CONVÊNIOS CNPq/UFU & FAPEMIG/UFU Universidade Federal de Uberlândia Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação
DIRETORIA DE PESQUISA
COMISSÃO INSTITUCIONAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA
2008 – UFU 30 anos
TEMPERATURA NA FURAÇÃO COM BROCAS ODONTOLÓGICAS
Rosa Lia Rosales Medeiros Marcelo Bertolete Carneiro Álisson Rocha Machado Éder Silva Costa
Faculdade de Engenharia Mecânica – Universidade Federal de Uberlândia, campus Santa Mônica, CEP 38408-902,
rliarm@yahoo.com.br; bertolete@hotmail.com; alissonm@mecanica.ufu.br; eder@div.cefetmg.br
Resumo: Os implantes dentais são alternativas inquestionáveis na confecção de próteses para
pessoas parcial ou totalmente desdentadas, em busca do retorno da sua função mastigatória e estética. Para colocação do implante são necessárias várias operações de furação no tecido ósseo do paciente, para inserir um suporte, normalmente feito de titânio, que ancorará a prótese dentária. Estudos realizados anteriormente demonstraram que temperaturas superiores a 47°C por mais de um minuto durante a perfuração dos alojamentos poderiam inibir a regeneração óssea, tornando impossível a fixação do suporte do implante. Por este motivo as brocas devem possuir alto poder de corte para que o osso seja lesado o mínimo possível. A correlação entre o poder de corte da broca e seu nível de desgaste é uma ferramenta importante para o seu projeto e a sua utilização. O objetivo deste trabalho é determinar as temperaturas nas proximidades das paredes de furos (termopares inseridos) em ossos de tíbia bovina e avaliar a variação dessas temperaturas e tendências, na tentativa de simular os procedimentos realizados em consultório odontológico, quando se prepara alojamentos ósseos receptores de implantes dentais. E dessa forma, fornecer subsídios para o aperfeiçoamento do projeto dessas ferramentas, bem como instruções de uso eficientes e seguras aos cirurgiões dentistas, de maneira a garantir bons resultados na osseointegração. Para tanto, se tornou necessário encontrar um fluido com as mesmas propriedades refrigerantes do soro fisiológico, utilizado como irrigação pelos cirurgiões, e que não causasse danos (corrosão) ao maquinário a ser utilizado nos testes, calibrar os termopares e, finalmente, realizar os testes de medição de temperatura.
Palavras-chave: implantes dentais, furação, temperatura.
1. INTRODUÇÃO
Nos processos de usinagem, quando a ferramenta de corte entra na peça e retira material, calor é gerado devido à deformação plástica e ao atrito (Carvalho, Abrão e Rubio, 2004).
As temperaturas geradas dependem diretamente das condições de corte empregadas, tais como velocidade de corte, avanço, força, profundidade de corte, uso ou não de fluido de corte, tipo de material da peça e da ferramenta, e da geometria da ferramenta (Carvalho, Abrão e Rubio, 2004). Na ferramenta temperaturas elevadas aumentam o desgaste e também enfraquece o material, diminuindo a resistência ao cisalhamento. Na peça o aumento da temperatura pode ser útil quando se considera que ela reduz a resistência ao cisalhamento e diminui as forças de corte, e assim, a potência de usinagem. Mas pode também causar problemas, provocando dilatação e conseqüentemente erros de precisão dimensional, ou ainda influenciar algumas propriedades do material, (Kalidas et al., 2002, citado por Brandão e Coelho, 2006). Em caso de aplicações em implantes dentários o aquecimento demasiado pode causar problemas de osseointegração.
Bachus et al. (2000) avaliaram experimentalmente o comportamento da temperatura na vizinhança do furo que estava sendo usinado em um tecido cortical, considerando apenas a força aplicada. Eles concluíram que o aumento desta força durante o processo de furação diminuiu consideravelmente a temperatura. A razão principal deste comportamento é a redução do tempo de furação e conseqüentemente a diminuição do processo de atrito que as guias cilíndricas das brocas desenvolvem na parede do furo e, portanto, da geração de calor no processo.
Assim, se pode apreender previamente que a magnitude do dano ao alojamento depende basicamente de quatro fatores inerentes à técnica cirúrgica que são: o poder de corte das brocas, a irrigação contínua de fluido refrigerante durante a execução do furo e as condições de corte empregadas e a densidade do osso.
Ainda não existe consenso científico entre os fabricantes e os usuários de brocas para implantodontia quanto à capacidade de corte destas. Por sua vez, a substituição das ferramentas tem se tornado um processo subjetivo à experiência de cada profissional. Nesse ínterim, vislumbra se esta pesquisa com o objetivo de determinar as temperaturas nas proximidades das paredes dos furos (termopares inseridos) em ossos de tíbia bovina e avaliar a variação dessas temperaturas e tendências, na tentativa de simular os procedimentos realizados em consultório odontológico, quando se prepara alojamentos ósseos receptores de implantes dentais.
2. OBJETIVO GERAL DO PROJETO
O objetivo deste trabalho é desenvolver procedimentos para determinar as temperaturas nas proximidades das paredes de furos (termopares inseridos) em ossos de tíbia bovina e avaliar a variação dessas temperaturas e tendências, quando utilizando as quatro brocas (ver Figura 1) na tentativa de simular os mesmos procedimentos realizados quando se perfura o osso da mandíbula para o preparo de alojamentos ósseo receptores de implantes dentais.
Figura 1 – Kit de brocas usualmente empregado na furação pré-implantes dentário. 1- Lança Ø 2 mm, 2- Helicoidal Ø 2 mm, 3- Piloto Ø 2 e 3 mm e 4- Helicoidal Ø 3 mm.
Sabendo-se que a temperatura durante a perfuração dos alojamentos não deve ser superior a 47 ºC, pretende-se identificar o número de vezes que as brocas poderão ser utilizadas antes de causar algum dano ao tecido ósseo. Em outras palavras, pretende-se verificar a influência das condições de corte e do desgaste das brocas nas temperaturas da parede dos furos.
3. ENSAIO COMPARATIVO DA EVOLUÇÃO DO RESFRIAMENTO DE CORPOS DE PROVA IMERSOS EM DOIS FLUIDOS
3.1. Objetivo
Com o intuito de usar o Centro de Usinagem como máquina-ferramenta para avaliar a vida das brocas odontológicas utilizadas em implantodontia, sabendo se que a refrigeração do processo de corte se faz necessário, deve-se ponderar sobre a substituição do soro fisiológico, fluido altamente corrosivo ao maquinário, por um com propriedades anti-oxidantes, como o fluido arrefecimento automotivo.
1 2
3 4
1 2
Nesse ínterim, se propõe uma análise comparativa entre os dois fluidos citados, com a finalidade de verificar se estes promovem a refrigeração durante a usinagem de maneira similar.
3.2. Materiais e Métodos
Neste ensaio foram confeccionados dois corpos de prova nas dimensões cúbicas de 15 mm de poliuretano rígido (material que simulará o tecido ósseo da maxila). Dois termopares foram
fixados com cola Super Bonder® em cada corpo de prova. Um na superfície para mera comparação
com a temperatura do meio ambiente e outro no interior do material após tê-lo seccionado ao meio. Posteriormente, foi feito a união das duas metades de cada amostra com cola de silicone comum, ver Figura 2.
Figura 2– Corpos de prova unidos ao termopar.
Foi utilizado um banho termostático da marca ERTCO® precision, para aquecer as amostras
até a temperatura de 56ºC, ver Figura 3.
Figura 3 – Banho termostático ERTCO®.
Atingida a estabilidade térmica, os dois corpos de prova eram retirados simultaneamente do banho e mergulhados em duas bacias que continham, respectivamente, soro fisiológico e solução de água mais fluido de arrefecimento automotivo a 20% ou 40%, a temperatura ambiente, ver Figura 4. Cada bacia recebeu um litro de cada líquido testado.
Um milivoltímetro da marca Agilent® foi utilizado para registrar as temperaturas de resfriamento para ambos os materiais testados, desde a estabilidade térmica a 56ºC até a ambiente, ver Figura 5.
Figura 5 – Milivoltímetro Agilent®.
Ao todo foram realizados 9 testes. Três realizados com soro e solução a 20%, três com soro e solução a 40% e finalmente, mais três testes com soro e soro, para entender se existia alguma diferença no decaimento das temperaturas em relação às diferenças entre os corpos de prova.
3.2.1. Especificação dos Materiais e Equipamentos
Corpos de prova → Poliuretano Rígido com porção cortical e trabecular fornecida pela Nacional Ossos;
Termopar → Tipo T (cobre constantam) – Cabo Termoiope A-TX-TF-TF-R-IMP.30AWG-ISA fornecida pela IOPE;
Colas → Super Bonder®
e silicone comum;
Banho termostático → ERTCO® precision – Thermometry Calibration System;
Soro fisiológico → Solução de cloreto de sódio 0,9% fornecido pela Farmax;
Fluido de arrefecimento automotivo → T15 Sintético Concentrado fornecido pela Radnew;
Milivoltímetro → Agilent®
34970ª.
3.3. Resultados
De acordo com a Tabela 1 foi realizada a seguinte seqüência de testes. Tabela 1 – Seqüência de testes.
Testes Tratamentos 1 40% Soro 2 40% Soro 3 20% Soro 4 20% Soro 5 40% Soro 6 20% Soro 7 Soro Soro 8 Soro Soro 9 Soro Soro
Evolução da Temperatura 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0.018 15.642 31.220 46.847 62.421 78.031 93.646 109.206 124.803 140.403 156.032 171.642 187.232 202.831 218.418 234.020 249.610 265.229 280.829 296.409 312.036 327.619 343.235 358.813 374.433 390.023 405.619 421.212 436.846 452.435 468.047 483.607 499.224 514.805 530.407 546.031 561.635 577.242 592.842 Tempo [s] Te mperatura [º C ]
Term1. 20% (CH101) Term.2 Soro (CH102)
Figura 6 – Evolução do resfriamento dos corpos de prova imersos em solução a 20% de fluido de arrefecimento e soro (Teste 4), respectivamente.
Em cada teste para um mesmo tempo de aquisição foi verificado uma diferença de temperatura entre os corpos de prova no intervalo de 56ºC a 20ºC. A máxima diferença de temperatura está representada na Figura 7, abaixo.
Análise dos Testes
2,16 2,02 2,44 1,99 2,40 3,46 3,19 2,12 1,97 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 Teste1 40% Teste2 40% (Rép.1) Teste3 20% Teste4 20% (Rép.1) Teste5 40% (Rép.2) Teste6 20% (Rép.2) Teste7 Soro Teste8 Soro (Rép.1) Teste9 Soro (Rép.2)
Seqüência dos Testes
D ife re n ç a d e T e m p e ra tu ra s [º C ]
Figura 7 – Máxima diferença de temperatura entre as curvas em função da seqüência dos testes.
Da Figura 7 pode-se apreender que para todos os testes, inclusive quando os corpos de prova eram resfriados no mesmo fluido (soro e soro), houve diferença entre as temperaturas. Isso implica, principalmente baseando-se nos testes 7, 8 e 9, que a diferença é devido a não homogeneidade dos corpos de prova, tanto em relação à fixação dos termopares quanto à vedação das duas metades unidas.
3.4. Conclusão
4. ENSAIO COMPARATIVO DE CORROSÃO PARA TRÊS TIPOS DE FLUIDOS UTILIZADOS PARA A REFRIGERAÇÃO DE BROCAS ODONTOLÓGICAS
4.1. Objetivo
Sabendo que a máquina ferramenta que será utilizada para avaliar o desempenho das brocas odontológicas de implantodontia é um Centro de Usinagem controlado por comando numérico e que o uso do fluido de corte como refrigerante é imprescindível ao processo. Torna-se necessário identificar quais fluidos podem ou não oxidar a máquina. E assim, assegurar o seu perfeito funcionamento.
4.2. Materiais e Metodologia
Os testes foram realizados com três fluidos diferentes. São eles: Água;
Soro fisiológico;
Fluido de arrefecimento automotivo na proporção de 20% e 40%, diluído em água.
O soro fisiológico é o fluido que se emprega nas operações de implantodontia, devido à necessidade de refrigeração do processo. A água é um fluido de fácil obtenção e que mais se aproxima do soro. Porém, ambos por conhecimento prévio promovem a oxidação da máquina.
O fluido de arrefecimento automotivo foi escolhido para a comparação por apresentar característica comercial anticorrosiva.
Foram confeccionadas vinte amostras (bolachas) de diâmetro de 40 milímetros do material ABNT 12L14 (aço de livre-corte), as quais foram testadas conforme apresentado na Tabela 2 abaixo.
Tabela 2 – Distribuição das amostras
Água Soro Fisiológico F. Arref. a 20% F. Arref. a 40% 2 horas amostra 1 amostra 2 amostra 3 amostra 4 4 horas amostra 5 amostra 6 amostra 7 amostra 8 6 horas amostra 9 amostra 10 amostra 11 amostra 12 12 horas amostra 13 amostra 14 amostra 15 amostra 16 24 horas amostra 17 amostra 18 amostra 19 amostra 20
Da tabela acima pode se compreender que as amostras foram distribuídas em função do tempo e do tipo de fluido testado, sendo que para cada corpo de prova foi depositado sobre a superfície, através do uso de uma seringa de 20 mililitros, um mililitro do fluido correspondente e esperado o tempo determinado para o teste.
4.3. Resultados e Conclusões
Figura 8 – Resultado final das amostras expostas aos fluidos.
A água e o soro (coluna 1 e 2) reagiram com o material das amostras causando uma
acentuada oxidação de cor laranja (Fe2O3), como era previsto. Por este motivo, a sua utilização
como fluido de corte deve ser evitada, pois causarão danos à máquina-ferramenta.
O fluido de arrefecimento a 20% ou a 40% em contato com o aço de livre corte não permitiu sinais de oxidação e as manchas azuis são referentes ao corante do fluido e podem ser facilmente retiradas. Dessa forma, estes são os mais indicados como fluido de corte nos ensaios a serem realizados, pois não provocarão danos ao barramento da máquina, nem aos seus sistemas eletrônicos.
5. DETERMINAÇÃO DA CURVA DE CALIBRAÇÃO DOS TERMOPARES TIPO T UTILIZADOS PARA A MEDIÇÃO DE TEMPERATURAS
5.1. Objetivo
Os termopares utilizados na medição das temperaturas são do tipo T, isto é, de cobre e constantam, fornecidos pela IOPE, que atende com grande confiabilidade o intervalo de temperatura de interesse (de 15 a 60 C°).
Estes termopares apresentam certo nível de incerteza e por este motivo é necessária sua calibração, que tem como objetivo relacionar o valor de temperatura indicado pelo termopar com o valor real ao qual este é submetido.
5.2. Materiais
Para a realização do procedimento de calibração, foram utilizados os seguintes materiais: Termopar → Tipo T (cobre constantam) – Cabo Termoiope A-TX-TF-TF-R-IMP.30AWG-ISA fornecida pela IOPE;
Banho termostático → ERTCO® precision – Thermometry Calibration System;
Milivoltímetro → Agilent®
34970ª
5.3. Metodologia
Optou-se pelo banho termostático, pois este é o mais indicado para temperaturas baixas e a
sua homogeneidade é muito melhor que o seco. Utilizou-se um da marca ERTCO® precision (ver
Figura 3), que aqueceu o termopar à temperatura real de 60°C e foi reduzindo-a até 15°C, em intervalos de 1 em 1ºC, sempre esperando um determinado tempo até que sua estabilidade fosse atingida.
O milivoltímetro da marca Agilent® (ver Figura 5) foi utilizado para registrar as temperaturas
fornecidas pelo termopar. Desse modo, fez-se uma relação entre a temperatura real a qual o termopar estava submetido e à medida por este, registrada no milivoltímetro.
5.4. Resultados e Conclusões
Os dados fornecidos levaram ao gráfico apresentado a seguir:
Figura 9 – Curva de calibração.
A partir do gráfico e de um valor de temperatura fornecido pelo milivoltímetro ligado ao termopar é possível obter a real temperatura a qual este está sendo submetido.
6. ENSAIOS DE FURAÇÃO E MEDIÇÃO DE TEMPERATURA 6.1. Objetivo
Os ensaios realizados têm como objetivo determinar as melhores condições de corte analisando o desenvolvimento da temperatura quando se fura o osso de tíbia bovina simulando os mesmos procedimentos realizados por cirurgiões em seus consultórios.
6.2. Materiais e Metodologia
Para a realização dos ensaios de furação, foram utilizados os seguintes materiais e equipamentos:
3 Termopares → Tipo T (cobre constantam) – Cabo Termoiope A-TX-TF-TF-R-IMP.30AWG-ISA fornecida pela IOPE;
Milivoltímetro → Agilent®
34970ª;
Centro de Usinagem CNC Discovery 760 da marca Romi; Tíbia bovina como corpo de prova;
Brocas de aço inoxidável martensítico 440C;
Para a confecção dos corpos de prova, a tíbias bovinas foram cortadas com espessura de 15 mm, simulando o osso da mandíbula. Nestes corpos de prova fez-se dois ou três furos (de acordo com a quantidade que a cortical permitia) de 2mm de diâmetro, dispostos a 4 mm uns dos outros a partir da superfície e a 1 mm da parede da loja receptora do implante. Os termopares foram envolvidos com pasta térmica e inseridos no corpo de prova já colocado no Centro de Usinagem (Figura 10).
Figura 10 – Esquema de colocação dos materiais.
Foram utilizadas quatro brocas de aço inoxidável 440C (Figura 1) para realizar o ciclo completo de furos necessários para colocação da loja receptora. Enquanto ocorria a furação, o milivoltímetro adquiria os valores relativos à temperatura.
As condições de corte foram variadas para análise da influência na temperatura.
O fluido de arrefecimento automotivo foi utilizado como fluido de corte com vazão de 160 ml.
6.3. Resultados e Conclusões
A Tabela 3 apresenta os resultados das máximas temperaturas desenvolvidas durante o corte para cada ferramenta em seus respectivos testes.
Tabela 3 – Resultados de máxima temperatura para cada ferramenta.
Temperatura nas Ferramentas [ºC]
Testes Lança BH 2 Piloto BH 3
1 28,61 72,22 27,95 39,10
2 28,00 42,87 27,71 30,47
3 29,63 49,12 28,57 33,21
4 24,98 30,85 25,91 28,07
72,22 42,87 49,12 30,85 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 Vf 24 Vf 45
Velocidade de Avanço [mm/min]
Te m pe ra tura [ ºC ] n 1000 rpm n 2500 rpm
Figura 11 – Influência da variação da velocidade de avanço na temperatura.
Por esta figura verifica-se que com o aumento da velocidade de avanço, para ambas as rotações, os valores máximos de temperatura tendem a diminuir. Isto é, quanto mais rápido a fonte de calor (ferramenta) realizar o corte menor será o tempo para que haja a dissipação de calor por condução ou convecção ao osso.
A Figura 12 mostra que o aumento da rotação fez com que os valores máximos de temperatura diminuíssem. 72,22 49,12 42,87 30,85 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 1000 2500 Rotação [rpm] Te m pe ra tura [ ºC ] Vf 24 mm/min Vf 45 mm/min
Figura 12 – Influência da variação da rotação na temperatura.
7. CONCLUSÕES
Concluímos que aumentar a rotação e, principalmente a velocidade de avanço pode diminuir a temperatura, podendo evitar que o osso atinja 47°C, o que poderia causar danos irreversíveis ao tecido ósseo.
Os testes continuarão a fim de se ter mais conhecimentos sobre o desenvolvimento da temperatura na furação do osso, além do número de furos que as brocas podem realizar até que o osso atinja a temperatura crítica de 47°C.
8. AGRADECIMENTOS
Ao Laboratório de Ensino e Pesquisa em Usinagem (LEPU) da faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Uberlândia por ter tornado possível a realização deste trabalho, ao CNPq pela concessão de bolsa de estudos, à Universidade Federal de Uberlândia e à SIN (Sistemas de Implantes) pelo apoio no desenvolvimento desta pesquisa.
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Brandão, L. C. Coelho, R. T., Comparação dos Valores de Temperatura entre Sistemas de
Refrigeração na Furação do Aço AISH H13 Endurecido, USINAGEM 2006 – feira e congresso, 24
a 26 de outubro, Expo-Center Norte, São Paulo, 2006.
Carvalho, D. S., Abrâo, A. M.; Rubio, J. C. C., 2004, Monitoramento da temperatura de usinagem. XI Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica, Nova Friburgo, RJ, 2004.
Disponível em http://www.abcm.org.br/ (acesso em 02 de janeiro de 2007).
Watanabe, F.; Tawada, T.; Komatsu, S. e Hata, Y., 1992, “Heat Distribution in Bone During Preparation of Implants Sities: Heat Analysis by Real-Time Thermography”. J. Oral Maxillofac. Implants, vol.7, p. 212-219.
TEMPERATURE DURING DRILLING FOR DENTAL IMPLANTS
Rosa Lia Rosales Medeiros Marcelo Bertolete Carneiro Álisson Rocha Machado Éder Silva Costa
Faculdade de Engenharia Mecânica – Universidade Federal de Uberlândia, campus Santa Mônica, CEP 38408-902,
rliarm@yahoo.com.br; bertolete@hotmail.com; alissonm@mecanica.ufu.br; eder@div.cefetmg.br
Abstract: The dental implants are an unquestionable alternative to make prosthesis for toothless
peoples to provide masticator action and aesthetic rehabilitation. Drilling operations on the bony tissue are necessary priors to introducing the support, normally made of titanium, which will receive the dental implant. Studies have shown that temperatures above 47°C during the drilling process of the implants can inhibit bone regeneration, damaging or precluding the fixation of the implant support. That’s why the drills should have high cutting performance to avoid injuring the bone. The correlation between the cutting power of a drill and its wear is important for the project and its use. The objective of this study is to determine the temperature near the holes (insert thermocouples) in bovine’s tibia and to evaluate the variation of these temperatures, trying to simulate the procedure realized in dentist’s office, when prepare the bone to receive the dental implant. For this, it is necessary to find a fluid with the same properties of the serum used by the dentists as coolants, and in the same time won’t cause damage to the machine tool that will be used for the tests. The study wants to provide subsidies for improving the project of these dental drills with higher cutting ability, and to offer technical instructions to the dental surgeons, with an efficient and secure method to assure good results in the boneintegration.
