Tabela 1 Composição química da liga Ti-6l-4V Ti64 EOS Titanium. Ti l V O N C H F Equilíbrio % % <2000 prox. 100% 4.41 g/cm³ < 500 < 800 < 150 < 3000

3 Os parâmetros de fabricação utilizados para a fabricação dos corpos de prova estão descritos na tabela 2. s camadas foram depositadas em ziguezague, girando 90º após a construção de uma camada completa. estratégia de deposição das camadas esta ilustradas na figura 2. pós a prototipagem dos corpos de prova, os mesmos foram submetidos a um tratamento térmico a 650ºC por três horas a uma taxa de aquecimento de 10 ºC/min e resfriadas em forno, com taxa de resfriamento de aproximadamente 5 ºC/min, para eliminar possíveis tensões residuais do processo de fabricação. Tabela 2 Parâmetros de fabricação da técnica DMLS. Potência do laser 170 W Velocidade de varredura 1250 mm/s Ângulo de varrimento 45 (ziguezague) Distância entre linhas 100 µm Espessura da camada 30 µm Fig. 2: Ilustração da prototipagem dos CP s conforme a sua orientação de prototipagem. Os entalhes foram produzidos por usinagem em um torno CNC Enco Compact 5 do Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da UNESP com 2 mm de profundidade. Durante o torneamento, as amostras foram refrigeradas com óleo, para evitar que durante o processo houvesse alterações na microestrutura na região de usinagem. Os dispositivos para a fixação do extensômetro, foram confeccionados por usinagem, através de uma retifica plana de precisão Mello P25 localizado no DEM da UNESP e colados com cola raldite (Figura 3). Fig. 3: Ensaio de tenacidade à fratura. ntes da realização do ensaio de tenacidade à fratura, os corpos de prova foram submetidos ao um ensaio para a fabricação da pré-trinca por fadiga. Tanto a pré-trinca por fadiga, quanto aoensaio de tenacidade à fratura, foram realizados em um dispositivo de flexão por três pontos no equipamento Servo-Hidráulico para Ensaios Mecânicos, 810-FlexTest 40 MTS, com capacidade de 100 kn, localizado no Laboratório de Ensaios Mecânicos da Faculdade de Engenharia Mecânica UNICMP. Durante a realização do ensaio, o deslocamento da abertura da trinca foi acompanhado através de um extensômetro MTS Model C. través dos resultados de tensão aplicada e deslocamento da trinca, o parâmetro a ser obtido é o K IC (fator de intensificação de tensões

4 crítico, em modo I de abertura de trinca) e calculado conforme as especificações da norma STM E-399 pela equação 1. (1) onde K IC - fator de intensificação de tensões crítico; P carga aplicada para o início da fratura; espessura do corpo de prova; N altura do final da trinca até o final do corpo de prova; S espaçamentos entre os pontos de aplicação de carga; W altura do corpo de prova; a tamanho da trinca; f(a/w) fator de correção geométrico. norma STM E-399 estabelece, para o caso de corpos de prova de flexão de três pontos com S = 4W o valor do fator de correção geométrico é dado pela equação 3. (2) Para a caracterização microestrutural as amostras foram cortadas perpendicularmente a plataforma de construção, e por fim passaram por todas as etapas de lixamento convencional, posteriormente foram polidas e atacadas com reagente Kroll. s imagens foram obtidas através de microscopia óptica e a análise das fases presentes nos corpos de prova após tratamento térmico, por difração de raios-x s fractografias foram obtidas através do microscópio eletrônico de varredura. RESULTDOS E DISCUSSÃO Caracterização Microestrutural Nas figuras 4 é possível visualizar uma microestrutura composta por colônias de martensita α (martens ítica hexagonal) colunares, originadas devido as altas taxas de resfriamento no processo, orientadas em direção a plataforma de construção. Essa característica provida do processo de fabricação, se deve ao fato de que, quando o laser incide sobre a pó metálico espalhado sobre a plataforma de construção, cria-se uma poça de fusão que é rapidamente solidificada fazendo com que essas colônias martensíticas criem este tipo de morfologia no sentido onde há maior dissipação de calor, saindo da última camada construída, até ao substrato e pôr fim a plataforma de construção. No difratograma da figura 5, é possível identificar, em sua maioria, a presença da fase martensítica α e um pico da fase β. Plataforma de Construção Plataforma de Construção (a) (b) (c) Fig. 4: Micrografias das amostras prototipadas nas orientações (a), (b) e C (c). Plataforma de Construção

5 Fig. 5: Difratograma das amostras da liga Ti-6l-4V produzidas por DMLS após tratamento térmico. Tenacidade à Fratura Para a análise da influência da deposição das camadas em cada orientação de prototipagem nas propriedades mecânicas através do ensaio de tenacidade à fratura, o parâmetro escolhido para a comparação entre os resultados obtidos foi o K IC. Na tabela 3 estão expressos os valores médios de cada orientação de construção dos corpos de prova. Tabela 3 Valores de K IC para cada orientação de construção dos CP s (, e C). Orientação de Prototipagem KIC (MPa. ) 62,55 ± 1,78 76,88 ± 5,45 C 66,05 ± 4,35 Conclui-se que, a orientação de prototipagem demonstrou maior resistência a tenacidade à fratura, apresentando valores significativos em relação aos demais, evidenciando o efeito da deposição das camadas sobre a orientação de construção como um fator de perda de resistência mecânica. s figuras abaixo representam as fractografias da região de propagação da trinca () e da região de fratura repentina (). Em todas as fractografias nas regiões de fratura repentina é possível identificar o mesmo micromecanismo de fratura por microcavidades em todas as orientações de prototipagem, e C (Figura 6-d, 7-d, 8-d). s figuras 6-c, 7-c, 8-c estão representadas as regiões onde houve a propagação das trincas pelo ensaio de pré-trinca por fadiga. (a) (b)

6 (c) (d) Fig. 6: (a) e (b) Região de propagação da pré-trinca por fadiga e (c) e (d) região de fratura final. Orientação de prototipagem. (a) (b) (c) (d) Fig. 7: (a) e (b) Região de propagação da pré-trinca por fadiga e (c) e (d) região de fratura final. Orientação de prototipagem.

7 (a) (b) (c) (d) Fig. 8: (a) e (b) Região de propagação da pré-trinca por fadiga e (c) e (d) região de fratura final. Orientação de prototipagem C. CONCLUSÕES liga Ti-6l-4V é uma das ligas de titânio mais utilizadas como biomateriais, oferecendo excelente resistência mecânica, se tornando uma ótima opção como matéria-prima para o processo DMLS na fabricação de implantes. Conclui-se que a estrutura morfológica presente nos componentes produzidos por DMLS após o tratamento térmico para alívio de tensões residuais decorrente da alta taxa de resfriamento do processo, é constituída por colônias de martensita α com a presença de precipitados da fase β. Sobre a orientação de prototipagem e a influência da deposição das camadas sobre as propriedades mecânicas, ficou evidente que, no ensaio de tenacidade à fratura, as amostras tiveram respostas diferentes em cada estratégia de construção, sendo a orientação a que apresentou melhor resistência a tenacidade à fratura, valor muito superior quando comparado a orientação, evidenciando o efeito anisotrópico quando estes componentes são solicitados mecanicamente em diversas direções. O micromecanismo de fratura presente nas regiões de fratura final, em todas as orientações de prototipagem foi por microcavidades. GRDECIMENTOS Os autores agradecem à Fundação de mparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FPESP) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo suporte financeiro. o Instituto de Ciência e Tecnologia em iofabricação (INTC -IOFRIS), a Universidade Estadual de Campinas (UNICMP) e a Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira (Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho / UNESP).

8 REFERÊNCIS [1] JRDINI,. L.; LROS, M..; FILHO, R. M.; ZVGLI, C.. C.; ERNRDES, L. F.; LMERT, C. S.; CLDERONI, D. R.; KHRMNDYN, P. Cranial reconstruction: 3D biomodel and custom-built implant created using additive manufacturing. Journal of cranio-maxillo-facial surgery, p. 1-8, [2] SLMI, M; et al. Patient-specific reconstruction with 3D modeling and DMLS additive manufacturing. Rapid Prototyping Journal, i. 3, p , [3] VOLPTO, N., FERREIR, C. V., SNTOS, J. R. L. dos. Prototipagem Rápida: tecnologias e aplicações. São Paulo: Edgard lücher, [4] ESPERTO, L.; OSÓRIO,. Rapid tooling, sinterização directa por laser de metais. Revista da ssociação Portuguesa de nálise Experimental de Tensões, Lisboa, v. 15, p , [5] EOS Gmbh (2000/2004) - Operating Manual EOSINT M250 Xtended.