Estudo do processo de maquinagem de componente polimérico tibial de implante do joelho

Abstract

A personalização de implantes do joelho é uma tendência crescente que permite aumentar a sua vida útil, exigindo processos de fabrico mais flexíveis do que os aplicados na produção em série. Esta tese analisa a viabilidade de produção personalizada através de maquinagem de alta velocidade com 3 ½ eixos, sendo o componente estudado aquele que é mais sujeito a desgaste na prótese do joelho. Deste modo, o trabalho desenvolvido teve como objetivos a modelação, o fabrico e o estudo do estado superficial do componente polimérico do implante do joelho, obtido por maquinagem a alta velocidade com recurso a ferramentas de corte convencionais. Esta interface de contacto entre o componente femoral e o prato tibial, foi modelada, a partir de modelos reais, em software 3D, recorrendo a técnicas da Engenharia Inversa. A otimização de parâmetros do processo levou à conceção de uma peça-teste com as superfícies mais importantes do espaçador, com principal ênfase para as cavidades dos côndilos. A simulação da maquinagem da peça-teste permitiu selecionar as seis trajetórias mais promissoras a estudar em testes experimentais. Os ensaios de maquinagem foram planeados através do método de Taguchi e realizados em várias fases, permitindo a sucessiva redução do número de trajetórias e de parâmetros considerados inicialmente, otimizando a qualidade das superfícies obtidas nesta operação de acabamento. No método proposto, a qualidade das superfícies foi avaliada quantitativamente através da leitura de alguns parâmetros de rugosidade, como o Ra (rugosidade média), e qualitativamente através de imagens de microscopia ótica. Modelaram-se a rugosidade média e a duração do acabamento em função dos parâmetros mais influentes, que são o incremento lateral entre passagens sucessivas da ferramenta de corte, ou a sua velocidade de avanço, consoante a trajetória. O melhor acabamento foi conseguido com a estratégia Blend obtendo-se um valor médio de Ra próximo de 1,1 µm e originando uma trajetória em espiral. Na produção do protótipo aplicaram-se os parâmetros otimizados na peça-teste recorrendo a uma máquina CNC com 3 ½ eixos e avaliou-se a precisão dimensional das superfícies maquinadas.

Customized knee implants are a growing tendency which increases its lifetime, however it requires more flexible manufacturing processes than those applied in mass production. This thesis analyses the feasibility of customized production through high speed machining with 3 ½ axes. The knee prosthesis component studied is the one that is most subject to wear. Thus, the objectives of this work were modelling, manufacturing and studying the surface quality of the tibial insert, obtained by high-speed machining using conventional cutting tools. This interface, between the femoral component and the tibial plate, was modelled from real implants in 3D software, using reverse engineering techniques. The optimization of process parameters led to the design of a test piece with the most important surfaces of the tibial insert, with a primary accent on the condylar cavities. A machining simulation of the test piece allowed to select the six most promising trajectories to be studied in experimental tests. The machining tests were planned using the Taguchi method and carried out in several phases, allowing the reduction of the number of toolpaths and parameters considered initially, optimizing the roughness obtained in this finishing operation. The quality of the surfaces was measured by reading several roughness parameters, such as the arithmetic mean surface roughness (Ra), and through optical microscopy images. The average roughness (Ra) and the duration of the finish operations were correlated to the most influential parameters, which are the stepover and the feed rate. The best finish was achieved with the Blend strategy, with a spiral toolpath, obtaining a Ra value close to 1.1 µm. The optimized parameters were used in the production of the modelled tibial insert using a CNC machine with 3 ½ axes. The dimensional accuracy of the machined surfaces was evaluated.