Simulação numérica do processo
de fundição de pontes e coroas
dentárias de titânio
Numerical simulation of the casting process of
titatnium tooth crowns and bridges
MENGHUAI WU, MICHAEL AUGHTUN, INGO WAGNER, PETER R. SAHM, HUBERTUS SPIEKERMANN
Foundry Institute, University of Technology Aachen
Rafael F. L. de Cerqueira
05/09/2012
Introdução
Os objetivos principais do trabalho foram:
i)
Simular computacionalmente o processo de
injeção e solidificação de uma coroa e uma ponte
dentária;
ii)
Predizer e minimizar a formação de
porosidades através da otimização numérica do
sistema de injeção e seus parâmetros característicos.
Introdução
A porosidade é um dos defeitos mais comuns na
fundição de próteses dentárias de titânio
O fenômeno é indesejável e pode ser classificada em
dois grandes grupos:
i)
porosidade causada pela contração do material
durante resfriamento e solidificação;
ii)
poros ocasionados por gases.
Introdução
A porosidade causada por contração decorre do mau
dimensionamento do canal descida
Fatores que inclui o aprisionamento de gás no material
fundido:
i)
reação entre o titânio fundido e o molde;
ii) absorção de gás na frente de solidificação devido a
diferença de solubilidade entre liquido e gás;
O problema pode ser contornado do seguinte modo:
i)
aumento da permeabilidade do molde,
possibilitando a “fuga” do gás;
ii)
projeto do canal de descida a fim de evitar o
começo da solidificação pela mesma (“premature
solidification of the sprue”), uma vez que a essa impede a
saída do gás formador de porosidades.
Materiais e Métodos
A simulações foram realizadas no software comercial
MAGMASOFT
A porosidade foi quantitativamente calculada
através de um função de critério baseado nas
isotermas e frente de solidificação(tempo)
A geometria a ser fundida foi obtida por meio da
digitalização de um modelo real com auxílio de um
scanner 3D (point cloud)
O canal de injeção e o sistema de alimentação foi
projetado em software CAD comercial
Materiais e Métodos
Experimento
As situações de projeto com melhor configuração foram
fundidas para futura inspeção experimental
As peças foram criadas com auxílio da prototipagem rápida de
uma matriz em cera, para posterior criação de seus moldes –
fundição por cera perdida
As próteses foram produzidas em um máquina de fundição
centrífuga.
O material fundido escolhido foi titânio comercial puro – grau II
O molde foi feito com uma pasta refratária de SiO2 com um
revestimento de ZrO2 com menos de 1mm
O titânio foi vazado a uma temperatura de 1700ºC em um
molde preaquecido a 500ºC
Resultados
Tempo total enchimento molde
coroa: ~0.131s
Tempo total enchimento ponte
dentária: ~0.212s
Em ambas situações não
houve solidificação durante o
enchimento
Sequência de enchimento da ponte dentária(Design 4). (a) 30% cheia
(0.054s); (b) 60% cheia (0.09s); (c) 80% cheia (0.111s); (d) 90% cheia (0.121s)
Resultados
Aparecimento de pontos quentes
Dificuldade de alimentação nas
coroas maiores
Canal de entrada não deve ser
muito longo
Difícil alimentação das coroas através de
um canal de entrada
Aparecimento regiões mal preenchidas
Resultados da simulação (coroa - design 1). (a) Isoterma de solidificação; (b) Previsão de contração.
Resultados
Sequência ideal de solidificação
com o Design 4 – resultando em
retrabalho
Design 3 melhor projeto em
termos de praticidade e
enchimento do molde
Apenas uma região problemática nas
proximidades do canal de entradacoroa
Peças sem tendência de surgimento
de porosidades
Resultados da simulação (coroa - design 3). (a) Isoterma de solidificação; (b) Previsão de contração.
Resultados
Design 2 e 4 representam os
melhores projetos
Configuração mais prática
com apenas um canal de
descida – Design 4
Design 1 possui um canal de ligação
da ponte muito longo, ocorrendo
solidificação do mesmo (efeito
indesejável)
Design 3 disposto com um canal de
alimentação curvado, melhores
resultados do que o Design 1
Resultados da simulação (ponte - design 4). (a) Isoterma de solidificação; (b) Previsão de contração.
Resultados
Próteses dentárias fundidas criadas a partir das configurações
otimizadas(simulação numérica). Nenhuma porosidade foi detectada na
radiografia. (a e b) coroas dentárias; (c e d) pontes dentárias
Conclusões
A melhor configuração para fundição das pontes e coroas
dentárias é:
•canal de descida com ϕ3-4mm;
•canal de enchimento ≥ ϕ4mm;
•canal de entrada ϕ3mm e comprimento de 2-3mm;
•para coroas grandes utilizar dois canis de entradas
A dimensão dos canais de entrada é o parâmetro mais
sensível do processo
Próteses dentárias de titânio podem ter seu processo de
injeção previstos e otmizados computacionalmente
Conclusões
As simulações indicam que as configurações testadas
ajudam o não aprisionamento de gases devido:
• geometria dos moldes de injeção;
• solidificação direcional e processo com forças
centrífugas elevadas(Lei de Stokes)
;