Estudo da maquinabilidade das ligas Ti-6Al-4V e Co-28Cr-6Mo na fresagem de dispositivos biomédicos

Abstract

Os estudos de maquinabilidade de biomateriais e outros materiais aplicados na área médica são extensos. Todavia, muitos destes estudos recorrem a modelos de geometria regular e operações elementares de maquinagem. Relativamente a estas, os estudos académicos atualmente disponíveis mostram que a tecnologia preferencial é o torneamento, opção que se fundamenta na simplicidade de análise (corte ortogonal). Saliente-se ainda que, neste contexto, a liga de titânio Ti-6Al-4V constitui o biomaterial mais utilizado. Numa perspetiva complementar, refira-se que as publicações científicas evidenciam que a informação disponível sobre a fresagem Ti-6Al-4V não é muito extensa e a do Co-28Cr-6Mo é quase inexistente. A presente dissertação enquadra-se neste domínio e representa mais uma contribuição para o estudo da maquinabilidade das ligas de Titânio e de crómio-cobalto. A aplicação de operações de maquinagem complexas, através do recurso a programas informáticos de fabrico assistido por computador (CAM), em geometrias complexas, como é o caso das próteses femorais anatómicas, e o estudo comparativo da maquinabilidade das ligas Co-28Cr-6Mo e Ti-6Al-4V, constituem os objetivos fundamentais deste trabalho de doutoramento. Neste trabalho aborda-se a problemática da maquinabilidade das ligas metálicas usadas nos implantes ortopédicos, nomeadamente as ligas de titânio, de crómiocobalto e os aços Inoxidáveis. Efetua-se ainda um estudo da maquinagem de uma prótese femoral com uma forma geométrica complexa, onde as operações de corte foram geradas recorrendo às tecnologias de fabrico assistido por computador (CAD/CAM). Posteriormente, procedeu-se ao estudo da maquinabilidade das duas ligas usadas neste trabalho, dando uma atenção particular à determinação das forças de corte para diferentes velocidades de corte. Para além da monitorização da evolução da força de corte, o desgaste das ferramentas, a dureza e a rugosidade foram avaliadas, em função da velocidade de corte imposta. Por fim, com base nas estratégias de maquinagem adotadas, analisa-se a maquinabilidade e selecionam-se os parâmetros de corte mais favoráveis para as ligas de Titânio e Crómio-cobalto. Os resultados obtidos mostram que a liga de crómio-cobalto induz maior valor de força de corte do que a liga de titânio. Observa-se um aumento progressivo das forças de corte quando a velocidade de corte aumenta, até atingir o valor máximo para a velocidade de corte de 80m/min, após a qual, a força de corte tende a diminuir. Apesar do fabricante das ferramentas recomendar a velocidade de corte de 50 m/min para ambos os materiais, conclui-se que a velocidade de corte de 65 m/min induz o mesmo desgaste na ferramenta de corte no caso da liga de titânio, e menor desgaste no caso da liga de crómio-cobalto.

Studies regarding the machinability of biomaterials applied in the medical field are extensive. However, many of these studies are based on models with a regular geometry and using elementary machining operations. For these operations, the preferred technology used in academic studies is turning, due to the simplicity of analysis (orthogonal cutting). Moreover, the preferred biomaterial is the titanium alloy (Ti-6Al-4V). It should be also underlined that scientific studies published concerning the milling of Ti-6Al-4V are limited and for Co-28Cr-6Mo scarce. The present PhD Dissertation represents one more contribution to this field and aims to study the machinability of the titanium and chromium-cobalt alloys. The use of complex machining operations by means of software computer-aided manufacturing (CAM) in complex geometries such as the anatomical femoral prostheses and the study the machinability of the Co-28Cr- 6Mo and Ti-6Al -4V alloys represent the main objectives of the present work. In this study, the machining of a femoral prosthesis with a pre-defined complex geometric shape was developed, where the cutting operations were generated using the technology of computer-aided manufacturing (CAD/CAM) is performed. The study the machinability of the chromium-cobalt alloy (Co-28Cr- 6Mo) and titanium alloy (Ti-6Al-4V) is considered next. This work focuses in the determination of the cutting forces by selecting a given cutting speed and ensuring that the cross-sectional cut remains the same, as the cutting speed increases. Beyond the record of the progress of the cutting force, the tool´s abrasion, the hardness and the surface roughness were evaluated as a function of the cutting speed. Finally, based on machining strategies adopted, the most favorable cutting parameters are selected in order to carry out the machining with both alloys considered in this work. According to the results, the conclusions drawn from this thesis are the following: i) for chromium-cobalt alloy, a higher cutting force is obtained. The cutting force increases gradually, as cutting speed increases, till a maximum value at of 80 m/min, and then decreases ii) the tool manufacturer suggests a cutting speed of 50 m/min for both materials, but with a cutting speed of 65 m/min, same tool´s abrasion is obtained for the titanium alloy and less for chromium -cobalt alloy.