Avaliação do dano em processos de furação de materiais compósitos similares a tecidos ósseos

Abstract

Em diferentes áreas da medicina existem processos cirúrgicos que envolvem a furação de tecido ósseo, dependendo o seu sucesso da conjugação de diversos parâmetros. A previsão e o controlo dos parâmetros envolvidos são fundamentais para a redução do dano no tecido ósseo. Este trabalho tem como objetivo avaliar o estado de tensão gerado durante o processo de furação utilizando materiais sólidos de espumas de poliuretano rígidas com características similares ao osso humano. Durante a furação dos materiais sólidos são utilizados métodos experimentais, baseados na extensometria e na termografia, para análise das deformações e da temperatura na broca. Os parâmetros envolvidos na furação são a geometria da broca constantes em diferentes testes, sendo variável a velocidade de avanço e a velocidade de rotação. Em simultâneo, foi desenvolvido um modelo numérico de dinâmica explícita, com recurso ao método de elementos finitos, através do programa LS-DYNA. Os resultados permitem obter o campo de tensões nos materiais sólidos em função dos diferentes parâmetros de furação. Para a mesma velocidade de rotação e geometria de broca, a diminuição na velocidade de avanço provoca o aumento das tensões. Para a mesma velocidade de avanço e geometria da broca, o aumento da velocidade de rotação provoca aumento das tensões. Em relação à resistência mecânica da espuma de poliuretano rígida utilizada, e para a zona de medição instrumentada, não há registo de dano no tecido. O dano é provocado na zona de furação pela remoção do material.In different fields of medicine there are surgical procedures that involve the bone tissue drilling, depending on its success of the several parameters combination. The calculation and the control of the involved parameters are critical to reducing the bone tissue damage. This research aims to evaluate the level of generated stresses during the drilling process, using solid rigid polyurethane foams with similar mechanical properties to the human bone. During the drilling of the solid materials are used experimental methods, based on strain gauges and thermography, for measuring the strain in the solid materials and temperature calculation on the drill bit. The involved parameters in drilling are the drill bit geometry, always constant in different tests, varying the rotational speed and the feed-rate. In simultaneous, a numerical explicit dynamic model, using the finite element method, was developed through LS-DYNA program. The results allow to obtain the stresses field in solid materials, function of the different drilling parameters. To the same rotational speed and the drill bit geometry, the feed-rate decreases, and carries out the increase in the level of stresses. To the same feed-rate and the drill bit geometry, the rotational speed increases, and carries out the increase in the level of stresses. Due to the mechanical resistance of the rigid polyurethane foam, for the instrumented measured zone, there is no mechanical tissue damage. The damage is caused in the hole due to the perforation by the material removing