INFLUENCIA DA ORIENTAÇÃO DE PROTOTIPAGEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE COMPONETES PRODUZIDOS POR SINTERIZAÇÃO DIRETA A LASER DE METAIS (DMLS).

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1 INFLUENCIA DA ORIENTAÇÃO DE PROTOTIPAGEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE COMPONETES PRODUZIDOS POR SINTERIZAÇÃO DIRETA A LASER DE METAIS (DMLS). 1 C.E.S. Britto, 1 L.K. Roque, 2 C. A. C. Zavaglia, 2 M. A. Larosa, 1 R.C. Tokimatsu 1 Departamento de Engenharia Mecânica FEIS/UNESP 2 Departamento de Engenharia de Materiais FEM/UNICAMP Avenida Brasil Centro, 56 Ilha Solteira/SP, Brasil CEP carlos.britto.mec@gmail.com RESUMO A prototipagem rápida por sinterização direta a laser de metais (DMLS), é uma excelente ferramenta no processo de fabricação de biomodelos e próteses personalizadas, o que normalmente se traduz em melhor procedimento cirúrgico e conforto ao paciente. A 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 deste trabalho é determinar a influência da orientação de prototipagem no comportamento mecânico de componentes fabricados pela técnica DMLS. Para tanto foram fabricados componentes em três orientações distintas de deposição de pós dessa liga. A caracterização microestrutural foi realizada com o auxílio de microscopia óptica e eletrônica de varredura (MEV). A caracterização mecânica foi realizada por intermédio de ensaio de tração. A discussão e as conclusões versam sobre a orientação da deposição de camadas de pó da liga Ti-6Al-4V na microestrutura e no comportamento anisotrópico de componentes fabricados pela técnica DMLS. Palavras-chave: anisotropia, biomateriais, prototipagem rápida, Ti-6Al-4V INTRODUÇÃO A evolução tecnológica no desenvolvimento de implantes e biomodelos tem sido de grande importância para o tratamento de milhares de pacientes acometidos de alguma anormalidade congênita ou adquirida, permitindo ao receptor o retorno as atividades sociais e melhoria na qualidade de vida. Uma das tecnologias que propulsionaram o avanço na fabricação de implantes foi a prototipagem rápida (PR), que permite a criação de biomodelo/implantes de forma personalizada, facilitando os procedimentos cirúrgicos. Estes implantes são produzidos através de imagens obtidas do paciente por exames como o de 6103

2 Tomografia Computadorizada (TC) e Ressonância Magnética (RM). Graças a esta tecnologia os procedimentos pré-operatórios atingiram outro patamar. A equipe médica pode analisar com calma as características do sítio cirúrgico e determinar uma rotina de trabalho mais efetiva, compreendendo melhor o procedimento e favorecendo conforto ao paciente, diminuindo riscos pós-operatórios. Uma das diversas aplicações da prototipagem rápida na medicina é a fabricação de implantes que substituirão estruturas ósseas, que sofrem grandes solicitações mecânicas como, por exemplo, implantes buco-maxilo-faciais, que são regiões que sofrem grandes forças cíclicas. Aliado a técnica de prototipagem, a seleção do biomaterial adequado de acordo com a utilização do implante é uma etapa primordial. Além de oferecer uma boa resistência a corrosão, estes biomateriais devem possuir excelente resposta mecânica, principalmente quando utilizados para a fabricação de implantes de estruturas ósseas. O Ti-6Al-4V, além de oferecer todas as características citadas, tem ótima relação resistência/peso o que o faz ser um dos biomateriais mais utilizados para estas finalidades. Dentre as diversas técnicas de prototipagem rápida existentes hoje no mercado, que permitem trabalhar com vários tipos de materiais e que possuem diferentes métodos de adição de camadas a Sinterização Direta de Metais por Laser (DMLS) é uma das mais utilizadas no processo de fabricação de implantes metálicos personalizados. Alguns parâmetros podem afetar diretamente nas propriedades mecânicas dos implantes fabricados por DMLS, como a velocidade de varredura do laser, a potência do laser, o preaquecimento da câmara e o sentido de construção das camadas. Quando a resistência mecânica, uma das variáveis mais influenciáveis presentes neste processo é o sentido de construção da peça. Devido o modelo de construção da maioria das técnicas de prototipagem rápida, o sentido de construção do modelo físico e o sentido de deposição das camadas, uma sobre as outras, podem influenciar e dependendo da aplicação do implante, o invalidar devido o efeito da anisotropia. [1] O objetivo deste trabalho é analisar as propriedades mecânicas e microestruturais de amostras produzidas por DMLS, alterando o sentido de construção dos corpos de prova, a fim de verificar se há perda de resistência mecânica quando submetidas a forças axiais (tração). 6104

3 MATERIAIS E MÉTODOS Para o desenvolvimento deste trabalho foram produzidas amostras de liga de Ti-6Al-4V pela técnica de prototipagem por Sinterização Direta a Laser de Metal (DMLS), utilizando o equipamento de prototipagem rápida EOSINT M 270 localizado no instituto INCT-Biofabris na Faculdade de Engenharia Química UNICAMP. Na confecção dos corpos de prova pela técnica DMLS, o pó da liga Ti-6Al-4V é espalhado em cima de um suporte na plataforma de construção, onde posteriormente um laser de CO2 de alta potência incide sobre o pó metálico, realizando a varredura de acordo com o modelo geométrico pré-definido, até atingir o ponto de fusão, unindo as partículas do material e também sobre a camada anterior. A câmera de construção possui sua atmosfera controlada por argônio e é aquecida para evitar tensões residuais proveniente do processo de solidificação. Foram prototipados cinco corpos de prova para cada sentido de construção (Fig. 1), que posteriormente foram submetidos a ensaios de tração no equipamento: Servo-Hidráulico para Ensaios Mecânicos, 810-FlexTest 40 MTS, com capacidade de 100KN, alocado no Laboratório de Ensaios Mecânicos da Faculdade de Engenharia Mecânica UNICAMP. Para a confirmação dos valores médios obtidos no ensaio mecânico, foram feitas fractografias dos corpos de prova utilizando microscopia eletrônica de varredura, no equipamento: MEV-EVO (Zeiss EVO LS-15), localizado no Departamento de Física e Química - UNESP/Ilha Solteira. Os parâmetros utilizados para a confecção das amostras são observados na Tab. 1. Tabela 1 Parâmetros de Máquina de sinterização EOSINT M270 Potência do laser 170 W fabricação das Velocidade de varredura do laser 1250 mm/s amostras de Ti- Ângulo de varrimento 45º Distância entre linhas 100 µm 6Al-4V pela Espessura da camada 30 µm técnica DMLS. 6105

4 Figura 1 Sentidos de construção dos corpos de prova (ensaio de tração). RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Tab. 2 estão representados os valores médios das propriedades mecânicas obtidas através dos ensaios mecânicos de tração. Tabela 2 Comparação entre propriedades mecânicas da liga Ti-6Al-4V variando o Amostras Limite de Limite de Resistência Ti-6Al-4V Escoamento (MPa) a Tração (MPa) Módulo de Elasticidade (MPa) Estricção (%) Alongamento (%) Sentido A 617,68 815, ,21 3,36 7,50 Sentido B 697, , ,49 27,05 9,12 Sentido C 761, , ,10 24,80 10,80 sentido de deposição das camadas (ensaios de tração). A comparação entre os resultados obtidos nos ensaios de tração mostrou que as amostras apresentaram propriedades mecânicas diferentes de acordo com o sentido de construção dos corpos de prova (Tab.2), evidenciando o fenômeno de anisotropia. As amostras prototipadas no sentido A, apresentam menor ductilidade, o que é demonstrado por seu menor percentual de alongamento e redução de área 6106

5 (estricção). As fractografias (Fig. 2) apresentam os tipos de fraturas presentes em cada sentido, sendo que no sentido A, apresenta fratura frágil por clivagem e as prototipadas no sentido B e C fratura dúctil por microcavidades. a) (b) (c) (d) e) (f) Figura 2 Fractografi as: Sentido A (a,b), Sentido B ( (c,d), Sentido C (e,f). CONCLUSÃO A técnica de prototipagem rápida DMLS é uma das mais utilizadas para fabricação de implantes personalizados, entretanto existem características de construção que alteram as propriedades mecânicas como o sentido de construção da peça. Os ensaios de tração concluem que existe uma elevada perda na resistência mecânica em corpos de prova no sentido A, onde há solicitação de forma perpendicular a construção das camadas, em relação ao sentido B e C que sofreram solicitação no sentido tangencial as camadas. As fractografias associadas aos valores de estricção e alongamento comprovam a perca de ductilidade dos corpos de prova prototipados no sentido de construção A, apresentando também características de fratura frágil, podendo concluir que os componentes fabricados pelo processo DMLS, apresentam características anisotrópicas. 6107

6 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo suporte financeiro. REFERÊNCIAS 1. ESPERTO, L.; OSÓRIO, A rapid tooling: sinterização directa por laser de metais. Revista da Associação Portuguesa de Análise Experimental de Tensões, Lisboa, v. 15, p , BERTOL, L. S. et al. Projeto, fabricação e avaliação de implantes craniofaciais personalizados: proposta de utilização de materiais combinados. Revista Brasileira de Engenharia Biomédica, v. 26, n. 2, p.79-89, LAROSA, M. A. Produção de implantes customizados em liga de titânio através de sinterização direta de metais por laser (DMLS) caracterização microestrututral e mecânica. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS. 19, 2012, Joinville. Anais. Joinville: CBECiMat, GREGOLIN, R. F., LENQUIST, T. M., BARBOSA, F. M., MORAES, R. M. F., ZAVAGLIA, C. A. de C., TOKIMATSU, R.C. Comparação entre propriedades mecânica e microestruturais da liga Ti-6Al-4V, trabalhada a frio verus prototipada por sinterização direta a laser de metal. CONGRESSO LATINO AMERICADO DE ÓRGÃOS ARTIFICIAIS E BIOMATERIAIS. 7., 2012, Natal. Anais...Natal: Colaob, GREGOLIN, R. F. Desenvolvimento, comportamento mecânico e microestrutural de uma prótese mandibular em liga de titânio produzida por sinterização a laser de metal (DMLS) f. Dissertação (Mestre em Engenharia Mecânica) Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Ilha Solteira, São Paulo VOLPATO, N., FERREIRA, C. V., SANTOS, J. R. L. dos. Prototipagem Rápida: tecnologias e aplicações. São Paulo: Edgard Blücher,

7 INFLUENCE OF THE ORIENTATION OF PROTOTYPING ON THE MECHANICAL BEHAVIOR OF COMPONENTS MANUFACTURED BY THE DIRECT METAL LASER SINTERING (DMLS) ABSTRACT Direct Metal Laser Sintering (DMLS) rapid prototyping is an excellent tool in the manufacturing process of biomodels and custom prosthesis, which usually translates into better surgical procedure and comfort for the patient. The manufacture of prosthesis and biomodels by DMLS process is based on depositing layers of metal powder which is subsequently fused by a high power laser beam. The purpose of this study is to determine the influence of the orientation of prototyping on the mechanical behavior of components manufactured by the DMLS Technique.For this purpose, components were manufactured in three distinct orientations of deposition of this alloy powder. The microstructural characterization was performed with the aid of optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). The mechanical characterization was done by tensile test. Discussion and conclusions concern with the orientation of deposited layers of Ti-6Al-4V alloy powder on the microstructure and the anisotropic behavior of the components manufactured by the DMLS technique. Key-words: anisotropy, biomaterials, rapid prototyping, Ti-6Al-4V 6109