Autor(es):
Sobral, João Miguel Antunes 
Data: 2007
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10773/2418
Origem: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Assunto(s): Biomecânica; Ossos; Próteses; Tribologia
Descrição
A tribologia estuda o atrito e o desgaste resultantes da interacção de
superfícies em movimento relativo.
O desgaste é um dos factores mais relevantes na durabilidade da prótese da
anca.
O objectivo da investigação referente à tribologia da prótese da anca visa
minimizar o atrito e o desgaste do implante e deste modo aumentar o tempo de
vida da articulação artificial.
Ensaios do tipo pino-em-disco, que permitem a caracterização de materiais
relativamente a parâmetros importantes como o coeficiente de atrito, o
desgaste e os efeitos da rugosidade dos materiais ou da lubrificação e ensaios
simulando as condições in vivo em relação aos componentes da prótese,
cabeça femoral e acetábulo, ao ciclo dinâmico aplicado bem como às
condições de lubrificação, têm sido utilizados no desenvolvimento tribologico
da prótese da anca.
Esta dissertação é o resultado da concepção, projecto e fabrico, no contexto
actual da tribologia da prótese da anca, de um dispositivo para ensaios de
desgaste de componentes acetabulares, destinado à análise comparativa de
taxas de desgaste do acetábulo com diferentes pares cabeça femoralacetábulo
e da sua variação em função da força aplicada.
Após o estudo de várias soluções técnicas optou-se pelo desenvolvimento do
dispositivo de ensaios de desgaste de componentes acetabulares de modo a
simular as condições in vivo, o ciclo dinâmico através de três eixos
perpendiculares de rotação, FE, AA e RIE e um eixo vertical de carga e a
lubrificação, garantindo a submersão dos componentes da prótese em fluido
lubrificante durante a realização dos ensaios.
Foi realizado o projecto integral do dispositivo através da sua modelação
tridimensional, animação cinemática do modelo tridimensional e desenhos
ortográficos técnicos de pormenor de todas a peças a fabricar, bem como a
definição dos componentes estandardizados e normalizados a integrar. O
detalhe do projecto e a verificação funcional através da animação cinemática
permitiu a montagem total do dispositivo sem a necessidade de quaisquer
modificações ao projecto.
De modo a garantir a fiabilidade do dispositivo e dos seus ensaios, foram
realizados cálculos estruturais, pelo método de elementos finitos, com base no
modelo digital do dispositivo, para optimizar a sua rigidez estrutural. Foi
desenvolvido um sistema de controlo que permite a monitorização em tempo
real da posição dos três eixos e da carga aplicada para assegurar as
condições dinâmicas de ensaio.
As verificações realizadas após a conclusão da montagem do dispositivo, ao
nível da sua geometria e de rotação dos eixos quando aplicada a carga axial,
evidenciaram resultados muito satisfatórios.
O desempenho do dispositivo e os resultados dos testes de desgaste só
poderão ser analisados após a realização de ensaios com o mesmo.
ABSTRACT: Tribology is an engineering area where friction and wear caused by the
interaction of surfaces in relative motion is studied.
Wear is one of the most relevant factors in the durability of the hip prosthesis.
The objective of hip prosthesis tribology investigation is to minimize friction and
wear of the implant, to increase its life-time.
Pin-on-disk tests that allow the characterization of material parameters such as
the coefficient of friction, wear, material roughness, lubrication effects and tests
simulating in vivo conditions concerning prosthetic components, femoral head
and acetabulum, under applied dynamic cycle as well as lubricating conditions,
has been used in the development of hip prosthesis tribology.
This dissertation is the result of the conception, design and manufacture, in the
actual context of hip prosthesis tribology, of a device to test wear of acetabular
components with different femoral heads and its variation as a function of the
applied load.
After the study of different technical solutions, decision was made to develop a
wear test device for acetabular components simulating in vivo conditions
concerning the tribology prosthetic components, the dynamic cycle by three
perpendicular rotational axis and a vertical load axis and the lubrication by
assuring prosthesis components submersion during testing.
The complete device design was made with three dimensional modelling,
kinetic animation and orthographic detail drawing of all manufacture parts as
well as definition of standard and normalised components to be integrated. The
design detail and functional verification using kinetic animation of the model
allowed the total device assembly without design modifications.
In order to assure reliability of the device and the tests, structural finite element
analysis was performed, based on the digital model of the device to optimise its
structural stiffness. A control system that allows real time monitoring of the
position of the three axis and of the applied load was developed to assure test
dynamic conditions.
Verifications made after complete assembly of the device, concerning its
geometry and axis rotation when the load is applied, evidenced good results.
Device performance and wear test results can only be analysed after tests
been performed. Mestrado em Engenharia Mecânica
Tipo de Documento
Dissertação de Mestrado
Idioma
Português
Orientador(es)
Simões, José António de Oliveira; Melo, Francisco José Malheiro Queirós de
