PRUMO/TS Resolução de problema de falta de brilho, riscos e poros em próteses cirúrgicas de aço inoxidável Marcela Torquato Nunes 1, Vinicius Dantas Cortez 2, Vicente N. G. Mazzarella 3, Zehbour Panossian 4, Cleiton dos Santos Mattos 5 1, 2, 3, 4 e 5 Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A IPT Av. Prof. Almeida Prado, 532 Butantã (Cid Universitária) São Paulo - SP Resumo: Empresas fabricantes de próteses cirúrgicas de aço inoxidável geralmente seguem os requisitos da norma ASTM F138:2008 e necessitam que a aparência da superfície após o processo de eletropolimento seja brilhante e isenta de riscos e poros, uma vez que os cirurgiões consideram o aspecto estético como um dos critérios para a aquisição do material. Em uma destas empresas, como a solução de eletropolimento e o processo não estavam sendo eficientes para proporcionar tal aspecto estético, a mesma contratou o PRUMO/TS (Projeto de Unidades Móveis para Atendimento Tecnológico às Micro, Pequenas e Médias Empresas) para oferecer uma assessoria tecnológica, cujo objetivo foi criar uma nova solução de eletropolimento e otimizar o processo. Para isto, análises químicas foram realizadas por ICP, UVVis e gravimetria para determinar os componentes utilizados na solução, utilizou-se um microscópio óptico para avaliar as superfícies do aço inoxidável antes e depois da otimização da solução e todo o processo de eletropolimento foi avaliado. Os resultados obtidos no atendimento tecnológico proporcionaram a criação de uma nova solução de eletropolimento, com redução de 70% do cromo hexavalente utilizado, que é tóxico ao meio ambiente e à saúde humana, além de ser o componente mais custoso. Esta solução proporcionou uma maior eficiência para a geração de brilho na superfície das próteses. Além disto, o processo de desengraxe e lavagem antes do eletropolimento também foi otimizado para uma maior eficiência de todo o processo. Palavras-chave: Eletropolimento, PRUMO Tratamento de Superfície, aço inoxidável, brilho, riscos e poros, próteses cirúrgicas 1. INTRODUÇÃO O setor que produz peças cirúrgicas é extremamente exigente, uma vez que tais materiais são utilizados para tratar pacientes. Os materiais devem ter composição específica, pois é necessário ter compatibilidade com o corpo humano. Uma destas empresas, que fabrica próteses ortopédicas de aço inoxidável, enfrentava problemas de falta de brilho e presença de riscos e poros em seus materiais e solicitou assessoria tecnológica do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo IPT, por meio do projeto PRUMO (Projeto de Unidades Móveis), que realiza atendimentos tecnológicos para resolver problemas em processos e produtos, em alguns setores industriais. O setor de Tratamento de Superfícies foi acionado e, neste artigo, é apresentado tal estudo de caso, mencionando as ações técnicas realizadas para resolver o problema. 397
2. RESULTADOS E DISCUSSÃO Neste estudo de caso, a empresa que usinava e comercializava implantes ortopédicos de aço inoxidável seguia a norma ASTM F138:2003 para obter o máximo de qualidade, porém, enfrentava problemas de falta brilho e presença de poros e riscos na superfície das peças após o processo de eletropolimento. Tendo em vista que um dos critérios de avaliação dos médicos para a aquisição destes materiais é a observação visual do aspecto estético, uma assessoria técnica foi realizada para verificar e otimizar o processo de eletropolimento, com o objetivo de melhorar o aspecto estético de tais peças. O processo de eletropolimento realizado pela empresa consistia nas etapas a seguir, considerando que as peças eram anteriormente polidas mecanicamente: desengraxe com percloroetileno comercial por cerca de 20 min a 30 min, com temperatura entre 100 C e 120 C; limpeza com querosene; secagem a ar; lavagem com água corrente de abastecimento, utilizando torneira convencional; secagem a ar; engancheiramento; eletropolimento, por cerca de 30 s a 2,5 min, com temperatura de aproximadamente 60 C controlada por um termostato; lavagem em três tanques com água de abastecimento, trocada entre 20 a 45 dias; lavagem com água corrente; passivação; lavagem em três tanques; secagem espontânea ou a ar comprimido. Foi mencionado que o banho não mantinha um resultado constante para todas as peças. Peças forjadas e não-forjadas eram banhadas. O processo de eletropolimento, que tem a característica de polir a superfície do aço, pode ser definido como o inverso da eletrodeposição, pois enquanto na eletrodeposição os íons metálicos presentes em uma solução são depositados sobre a superfície de um material, no eletropolimento os íons do material são dissolvidos e passam para a solução onde a mesma está imersa. Os objetivos são: conferir acabamento sanitário para utilização em ambientes ou processos extra limpos; promover um alisamento superficial do aço inoxidável, inclusive diminuindo o coeficiente de atrito; conferir um brilho superficial acentuado, melhorando a aparência e refletividade da superfície; eliminação de rebarbas de processamentos mecânicos prévios; decapagem leve e passivação eficaz (FILHO, 1997). As superfícies metálicas quando ampliadas mostram que são formadas na realidade por uma sequência de picos e vales. Quanto maiores forem os picos e mais profundos os vales e quanto mais frequentes eles forem, tanto maior será a rugosidade do material. A rugosidade é um elemento particularmente 398
importante em materiais que são empregados nas indústrias médica, alimentícia, farmacêutica e química, pois uma vez presente, dificulta a limpeza e aumenta a probabilidade de partículas indesejáveis alojaremse entre os picos e vales do material, podendo contaminar os produtos fabricados e até mesmo originar pontos de corrosão. Nas condições de um processo de eletropolimento, a oxidação ou dissolução do metal é maior nos picos do que nos vales, conferindo à peça eletropolida um perfil menos rugoso. Este perfil apresenta como efeito uma menor dispersão dos raios luminosos incidentes, conferindo às superfícies eletropolidas um aspecto brilhante (FILHO, 1997). A quantidade de metal removido em uma operação de eletropolimento é proporcional à densidade de corrente (corrente aplicada dividida pela área a ser eletropolida) e ao tempo de exposição. Durante as operações de eletropolimento, as soluções (eletrólitos) que permitem a incorporação cada vez maior do metal dissolvido vão perdendo a eficiência e têm uma vida finita, devendo ser completamente substituídas de tempos em tempos. Já algumas soluções possibilitam que os sais originados pelos íons removidos da peça formem um resíduo em forma de lama, que não interfere na eficiência e pode ser facilmente removido. Estas soluções, apesar de não dispensarem correções de composição periódicas, são chamadas de vida infinita, uma vez que permitem o trabalho por longos períodos de tempo sem troca. Como distâncias variadas entre o anodo e o catodo implicam em diferentes intensidades de ataque numa mesma peça, pois a eletricidade tende a percorrer os caminhos com menor resistência elétrica, as superfícies a serem eletropolidas (anodo) devem estar dispostas de maneira a deixar, o máximo possível, sua área equidistante ao catodo. Quanto maior a distância, maior a voltagem necessária para vencer a resistência elétrica da solução (FILHO, 1997). A preparação da solução química adequada conforme o material e o tipo de resultado que se deseja obter é uma etapa muito delicada. Não existe uma única solução que seja apropriada ao trabalho com todos os tipos de materiais (substratos). Da mesma maneira, as densidades de corrente podem variar largamente, bem como o tempo e a temperatura de operação para cada caso (FILHO, 1997). No processo de eletropolimento da empresa, era utilizada uma solução composta inicialmente pelos reagentes mencionados a seguir: ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) 69,4 g/l; ácido fosfórico (H 3 PO 4 ) 1.134 g/l; ácido crômico (CrO 3 ) 46,3 g/l. As soluções de eletropolimento encontradas no mercado possuem valores variados de concentração, mas geralmente possuem concentrações bem diferentes destas. Uma solução comercial foi tomada como referência, a qual era composta por cerca de 620 g/l de H 2 SO 4, 700 g/l de H 3 PO 4 e 190 g/l de CrO 3. Uma solução foi preparada no Laboratório de Análises Químicas do IPT, pela equipe do PRUMO/TS, tendo a seguinte composição: ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) 637 g/l; ácido fosfórico (H 3 PO 4 ) 684 g/l; ácido crômico (CrO 3 ) 15 g/l. Nota-se que o teor de H 2 SO 4 era cerca de dez vezes maior que o utilizado pela empresa, o teor de H 3 PO 4 era semelhante ao do H 2 SO 4, sendo aproximadamente metade do utilizado pela empresa, e o teor de CrO 3 399
era cerca de três vezes menor que o utilizado pela empresa, partindo da premissa que existem soluções que não utilizam CrO 3. Foram, então, realizados ensaios práticos, com peças fornecidas pela empresa, já polidas mecanicamente e prontas para passarem pelo processo de eletropolimento, utilizando a solução preparada em laboratório e a solução da empresa, com as concentrações mencionadas acima. Os ensaios foram realizados mantendo-se os mesmos parâmetros utilizados pela empresa. Os resultados obtidos mostraram que nas peças eletropolidas na solução preparada em laboratório, o acabamento estético ficou melhor. A Figura 1 mostra o exemplo da comparação entre duas peças ensaiadas. Figura 1 À esquerda: peça eletropolida com solução preparada pelo PRUMO/TS; à direita: peça eletropolida com solução da empresa As mesmas regiões superficiais foram analisadas em Microscópio Óptico e os resultados estão mostrados nas Figuras 2, 3 e 4. Figura 2 Superfície polida mecanicamente, antes do processo de eletropolimento Figura 3 Superfície eletropolida pela solução da empresa Figura 4 Superfície eletropolida pela solução preparada pelo PRUMO/TS Nota-se que na superfície polida mecanicamente, antes de ser banhada na solução de eletropolimento, existem marcas de riscos do polimento. Além disto, os pontos pretos representam pequenos vales que podem ser denominados de crateras. Tais crateras são visíveis a olho nu como pequenos pontos brancos. É possível notar que após o eletropolimento, a quantidade de crateras é muito maior na superfície da peça eletropolida com a solução da empresa do que com a solução preparada pelo PRUMO/TS. Além disto, percebe-se um acabamento mais liso na superfície da peça eletropolida com a 400
solução preparada pelo PRUMO/TS. Ao apresentar este resultado à empresa, a mesma informou que este aspecto estético aproximava-se do padrão internacional. Além do benefício da melhora no acabamento da peça, a utilização da solução preparada pelo PRUMO/TS proporcionaria uma redução nos custos em cerca de 30%, devido principalmente à redução do teor de CrO 3, que é mais custoso. Ainda como benefício, com a redução de CrO 3, o processo se tornaria menos agressivo ao ambiente, visto que o cromo hexavalente é tóxico e cancerígeno. O tratamento desta substância também é trabalhoso e dispendioso. Os valores não foram estimados, mas também haveria uma redução nos gastos com este tratamento. Após a obtenção destes resultados, a empresa decidiu aplicar a solução preparada pelo PRUMO/TS em sua linha de eletropolimento. A equipe do PRUMO/TS acompanhou a substituição da solução e, in loco, indicou uma série de considerações para a obtenção de resultados satisfatórios nas peças, inclusive realizando um treinamento para os operadores. Tais recomendações estão mencionadas a seguir. Primeiramente, foi informado que as etapas denominadas de pré-tratamento (desengraxe e limpeza) são essenciais, pois delas dependem a eficiência do processo seguinte. Foi recomendado observar os tempos de utilização das soluções para providenciar a troca ou reposição, quando a eficiência já estivesse baixa. Também foi recomendado manter as peças totalmente submersas, tendo tanques de tamanhos compatíveis. As lavagens também deveriam ser eficientes, para evitar arrastar resíduos para a solução de eletropolimento. Quanto à solução de eletropolimento, esta exigia atenção especial. O processo de eletropolimento depende da densidade de corrente e do tempo. Ao imergir uma quantidade muito elevada de peças dentro do banho, a densidade de corrente pode diminuir consideravelmente, provocando defeitos superficiais. Por outro lado, a densidade de corrente elevada também pode causar defeitos. A forma correta de controle seria por meio do cálculo da área total de peças a serem eletropolidas e da corrente a ser aplicada, além do tempo do eletropolimento, porém, segundo a empresa, devido à grande variedade na geometria das peças, isto se tornaria inviável. Portanto, recomendou-se estipular na prática os melhores parâmetros de operação. A determinação destes parâmetros também serviria como controle para estimar o melhor período de substituição da solução. Os parâmetros deveriam ser estabelecidos por modelos de peças, ou seja, a partir do momento que o melhor aspecto estético fosse obtido, os parâmetros de corrente, tempo, quantidade de peças e massa total deveriam ser anotados. Também foi importante mencionar que, neste caso, os resultados só se manteriam numa segunda vez, com a mesma concentração dos constituintes do banho e com a mesma temperatura do banho. Para atingir resultados semelhantes, com o mesmo banho, já menos eficiente, o tempo de eletropolimento teria que ser alterado para um valor maior. Ao alterar o modelo de peças, novos parâmetros deveriam ser estabelecidos. Em algumas empresas, são utilizados catodos no formato das peças para melhorar a distribuição de corrente, porém, para a empresa, isto se tornaria inviável, pelo mesmo motivo da variedade de geometria. No banho da empresa, o próprio tanque, revestido com chumbo, era o catodo. Pela literatura (FILHO, 1997), recomenda-se utilizar agitação das peças durante o processo, para obter um eletropolimento mais uniforme ao longo de toda a superfície e isto foi indicado à empresa. Quando fosse notada a necessidade de substituir o banho, um levantamento da massa e quantidade de peças que passaram pelo eletropolimento no período (já que não era possível estimar a área) deveria ser 401
realizado. Após cerca de cinco vezes realizando este levantamento, a empresa teria uma média do tempo, da massa e da quantidade de peças que o banho suportaria, antes de ser substituído. Se fosse observado que a solução estava perdendo sua eficiência em pouco tempo, uma opção seria repor os constituintes do banho periodicamente. Conforme as peças são banhadas, os compostos vão se consumindo, a quantidade de ferro vai aumentando e a eficiência do banho vai diminuindo. Foi recomendado não deixar os reagentes diminuírem muito suas concentrações e não deixar a quantidade de ferro aumentar excessivamente (o valor máximo de ferro varia conforme o processo). Assim, sugeriu-se determinar, mensalmente, as concentrações destes constituintes e realizar a reposição quando necessário. Juntamente com o controle mencionado no parágrafo anterior, esta também poderia ser uma complementação para estimar o tempo de substituição do banho, principalmente, pelo teor de ferro presente. Em seguida ao eletropolimento, as lavagens deveriam ser muito eficientes para eliminar os resíduos das peças e evitar a contaminação da solução passivadora. A empresa realizava a lavagem em três tanques com água de abastecimento e em seguida em água corrente. As águas dos tanques eram trocadas entre 20 dias a 45 dias. Recomendou-se adotar o seguinte procedimento de lavagem: imergir as peças em três tanques com água de abastecimento ou deionizada; lavar em água corrente (não descartando os resíduos diretamente no sistema de esgotos e sim canalizando ao tratamento de efluentes) e imergir no último tanque, com água deionizada. As trocas das águas deveriam ser realizadas duas vezes por semana e da seguinte forma: a primeira deveria ser descartada (encaminhada ao sistema de tratamento de efluentes), a segunda deveria passar para a primeira, a terceira deveria passar para a segunda, a quarta deveria passar para a terceira e, por fim, o quarto tanque deveria ser avolumado com água deionizada. A etapa de passivação com solução a base de ácido nítrico, executada pela empresa, não apresentava problemas. Foi indicado que as lavagens posteriores também deveriam ser muito eficientes e em seguida as peças deveriam ser secas rapidamente para evitar que manchas pudessem aparecer na superfície. As águas de lavagem deveriam ser deionizadas e trocadas todos os dias, pois os tanques eram pequenos. Poderiam ser utilizados secantes na água ou o emprego de água quente na última lavagem para agilizar a secagem. Na etapa da inspeção da qualidade das peças, foi recomendado que os operadores usassem luvas para evitar a contaminação com ácido úrico e gorduras das mãos. Um procedimento de limpar as peças com álcool antes de embalar já era realizado e foi recomendado mantê-lo. Durante todo o processo, foi recomendado utilizar os equipamentos de proteção individual (EPIs) necessários, tais como luvas, máscara para gases, botas, aventais reforçados específicos, óculos de segurança e outros. O local das instalações deveria ser ventilado e dotado de equipamentos para exaustão de vapores. Recomendou-se adquirir mais ventiladores para o local, pois só existia um e aumentar a capacidade da exaustão. Por fim, recomendou-se tratar e neutralizar todas as soluções utilizadas no processo, de acordo com as exigências ambientais. 402
3. CONCLUSÕES A superfície dos implantes cirúrgicos de aço inoxidável foi melhorada, quanto ao aspecto estético (brilho, alisamento e diminuição de poros e riscos), por meio da substituição da solução de eletropolimento da empresa pela preparada pela equipe do PRUMO/TS do IPT. Esta substituição proporcionou uma redução de 30% nos custos da montagem da solução, além de diminuir os gastos com o tratamento do cromo hexavalente e tornar a solução menos agressiva ao meio ambiente. Todo o processo de eletropolimento foi verificado e diversas recomendações foram fornecidas, com o objetivo de obter o produto final com maior qualidade. Foi realizado também treinamento de mão-de-obra para a condução do processo. Tais resultados, além do upgrade tecnológico, puderam gerar mais lucro à empresa, tanto na conquista de clientes mais exigentes, quanto no aumento do valor agregado do produto e na economia de insumos. 4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (ASTM). D 1193 Standard Specification for Reagent Water, e1, 1999. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (ASTM). F 138 Standard Specification for Wrought 18 Chromium-14 Nickel-2.5 Molybdenum Stainless Steel Bar and Wire for Surgical Implants (UNS S31673), 2003. Filho, V. L. F., ACESITA. Manual de Acabamento dos Aços Inoxidáveis, 1997. Disponível em: <http://www.nucleoinox.org.br/new/downloads/manual_ acabamento_a%e7o%20inox.pdf> Acesso em 15/02/2008. 5. DETALHES DOS AUTORES Marcela T. Nunes, Química, é executora dos atendimentos tecnológicos do PRUMO/Tratamento de Superfícies no Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT Vinicius D. Cortez, Químico Industrial, é supervisor de ensaios sobre a Diretiva RoHS no Instituto de Pesquisas Tecnológicas IPT Vicente N. G. Mazzarella, Metalurgista, é coordenador do PRUMO no Instituto de Pesquisas Tecnológicas IPT Zehbour Panossian, Física, Dra., é coordenadora do Laboratório de Corrosão e Proteção no Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT Cleiton S. Mattos, Químico, Me., é coordenador do PRUMO/Tratamento de Superfícies no Instituto de Pesquisas Tecnológicas IPT 403