Producción y caracterización de elementos a partir de polvo de hueso por prototipeo rápido

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(1)PRODUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE ELEMENTOS A PARTIR DE POLVO DE HUESO POR PROTOTIPEO RÁPIDO. JOSE JAIME RODRIGUEZ FRYE. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECANICA BOGOTA 2004.

(2) PRODUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE ELEMENTOS A PARTIR DE POLVO DE HUESO POR PROTOTIPEO RÁPIDO. JOSE JAIME RODRIGUEZ FRYE. Tesis presentada a la Universidad de los Andes como requisito parcial de grado del programa de pregrado en Ingeniería Mecánica. Asesor:. FABIO ARTURO ROJAS Dr. Ing. Mec. Profesor – Investigador Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECANICA BOGOTA 2004.

(3) EL AUTOR DESEA AGRADECER A: Primero a todos los que colaboraron directamente en este proyecto, a Fabio, a Sandra, a Caro Pérez, sin los cuales el camino hubiese sido más difícil.. A los que ayudaron a que esto fuera posible, la gente del taller de mecánica, ahí perdonaran por todas las molestias, a la gente de IMOCOM y todos los que colaboraron en ese proceso, a los del CITEC.. A todos los que me animaron a seguir adelante, a todos los que alguna vez preguntaron por los “huesos”, o “los polvos” especialmente a todos los amigos de mecánica y a los de una que otra carrera diferente.. Agradecimientos especiales para Liliana que estuvo ahí siempre para animarme y apoyarme en el proceso, y claro para toda mi familia que se preocupo por ayudarme a cumplir este objetivo desde hace años.. Gracias gigantes a todos..... ...EN SERIO!.

(4) DEDICADA A: Todos los que van conmigo por dentro, esta va pa los de cerquita y los de lejos, pa los de hasta ahora y los de más adelante; dedicada a todos los cuales alguna vez me enseñaron algo..

(5) IM-2004-I-31. TABLA DE CONTENIDO. 1. INTRODUCCIÓN 1 2. ANTECEDENTES 4 3. OBJETIVOS 8 3.1. 3.2.. OBJETIVOS GENERALES OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 8 8. 4. MATERIALES Y MÉTODOS 9 4.1 4.2.. SELECCIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DE LOS ELEMENTOS FABRICACIÓN DEL POLVO DE HUESO. 4.2.1. Criterios de selección de las granulometrías. 4.2.2. Materia prima. 4.2.3. Caracterización de los procesos de producción del polvo de hueso. 4.2.4. Granulometría obtenida.. 4.3.. DISEÑO DEL EXPERIMENTO. 4.4.. FABRICACIÓN DE LOS ELEMENTOS. 4.3.1. 4.3.2. 4.3.3. 4.3.4. Tipo de experimento. Determinación de las variables de entrada. Variables de salida. Método de análisis.. 9 14 14 17 20 27 33 33 34 35 37 37. 5. RESULTADOS DE LA EXPERIMENTACION 42 5.1. 5.2. 5.3.. RESISTENCIA MECÁNICA RUGOSIDAD SUPERFICIAL POROSIDAD APARENTE. 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 59. 42 46 54.

(6) IM-2004-I-31 6.1.. 6.2.. CORRELACIÓN RESPUESTA – FACTORES 6.1.1. Resistencia mecánica. 6.1.2. Rugosidad superficial 6.1.3. Porosidad aparente. ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES. 59 59 62 68 71. 7. CONCLUSIONES 74 8. BIBLIOGRAFÍA 77 ANEXOS 80 A.1.. CÁLCULOS Y GRAFICAS DE LAS PENDIENTES PARA LAS CURVAS 80 DE CARGA VS. DEFORMACIÓN PARA LOS DIFERENTES ENSAYOS, PRUEBA DE FLEXIÓN. A.2.. EXPERIMENTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL AVANCE EN PROFUNDIDAD DE LOS PROCESOS ABRASIVOS GRAFICAS DEMOSTRATIVAS DEL COMPORTAMIENTO DE LAS PROPIEDADES MEDIDAS. 83. PARÁMETROS DE RUGOSIDAD Y FICHA TÉCNICA DE LAS PRUEBAS PARA EL RUGOSIMETRO HOMMEL TESTER LV 15 ECUACIONES PARA EL CALCULO DEL MODULO DE ELASTICIDAD Y EL ESFUERZO A FLEXIÓN, SEGÚN LA NORMA ASTM D790.. 86. A.3. A.4. A5.. 85. 91.

(7) IM-2004-I-31. LISTA DE FIGURAS. Figura 4.1. Esquema representativo de la Idea tras la RPT 10 Figura 4.2. Representación esquemática del proceso de impresión tridimensional. 13. Figura 4.3. Esquema explicativo de los cortes realizados transversalmente para 17 retirar las cabezas del fémur Figura 4.4. Muestras cilíndricas de fémur bovino sin deshidratar obtenidas después 18 de retirar los tejidos blandos. Figura 4.5. Esquema de los cortes transversales y longitudinales de la muestra cilíndrica 19 de hueso Figura 4.6. Muestra de hueso encapsulada en su base, lista para ser montada en el torno 21 CNC para ser procesada Figura 4.7. Residuos de diferentes tipos de muestras procesadas por torneado CNC 22 Figura 4.8. Montaje de una muestra en el torno EMCO COMPACT 5 23 Figura 4.9. Sistema de recolección de polvo implementado sobre el torno EMCO COMPACT 5 24 Figura 4.10. Banda lijadora flexible 25 Figura 4.11. Muestras cilíndricas de hueso trabajadas directamente por procesos abrasivos 26 Figura 4.12. Cortes transversales realizados para la obtención del polvo tipo 2 27 Figura 4.13. Microfotografía mostrando la granulometría del polvo tipo 1. Forma del grano individual. 28.

(8) IM-2004-I-31 Figura 4.14. Microfotografía mostrando la uniformidad de los granos constituyentes del 28 polvo tipo 1 Figura 4.15. Microfotografía mostrando la granulometría del polvo tipo 2. Forma del grano individual. 29. Figura 4.16. Microfotografía mostrando la uniformidad de los granos constituyentes del 29 polvo tipo 2 Figura 4.17. Microfotografía mostrando la granulometría del polvo tipo 3. Forma del grano individual. 30. Figura 4.18. Microfotografía mostrando la uniformidad de los granos constituyentes del 30 polvo tipo 3 Figura 4.19. Microfotografía mostrando la granulometría del polvo tipo 84. 31 Forma del grano individual Figura 4.20. Microfotografía mostrando la uniformidad de los granos constituyentes del 31 polvo tipo 84 Figura 4.21. Microfotografía mostrando la granulometría del polvo tipo 91 Figura 4.22. Descripción del factor de forma para los polvos de tipo granular 33 Figura 4.23. Sistema de impresión Z406 de Z-CORP 38 Figura 4.24. Distribución de las diferentes granulometrías en la bandeja de alimentación 39 Figura 4.25. Probetas obtenidas en la impresión tridimensional 40 Figura 4.26. Detalle de las fallas superficiales y fracturas prematuras presentes 40 en los tornillos impresos tridimensionalmente Figura 4.27. Tornillos producidos por impresión tridimensional 41. 32.

(9) IM-2004-I-31 Figura 5.1. Montaje implementado para las pruebas de flexión 42 Figura 5.2. Grafica esfuerzo vs. deformación. Comparación del comportamiento del 44 polvo tipo 1 Figura 5.3. Grafica esfuerzo vs. deformación. Comparación del comportamiento del 44 polvo tipo 2 Figura 5.4. Grafica esfuerzo vs. deformación. Comparación del comportamiento del 45 polvo tipo 84 Figura 5.5. Grafica esfuerzo vs. deformación. Comparación del comportamiento composición 45 de 25% hueso Figura 5.6. Grafica esfuerzo vs. deformación. Comparación del comportamiento composición 46 de 75% hueso Figura 5.7. Montaje implementado para la medición de parámetros de rugosidad 48. Figura 5.8. Comparación de parámetros de rugosidad para el polvo tipo 1 con 48 25% de hueso Figura 5.9. Comparación de parámetros de rugosidad para el polvo tipo 1 con 49 75% de hueso Figura 5.10. Comparación de parámetros de rugosidad para el polvo tipo 2 con 49 25% de hueso Figura 5.11. Comparación de parámetros de rugosidad para el polvo tipo 2 con 50 75% de hueso Figura 5.12. Comparación de parámetros de rugosidad para el polvo tipo 84 con 25% de hueso. 50.

(10) IM-2004-I-31 Figura 5.13. Comparación de parámetros de rugosidad para el polvo tipo 84 con 75% de hueso. 51. Figura 5.14. Comparación de parámetros promedio de rugosidad para el polvo tipo 1 51 Figura 5.15. Comparación de parámetros promedio de rugosidad para el polvo tipo 2 52 Figura 5.16. Comparación de parámetros promedio de rugosidad para el polvo tipo 84 52 Figura 5.17. Comparación de parámetros promedio de rugosidad para la composición 53 de 25% hueso Figura 5.18. Comparación de parámetros promedio de rugosidad para la composición 53 de 75% hueso Figura 5.19. Balanza analítica utilizada en las pruebas 54 Figura 5.20. Comportamiento de la porosidad para el polvo tipo 1. 56. Figura 5.21. Comportamiento de la porosidad para el polvo tipo 2. 56. Figura 5.22. Comportamiento de la porosidad para el polvo tipo 84 57 Figura 5.23. Comportamiento de la porosidad para la composición de 25% 57 Figura 5.24 Comportamiento de la porosidad para la composición de 75% Figuras A1. Sección lineal curva carga vs. deformación del ensayo polvo tipo 1 80 composición 25% Figuras A2. Sección lineal curva carga vs. deformación del ensayo polvo tipo 1 80 composición 75% Figuras A3. Sección lineal curva carga vs. deformación del ensayo polvo tipo 2 81 composición 25%. 58.

(11) IM-2004-I-31 Figuras A4. Sección lineal curva carga vs. deformación del ensayo polvo tipo 2 81 composición 75% Figuras A5. Sección lineal curva carga vs. deformación del ensayo polvo tipo 84 composición 25%. 82. Figuras A6. Sección lineal curva carga vs. deformación del ensayo polvo tipo 84 composición 75%. 82. Figura A7. Esquema del experimento para la determinación del avance en procesos abrasivos 83 Figura A8. Comportamiento del módulo de elasticidad respecto al tipo de polvo 85 Figura A9. Comportamiento del módulo de elasticidad respecto a la composición 85 Figura A10. Comportamiento del esfuerzo de fluencia respecto al tipo de polvo 86 Figura A11. Comportamiento del esfuerzo de fluencia respecto a la composición 86 Figura A12. Comportamiento del parámetro Ra respecto al tipo de polvo 86 Figura A13. Comportamiento del parámetro Ra respecto a la composición. 87. Figura A14. Comportamiento del parámetro RzD respecto al tipo de polvo. 87. Figura A15. Comportamiento del parámetro RzD respecto a la composición. 87. Figura A16. Comportamiento del parámetro RzI respecto al tipo de polvo 88 Figura A17. Comportamiento del parámetro RzI respecto a la composición. 88. Figura A18. Comportamiento del parámetro Rt respecto al tipo de polvo 88 Figura A19. Comportamiento del parámetro Rt respecto a la composición Figura A20. Comportamiento de la porosidad respecto al tipo de polvo 89. 89.

(12) IM-2004-I-31 Figura A21. Comportamiento de la porosidad respecto a la composición 89 Figura A22. Estándares para parámetros de rugosidad 90.

(13) IM-2004-I-31. LISTA DE TABLAS Tabla 4.1. Resumen de las condiciones de corte polvos tipo 84, 91. 20. Tabla 4.2. Características de las herramientas utilizadas en la fabricación de los 20 polvos tipo 84 y 91 Tabla 4.3. Condiciones de corte para los procesos abrasivos 25 Tabla 4.4. Condiciones de corte polvo tipo 2 26 Tabla 4.5. Medición de los parámetros a y b para el polvo tipo 1 28 Tabla 4.6. Medición de los parámetros a y b para el polvo tipo 2 29 Tabla 4.7. Medición de los parámetros a y b para el polvo tipo 3 30 Tabla 4.8. Medición de los parámetros a y b para el polvo tipo 84. 31. Tabla 4.9. Medición de los parámetros a y b para el polvo tipo 91. 32. Tabla 5.1. Datos obtenidos en la prueba de flexión. 43. Tabla 5.2. Datos obtenidos en la prueba de rugosidad superficial 47 Tabla 5.3. Datos obtenidos en la prueba de porosidad aparente 55 Tabla 6.1. ANOVA del comportamiento del módulo de elasticidad Tabla 6.2. Prueba de Turkey para el tipo de polvo en el comportamiento del 60 módulo de elasticidad Tabla 6.3. ANOVA del comportamiento del esfuerzo de fluencia 60 Tabla 6.4. ANOVA del comportamiento de la rugosidad parámetro Ra 62. 59.

(14) IM-2004-I-31. Tabla 6.5. Prueba de Turkey para el tipo de polvo en el comportamiento de 63 la rugosidad, parámetro Ra Tabla 6.6. Prueba de Turkey para la composición en el comportamiento de 63 la rugosidad, parámetro Ra Tabla 6.7. ANOVA del comportamiento de la rugosidad parámetro RZi 64 Tabla 6.8. Prueba de Turkey para la composición en el comportamiento de 64 la rugosidad, parámetro RzI Tabla 6.9. ANOVA del comportamiento de la rugosidad parámetro RzD 65 Tabla 6.10. Prueba de Turkey para la composición en el comportamiento de 65 la rugosidad, parámetro RzD Tabla 6.11. Prueba de Turkey para el tipo de polvo en el comportamiento de 66 la rugosidad, parámetro RzD Tabla 6.12. ANOVA del comportamiento de la rugosidad parámetro Rt 66 Tabla 6.13. Prueba de Turkey para la composición en el comportamiento de 67 la rugosidad, parámetro Rt Tabla 6.14. ANOVA del comportamiento de la porosidad aparente Tabla 6.15. Resumen de los efectos de los factores en las propiedades medidas 70 Tabla A1. Datos del experimento de determinación del avance en procesos abrasivos 84. 69.

(15) IM-2004-I-31. 1. INTRODUCCIÓN Este proyecto se propone como uno de los primeros acercamientos de una serie de investigaciones, lideradas por el profesor asesor, que. tienen como objetivo la. caracterización y utilización del hueso humano liofilizado como un material de ingeniería, con el fin principal de cubrir necesidades existentes en el área de implantología ósea. Siendo este el objetivo final a conseguir en esta serie de proyectos, cabe señalar el tipo de implantes que este trabajo persigue y sus características, así como las investigaciones previas sobre el tema. Los implantes en el cuerpo humano se pueden definir de manera especifica, clasificándolos de acuerdo al material utilizado para su fabricación; se pueden diferenciar materiales como metales, cerámicos, o polímeros, así mismo son de gran importancia y amplio uso los implantes compuestos de hueso,. [Rojas]. estos últimos los más relevantes para la. elaboración del proyecto. Los implantes de hueso pueden clasificarse en tres grupos bien definidos, teniendo en cuenta la procedencia del tejido a ser implantado; existen entonces los implantes autologos, homólogos, y heterologos,. los cuales representan,. respectivamente, implantes extraídos del mismo paciente, implantes de tejidos de hueso humano de un donante diferente al receptor, e implantes de hueso de especies animales diferentes al ser humano. Existen diferencias radicales en el comportamiento de los diferentes tipos de implantes, esto se puede ver como ventajas y/o problemas que deben ser consideradas a fondo al momento de decidir el tipo de implante a ser utilizado. Las diferencias entre unos y otros son puntos de partida para los diferentes proyectos y estudios que se pueden desarrollar en este campo, y es de esperar que estos dirijan su mirada a la posibilidad de obtener las ventajas. 1.

(16) IM-2004-I-31. de los diferentes tipos de implantes, minimizando las desventajas presentes en el tipo de implante básico del que se partió. Analizando los implantes autologos se puede decir que su característica, y ventaja principal, es la respuesta inmunológica positiva, que se genera como un efecto previsible al implantar tejidos provenientes del mismo paciente, la adaptación del tejido es mucho más rápida al presentarse una compatibilidad muy alta, permitiendo que sean altamente utilizados y que el proceso de adaptación sea tema de múltiples investigaciones. La gran desventaja que afecta a este tipo de implantes, es la cantidad de tejido disponible para la reimplantación y los problemas asociados con la consecución del mismo, pues dado que el tejido proviene del mismo paciente se requieren intervenciones quirúrgicas adicionales para extraer el tejido saludable de alguna zona que se verá afectada por dicha sustracción, generando una lesión que muy probablemente dificultará la recuperación del individuo; esto sumado a que la cantidad de hueso que puede ser retirado sin que se cause una lesión grave es limitada, hace que este tipo de procedimiento sea aplicable solamente cuando se requieren cantidades mínimas de tejido. Esta desventaja presentada por los implantes autologos es propiamente la ventaja de otro de los tipos de implante, los homólogos, los cuales se benefician de su disponibilidad en cantidades considerables al provenir de fuentes externas de gran abundancia de tejido como lo son los bancos de huesos. La desventaja de los implantes de hueso de este tipo radica en un posible rechazo inmunológico del tejido por parte del paciente, respuesta que está ligada a la histocompatibilidad presentada por cualquier clase de tejido [Rojas]. El problema de la histocompatibilidad se presenta de manera aun más pronunciada cuando se utilizan implantes provenientes de especies animales diferentes al ser humano, este hecho le resta atención a este tipo de implantes, y reduce dramáticamente sus posibilidades de utilización, por lo menos mientras la investigación no lleve a una respuesta a este obstáculo, es por esto que no se hablara más de este tipo de implantes en este proyecto. Es de vital importancia decir en este punto del proyecto, que los implantes que esta serie de investigaciones persigue son de tipo homólogos al requerir materia prima que pueda ser. 2.

(17) IM-2004-I-31. procesada de manera extensa antes de ser implantada, la disponibilidad de material para la realización de todos los trabajos preliminares también es un argumento poderoso para sustentar esta elección. La respuesta inmunológica, en cierto punto incierta, de este tipo de implantes no será considerada, por tratarse de algo que no se encuentra en el dominio de este proyecto, sino que pertenece a otras áreas de investigación.. 3.

(18) IM-2004-I-31. 2. ANTECEDENTES Este trabajo se encuentra guiado por una ciencia denominada Ingeniería de tejidos, que busca resolver los problemas relacionados con los diferentes tejidos del organismo, como lo son en particular para este trabajo, los tejidos óseos. Las lesiones del tejido óseo son abundantes en la cotidianidad y aunque se ha trabajado extensamente en esta área de las ciencias medicas aún no sea ha logrado una solución óptima en el proceso de superar dichas lesiones; es esta carencia la que posibilita la investigación en busca de desarrollos importantes, que día a día en un proceso constante nos acerquen a dicha solución, donde las lesiones puedan ser superadas definitivamente y en la totalidad de los casos. Esta solución está enfocada a la regeneración o el reemplazo del tejido dañado por un tejido nuevo y saludable, totalmente homogéneo con los presentes en la zona próxima a la lesión. Es importante señalar esto, debido a que las soluciones actuales en su gran mayoría llevan a la generación de otra clase de tejido que no es igual al circundante y que no presenta las mismas propiedades mecánicas ni fisiológicas, o que en algunos casos llevan al reemplazo del tejido por elementos de otros materiales diferentes al hueso, siendo estos en su mayoría implantes metálicos [Hollinger] o de carácter polimérico [Szyicher], los cuales nunca se integran al organismo de una manera homogénea requiriendo una posible intervención para su extracción. Sea cual sea el caso, estas soluciones claramente no llevan a una situación óptima donde se presente un tejido homogéneo tanto en el área afectada como en sus alrededores. El más reciente objetivo global que persigue esta rama de la ciencia, es el de generar tejido óseo saludable y que se acople perfectamente al área afectada. Es por esto que la solución más clara de alguna manera, es hacer que el paciente regenere su propio tejido óseo saludable; es así como los esfuerzos se centran en la fabricación e implantación de elementos que ayuden a dicho proceso.. 4.

(19) IM-2004-I-31. Existen varias propuestas de cómo inducir el crecimiento de nuevo tejido saludable, pero todas tienen en común ciertos elementos claves como lo son una matriz tridimensional de soporte, una serie de moléculas señaladoras y ocasionalmente cierta cantidad de cultivos celulares previamente hechos. [1] La importancia de estos elementos reside en las interacciones que se dan en el organismo a diario y que son responsables de la creación y continúa regeneración de los diferentes tejidos. Un grupo de células necesita ciertas condiciones muy puntuales para organizarse en una forma especializada de tejido, es así que el organismo regula constantemente mecanismos químicos, mecánicos, estructurales, eléctricos, entre otros, que les dicen a las células cuál es su función de acuerdo a la necesidad. La carencia de estas interacciones es lo que impide que el tejido cumpla su función adecuadamente. Una de las interacciones necesarias para el crecimiento y desarrollo de células especializadas se refiere a la interacción estructural, de vital importancia en la generación de nuevo tejido, las características de la superficie y la exacta geometría de la matriz son los elementos más importantes ya que en gran parte dictan los parámetros de estas interacciones; este tema en particular se encuentra bajo estudio intenso debido a que no es fácil determinar los valores adecuados ni se ha logrado separar los efectos de cada uno de los factores importantes en dicha interacción y por esto se hace necesario estudiar más a fondo los valores determinantes para una buena relación entre las células a diferenciarse y la matriz estructural, pero lo que es muy claro es que de antemano se debe tener una manera de controlar cerradamente dichos elementos en el mismo proceso de fabricación de la matriz. Existen actualmente múltiples tecnologías que podrían permitir el control del proceso necesario en esta materia, cada una con sus propios problemas de adaptación para la fabricación de estos elementos tan delicados, una de las mas prometedoras, en cuanto a que los desarrollos se están viendo constantemente es la producción de prototipos, esta es una tecnología sumamente flexible, llena de variables que brindan un gran espectro de posibilidades de fabricación, lo que podría verse como una ventaja para este proyecto, al no. 5.

(20) IM-2004-I-31. poseer hasta el momento, la capacidad para precisar las necesidades exactas de fabricación de los futuros implantes. Aunque la relación estructural es sumamente importante, no sería de ningún uso en el proceso de regeneración del tejido si las células no fuesen capaces de identificar estos estímulos y procesarlos de manera correcta; esta capacidad de las células de interpretar no sólo las interacciones con la estructura sino con todos los demás factores está dada por la presencia. de. unas. moléculas. muy. especiales. llamadas. factores. de. crecimiento. Estas moléculas reguladas por proteínas son las responsables de estimular los tres grupos de procesos celulares más importantes como lo son la migración, o el desplazamiento de las células a lugares específicos dentro de la matriz, la diferenciación o morfogénesis, que se entiende como el cambio de las células a un tipo especializado y determinado, y la mitogénesis o proliferación de dichas células especializadas. [Rojas] en sus trabajos acerca de el procesamiento y caracterización del hueso como material de ingeniería, trabajo en el desarrollo de técnicas de manufactura, con condiciones especificas de corte, que permiten transformar muestras de hueso humano liofilizado en polvo donde se observa una abundante presencia de moléculas señaladoras. A partir del desarrollo de este polvo de hueso lleno de moléculas señaladoras se han incrementado los estudios que buscan métodos para producir implantes para uso humano a partir de tal material, es así que se han implementado estudios como los de [Salcedo] o [Quevedo] que buscaban caracterizar el comportamiento de los implantes y del mismo material analizando sus posibles ventajas y limitaciones. Es por los argumentos expuestos anteriormente, que este proyecto buscará dar el primer paso en la exploración de la producción de elementos, en un comienzo sin fines de experimentación medica, utilizando los avances en la producción de polvo de hueso humano liofilizado [Rojas], junto con la tecnología de producción de prototipos (RPT por sus siglas en inglés) para analizar la viabilidad de esta idea, partiendo de la medición de ciertas variables, tratando siempre de hallar el grado máximo de precisión con el que se pueden controlar,. 6.

(21) IM-2004-I-31. esto, claro, determinando valores de ciertas variables de producción que influyan en la manufactura, como lo será en este caso, una caracterización de la materia prima.. 7.

(22) IM-2004-I-31. 3. OBJETIVOS DEL PROYECTO 3.1. Objetivos Generales 1. Producir un elemento teniendo como material base el polvo de hueso, para dar el primer paso en la producción mediante máquinas de prototipeo rápido, de productos que buscarían aplicaciones en el área de implantología ósea; identificando un proceso dentro de esta tecnología que sea compatible con las condiciones del problema y que por sus características afecte los menos posible las propiedades del hueso. 2. Caracterizar las propiedades mecánicas y características físicas del elemento producido, determinando el tipo de relación que tienen estas con su composición.. 3.2. Objetivos Específicos 1. Producir diferentes tipos de polvo de hueso, de diferente granulometría, con el fin de evidenciar los posibles efectos de esta característica en las propiedades finales del elemento. 2. Seleccionar un proceso que preserve lo más posible las propiedades de biocompatibilidad del elemento; más específicamente que no eleve su temperatura por encima de 35 °C ni que adicione sustancias perjudiciales para la bio-compatibilidad. 3. Producir elementos que por sus propiedades mecánicas y características físicas puedan ser catalogados como prototipos, los cuales sirvan para experimentación. 4. Realizar experimentos que permitan correlacionar las propiedades mecánicas y físicas obtenidas de los elementos producidos, con las características del polvo de hueso presente y a su vez contar con posibles herramientas analíticas que aporten pistas sobre su bio-compatibilidad.. 8.

(23) IM-2004-I-31. 4. MATERIALES Y METODOS 4.1. Selección del proceso de fabricación de los elementos. Como se menciono en la sección dos del presente trabajo se escogió la tecnología de prototipeo rápido para generar la estructura, esto se debe principalmente a la gran cantidad de posibles variables de producción controlables y a su capacidad para controlar de manera muy precisa las geometrías. Aun cuando el proyecto se centró en la utilización de esta tecnología, es considerable la gran cantidad de maneras existentes de afrontar un proceso que en fondo es prácticamente el mismo, esta es otra ventaja de esta tecnología, la capacidad de producir geometrías con una gran cantidad de materiales y métodos. Centrándonos en este proyecto en particular se deben cumplir ciertas condiciones que aseguren que el método de producción de la estructura no afecte de manera negativa las propiedades benéficas presentes en el polvo de hueso. Siguiendo con lo investigado por [Rojas] en su trabajo, se debería escoger un proceso que evite estas condiciones muy puntuales: i. No elevar la temperatura por encima de los 35 oC ii. No agregar sustancias que perjudiquen la bio-compatibilidad del elemento La primera se refiere a la supervivencia de moléculas señaladoras presentes en el elemento, promotoras de los procesos regenerativos del tejido, mientras la segunda se refiere a la adición de factores externos al propio material que dificulten dicho proceso.. 9.

(24) IM-2004-I-31. Es así que se hace necesario estudiar los procesos más representativos de esta tecnología para así extraer de este análisis posibles oportunidades y dificultades en el procesamiento del elemento. Como se dijo anteriormente esta tecnología consta de muchos métodos de producción que pueden ser considerados pequeñas adaptaciones de una misma idea. Esta idea es bastante sencilla a la vez, construir progresivamente un volumen mediante la adición consecutiva de las áreas que lo componen, es como discretizar el volumen en múltiples áreas que finalmente terminan convertidas en la realidad en volúmenes de un grosor lo más delgado posible; como se ve en la figura 4.1, a medida que estos volúmenes tienden a ser áreas sin espesor la precisión con la que se reproduce el volumen complejo aumenta.. Figura 4.1. Esquema representativo de la Idea tras la RPT. El primer proceso considerado como de prototipeo rápido fue la impresión tridimensional (3DP™) desarrollada en el MIT, [3] esta es una aplicación de la idea básica explicada arriba, mediante la utilización de material en forma de polvo y un compuesto aglomerante se logra unir partículas de forma controlada, permitiendo una flexibilidad enorme en el proceso, sin restricción alguna en la formas geométricas. La flexibilidad presente es tan amplia que se presta para adaptaciones que llegan a modificar el proceso mismo, es así que los procesos que se derivaron des pues de este son muchos, y cada día que pasa se aumenta el número de aplicaciones y variaciones a los mismos, teniendo en cuenta los más importantes, por ser los realmente representativos y comercialmente disponibles, se discutirá el funcionamiento de estos y luego se definirá el. 10.

(25) IM-2004-I-31. más adecuado para la fabricación de los elementos. Es de notarse que no se hará una descripción profunda de los procesos sino se nombraran levemente sus características mas importantes. Los procesos que reúnen las condiciones anteriormente mencionados se relacionan a continuación: . Estereo litografía. . Deposición de material fundido. . Manufactura lamida. . Impresión tridimensional (3DP). . Inyección sencilla y múltiple. . Sinterización selectiva. Dentro de las múltiples clasificaciones que se pueden realizar dentro de esta tecnología para agrupar los procesos, la más conveniente en este caso, es una que los ordene según el método por el cual se unen las capas, esta clasificación se puede realizar en dos grandes grupos, los procesos térmicos, y los procesos de adición de sustancias. Los procesos térmicos a su vez se pueden subdividir en los que radian calor a todo el material superficial y los que limitan la adición de calor a las fronteras del objeto a ser creado. [6] Dentro de los proceso de adición de calor superficial se cuentan la mayoría de procesos que utilizan un láser como método para generar un calentamiento concentrado del material, ya sea para lograr llevarlo hasta el punto de fusión como es el caso de la sinterización selectiva, o ya sea para lograr un reacción de otro tipo, como la reacción foto curable que tiene lugar en la estereo litografía. Un representante notable de la segunda clase de procesos térmicos es la manufactura laminada de objetos, en el cual las capas son formadas cuando un láser corta de una lamina de material el contorno necesario.. 11.

(26) IM-2004-I-31. Otro tipo de proceso térmico, consiste en conservar el material en un estado muy cercano a su punto de fusión, para luego con una pequeña adición de energía este comience a fluir y pueda ser depositado de manera muy controlada, este es el principio básico detrás de la deposición de material fundido, o de la inyección sencilla y múltiple. Los procesos en los cuales hay una adición de sustancias aglomerantes en vez de un conformado térmico están menos difundidos que sus competidores pero no por esto dejan de ser una gran parte de esta tecnología, son destacable las características de la impresión tridimensional como método de producción de prototipos, ya que como se dijo anteriormente, es un proceso de altísima flexibilidad, que permite producir geometrías de complejidad no superable por ninguno de los procesos hasta ahora mencionados. Un análisis más consciente de los procesos lleva a pensar que no existe un proceso ideal donde el material, en este caso polvo de hueso, se pueda procesar utilizando las condiciones estándar actuales, es así que se deberá pensar que para llegar a cumplir dichas condiciones será necesario entrar a modificar un proceso existente. Dentro de este marco es más razonable la modificación de las variables del proceso y no la esencia del mismo, es así que intentar cambiar un proceso térmico para que la energía suministrada por este no sobrepase los limites de los requerimientos de este proyecto, se ve como una alternativa menos viable frente a la capacidad de controlar los contenidos químicos de las sustancias aglomerantes presentes por ejemplo en la impresión tridimensional, con el fin de mejorar su interacción con un posible organismo receptor de elementos producidos por esta tecnología. Si se enfatizan otros factores como la manera de alimentar la maquina con la materia prima, es destacada la sencillez con la que la materia prima actual (polvo de hueso) puede ser alimentada de manera directa y sin ningún tipo de preproceso en una maquina de impresión tridimensional, esto es un punto a favor de la necesidad de mantener inalteradas, en la medida de lo posible, las características obtenidas durante la fabricación del polvo.. 12.

(27) IM-2004-I-31. La disponibilidad de la tecnología en el país es un factor decisivo en el presente proyecto, necesitándose para este una aplicación de bajo costo para realizar la experimentación, y siendo necesario disponer de las maquinas para tener la posibilidad de realizar ajustes sobre la marcha de las variables que se quieren controlar. Es por estas razones que se escogió para este proyecto utilizar el sistema de impresión tridimensional Z406 estándar, distribuido por la compañía Z-CORP™ y disponible en el país a través de la empresa IMOCOM S.A. Una representación de las diferentes etapas por la que atraviesa una pieza durante su proceso de fabricación en una impresora tridimensional se muestra en la figura 4.2. en ella se ve como se discretiza su fabricación en un número definido de ciclos repetitivos, número dependiente del tamaño del objeto y del espesor de las capas, que generan un volumen complejo y sobre todo altamente controlable en cuanto a sus características físicas.. Figura 4.2. Representación esquemática del proceso de impresión tridimensional Fuente: http://web.mit.edu/tdp/www/whatis3dp.html. El tamaño máximo de una pieza hecha por esta impresora es de 20 x 24 x 16 pulgadas 13.

(28) IM-2004-I-31. 4.2. Fabricación del polvo de hueso. La parte más importante de este proyecto es la fabricación del material a ser utilizado en los elementos, el polvo de hueso; en esta sección se describe la metodología utilizada para la obtención de los diferentes tipos de polvo, partiendo de la consecución del hueso, así como los criterios usados para realizar la elección de los diferentes tipos de polvo, los procesos utilizados para su producción y el análisis de la granulometría. 4.2.1 Criterios de selección de las granulometrías. Una vez seleccionada la impresión tridimensional como el proceso por el cual se producirán los elementos, se pudo aproximar la cantidad de polvo requerida para la impresión, este aspecto de la producción de los elementos, es aproximada debido a las condiciones de la maquina a ser utilizada, que no cuenta con un mecanismo de medición incorporado, siendo esta aproximación a mi criterio adecuada, no se implemento ningún experimento para lograr determinar la cantidad exacta de material consumido por la impresión1. Es así que este acercamiento fue el primer parámetro para decidir los tipos de polvo que se podrían producir para este proyecto; se contaba entonces con una nueva restricción a la fabricación de la materia prima, que era la capacidad de producir polvos de hueso en cantidades considerables, esto restringió notablemente la geometría que se podría dar a los polvos, favoreciendo aquellos polvos de hueso que requerían un tiempo menor de fabricación. Aunque este criterio fue determinante, no se puede afirmar que es el único que se tuvo en cuenta al momento de decidir la posible implementación de polvos de hueso cuya metodología de fabricación ya se conocía, como en el trabajo de [Quevedo] donde a su vez se reprodujo y estudio la metodología semi-industrial para la replicación de las geometrías de polvo de hueso obtenidas por [Rojas] Es importante dejar claro que los trabajos anteriores a este, como los realizados por [Quevedo] y [Rojas] fueron los puntos de referencia a parir de los cuales se desarrollo este proyecto, llevando a que las primeras aproximaciones en cuanto a las granulometrías utilizadas en este proyecto partan desde lo obtenido en estos trabajos. 1 Ver la sección 4.4. Fabricación de los elementos.. 14.

(29) IM-2004-I-31. Desde un comienzo del proyecto se tiene claro que entre mayor sea la resistencia mecánica de los elementos, su posible rango de aplicación puede aumentar, al poderse aplicar los futuros implantes en áreas que consecuentemente necesiten de una mayor exigencia mecánica, es por esto que el segundo parámetro que se considero para la elección de las granulometrías de polvo de hueso, fueron los resultados de las pruebas de resistencia mecánica obtenidas por [Quevedo]. Estudiando el trabajo realizado por [Quevedo] se ve claramente que los resultados obtenidos en las pruebas de resistencia mecánica, expresada en términos de modulo de elasticidad, no eran altamente influenciados por el tipo de polvo a ser utilizado, siendo que esta es una de las posibles variables que queremos estudiar, no se tomó esta posible variable para determinar las granulometrías. Al no existir en ninguno de los trabajos otras referencias a las propiedades que queremos medir, el tiempo de fabricación del polvo, en sus diferentes granulometrías, tomo vital importancia a la hora de decidir la clase de polvo que se iba a fabricar. Teniendo en cuenta los argumentos planteados anteriormente, se decidió optar por polvos de rápida fabricación, se escogió utilizar las metodologías de fabricación en las cuales se había utilizado la tecnología CNC, por presentar esta, ventajas sobre operaciones convencionales en cuanto a la repetitibilidad de las mismas. Se acudió entonces a las tablas de programación de maquinas CNC presentes en [Quevedo] y se decidió que los polvos del tipo granular, como allí aparecen clasificados, eran lo de mayor conveniencia para este proyecto. A partir de la experiencia obtenida en la fabricación de los polvos de hueso, y tal vez como un toque de casualidad, se observo que lo procesos previos a la fabricación de los polvos de tipo granular, producían por si mismos una gran cantidad de polvo de hueso que hasta el momento no había sido clasificado ni estudiado, es así como surgió la idea de analizar los. 15.

(30) IM-2004-I-31. polvos de hueso que se obtienen al someter el material a los cortes con sierras de segueta preparándolo para procesos de producción de polvo posteriores. Al principio esta idea no era algo considerado como factible, al no haber estudios sobre las condiciones de este tipo de corte, llevando esto a no saber a ciencia cierta si estas condiciones de corte podrían garantizar la supervivencia de los proteínas morfogeneticas que [Rojas] ya había garantizado en procesos como los de torneado CNC; pero luego de analizar los alcances de esta parte del proyecto, se decidió que la supervivencia de estas proteínas estaba fuera de los requerimientos, y que al tratarse de la primera aproximación al problema, no era una buena actitud negarse a explorar métodos que no hubieran sido previamente estudiados. Se decidió entonces procesar una pequeña cantidad de hueso de esta manera para realizar unos estudios preliminares de la granulometría obtenida por este método, y luego de establecer ciertos parámetros de tamaño se decidió la viabilidad de continuar produciendo polvo de hueso por este método. De nuevo, a partir de esta experiencia se reformo la visión de los métodos de producción del polvo, y se cambio la búsqueda hacia métodos de fabricación no tan convencionales, y con capacidad de una alta rata de producción de polvo. Se llego prontamente a la opción de utilizar abrasivos como método de producción de granulometrías muy finas, pero de alto volumen de fabricación, se acudió a los recursos disponibles dentro de la universidad y se experimentó con unas lijadoras de banda, proceso por el cual se puede obtener gran cantidad de geometrías al variar relativamente pocos parámetros; de aquí se obtuvieron dos granulometrías bien definidas y diferentes de las obtenidas hasta ahora, lo que era en principio una de las necesidades, experimentar con diferentes tamaños y formas de granulo. En este punto ya se contaban con cinco diferentes tipos de polvo de hueso, un numero suficiente para un futuro análisis estadístico, obtenidos mediante procesos de alto volumen de producción y que estaban ya definidos y en etapa de normalización para que posteriormente fueran reproducibles.. 16.

(31) IM-2004-I-31. 4.2.2. Materia prima.. Para la fabricación de los diferentes granulometrías de polvo se utilizo fémur bovino, el cual se obtuvo de un expendio de carnes que contaba con todas las normas de asepsia y regulaciones para el expendio de alimentos aptos para el consumó humano, esto con el fin de comenzar a garantizar un mínimo de bio-seguridad presente en el material.. Figura 4.3. Esquema explicativo de los cortes realizados transversalmente para retirar las cabezas del fémur. Después se tomo el fémur obtenido de esta manera y se procedió a realizar dos cortes transversales cerca de los extremos, como se muestra en la figura 4.3 tratando de garantizar lo mas posible la obtención de un trozo de forma cilíndrica; hecho esto se procedió a retirar todos los tejidos blandos aun presentes en el hueso, tanto en su parte exterior como en la interior, finalmente en esta etapa se lavo con detergente para eliminar los restos de tejidos blandos o fluidos presentes en la muestra, para finalizar esta etapa con un trozo de hueso aceptablemente cilíndrico y limpio como el que se muestra en la figura 4.4. Después de esta etapa se sometieron las muestras a un proceso de deshidratación; en esta etapa se experimento con dos procesos para evaluar si existían ventajas en uno más que en el otro. En la mayoría de las muestras de se utilizó el proceso descrito en la metodología establecida por [Quevedo] que consistía en. mantener las muestras en un horno 17.

(32) IM-2004-I-31. precalentado a 250 °C durante 10 minutos manteniendo una supervisión constante para extraer los fluidos que brotaban de las muestras, y así optimizar el proceso. El otro proceso. Figura 4.4. Muestras cilíndricas de fémur bovino sin deshidratar obtenidas después de retirar los tejidos blandos.. utilizado fue uno que se encontraba en etapa experimental y que no ha sido caracterizado de manera definitiva1, el proceso consistía en introducir las muestras en una cubeta y cubrirlas de sal casera, se mantenía el hueso así durante dos o tres días hasta que se observara un cambio de color notable hacia uno mas blanco que el presentado por el hueso sin deshidratar, (la presencia de manchas de color en la superficie del hueso, ocasionadas en su mayoría por presencia de fluidos internos, se puede evidenciar en la figura 4.4) luego se comprobó que la consistencia superficial del hueso, así sometido, había cambiado asemejándose a la superficie obtenida en muestras tratadas utilizando el proceso anterior. Estos dos procesos se implementaron buscando mejorar la resistencia mecánica de las muestras que bajaba considerablemente si el proceso de deshidratación por medio del. 1 La accesoria para la realización de este proceso fue prestada por Carolina Pérez (Ing. Mec.). 18.

(33) IM-2004-I-31. horno excedía levemente cierto nivel de tiempo, que además varia con cada muestra proveniente de diferentes animales, esto sumado a que no es de fácil determinación. Los resultados de los cilindros deshidratados por medio de sal fueron buenos, pero no se hicieron las suficientes muestras, ni mediciones para poder afirmar que si mejora notablemente las propiedades mecánicas de los cilindros con miras a su maquinado, aunque genera una superficie mas seca y por tanto mas maquinable. Una vez obtenidos estos cilindros de hueso deshidratados se procedió a acondicionarlos según el proceso de maquinado al cual iban a ser sometidos, a los destinados a ser procesados por torneado se les realizaron ocho cortes longitudinales y dependiendo de la rectitud de la superficie exterior se realizaron uno o dos cortes transversales como se muestra en la figura 4.5. Si se trataba de los procesados por corte con segueta se dejaron intactas las muestras y se hizo de igual manera para los destinados a procesos de abrasivo, este proceso, al no requerir ninguna especificación en la geometría de los elementos a ser procesados para ser eficiente, puede aprovechar los residuos obtenidos de los otros dos procesos, que fue lo que se hizo para optimizar el aprovechamiento de la materia prima ya procesada, reduciendo tanto el tiempo como los costos del proyecto.. Figura 4.5 Esquema de los cortes transversales y longitudinales de la muestra cilíndrica de hueso. 4.2.3 caracterización de los procesos de producción del polvo de hueso.. 19.

(34) IM-2004-I-31. Para el procesamiento de la materia prima como se menciono en secciones anteriores se utilizaron tres tipos de operaciones, se utilizaron procesos de corte ortogonal (torneado), procesos abrasivos, y un proceso de corte con sierra. Cada uno de los procesos así utilizados fueron caracterizados para poder garantizar la uniformidad de las muestras trabajadas a lo largo de varias sesiones de producción, además para tratar de garantizar la capacidad de reproducir los procesos, en caso de que en un futuro así se requiera. El primer proceso mencionado es el torneado, para este se utilizo un torno de control numérico, referencia EMCO COMPACT 5 disponible en el laboratorio de ingeniería mecánica de la universidad. Este torno se utilizo para la fabricación de los polvos tipo 84 y 91 y se utilizo para su fabricación la metodología así como los programas establecidos por [Quevedo] para el mismo torno; en este mismo trabajo se pueden encontrar las hojas de programación con las cuales se trabajo este tipo de polvo. Las condiciones de corte de ambos tipos de polvo se presentan en la tabla 4.1 y las características de la herramienta de corte se dan en la tabla 4.2. Polvo tipo 84. Polvo tipo 91. Buril Acero Rapido. Buril Acero Rapido. 30 [m/min.]. 30 [m/min.]. 0.1 [mm]. 0.1 [mm]. 0.075 [mm/min.]. 0.055 [mm/min.]. Herramienta de corte Velocidad de corte Profundidad de corte Avance (promedio). Tabla 4.1 Resumen de las condiciones de corte, polvo tipo 84, 91. # Ensayo. Material de la herramienta. 84. Acero Rapido. 5. 10. 65. 0. 10. 10. 91. Acero Rapido. 10. 5. 65. 0. 10. 5. γn [°] αn [°] κn [°]. R [mm]. κ´n [°] α´n [°]. Tabla 4.2 Características de las herramientas utilizadas en la fabricación de los polvos tipo 84 y 91. Donde los parámetros son: γn ángulo de salida principal. 20.

(35) IM-2004-I-31. ángulo de incidencia principal. αn κn. ángulo de dirección principal radio de la nariz. R. κʹn α’n. ángulo de dirección secundario ángulo de incidencia secundario. Las muestras de hueso que se dispusieron para este proceso eran sometidas a un proceso de adaptación ya que no podían ser procesadas directamente, es así que se intentaron varios métodos para lograr este acople al sistema de sujeción del torno, primero para lograr un soporte cilíndrico, se decidió producir cilindros perfectos de hueso, para esto se introdujeron las muestras en un molde cilíndrico y se llenó este con resina poliéster para lograr encapsularlos en su totalidad, una vez en esta etapa se torneaba toda la resina alrededor del hueso e incluso se trabajaba el hueso hasta obtener muestras totalmente cilíndricas que tenían un diámetro que oscilaba entre los 7 y los 10 mm. Una muestra de este proceso se puede ver en la figura 4.7 en la parte derecha. Después de un cierto numero de muestras procesadas de esta manera, se vio la necesidad de implementar un método más eficiente, que no consumiera tanto tiempo en la etapa de preparación de la muestra a ser torneada, se decidió entonces implementar un encapsulado con resina poliéster solamente en la base de la muestra, (Figura 4.6) que dio solución de manera adecuada al problema de sujetar el hueso a las mordazas del torno, en un proceso mas económico y mucho mas rápido de realizar.. Figura 4.6 Muestra de hueso encapsulada en su base, lista para ser montada en el torno CNC para ser procesada.. La búsqueda de un proceso de torneado mas eficiente fue una constante preocupación para este proyecto, es por esto que luego de mejorar el preproceso de las muestras se necesito. 21.

(36) IM-2004-I-31. mejorar el proceso de torneado mismo, como se sabe, las condiciones de corte que aseguran la obtención de la granulometría deseada, no podían ser cambiadas, pero se comprobó que el tamaño de las muestras era un factor susceptible de cambio e influyente en la eficiencia del proceso, se concluyo que una muestra más recta, y más larga con una sección transversal que se acercara mas a un cuadrado, presentaba ventajas haciendo que la aplicación del programa fuera más rápido y se producía mas polvo por unidad de tiempo. Como el pandeo podía ser un problema para garantizar las condiciones de corte, más específicamente, la profundidad, se utilizo un centro punto en el otro extremo, para evitar que el buril entrara violentamente en este extremo, se tuvo que recurrir a una metodología de preparación de este extremo. Se decidió reducir el diámetro de este extremo y asegurar que el centro punto quedara ubicado en l centro de la muestra, para esto se decidió encapsular este extremo también, para poder sostener la muestra cerca de este extremo, luego se torneaba hasta un diámetro cercano a los 4 mm. Par lograr que el buril no lo tocara con los las aristas traseras y así lograr estabilidad y evitar una fractura prematura de la muestra por esta fuerza aplicada cerca al centro punto. Esta característica, así como el progresivo aumento en el tamaño de las muestras se puede ver en la figura 4.7.. Figura 4.7 Residuos de diferentes tipos de muestras procesadas por torneado CNC. El proceso en si se llevo a cabo sin mayores alteraciones a las condiciones de corte o al torno, como se ve se realizaba el montaje introduciendo el extremo encapsulado de la. 22.

(37) IM-2004-I-31. muestra en las mordazas del torno, como se ve en la figura 4.8 si la muestra requería ser centro punteada se hacia este proceso primero que todo teniendo especial cuidado en que la muestra estuviera centrada con respecto al otro extremo, esto para evitar cabeceos y vibraciones que pudieran producir una fractura de la muestra al momento de tornearla. Al torno se le adapto un sistema de recolección del polvo proveniente del corte, que se implemento como una caja hecha en lamina delgada de acetato que encerraba el buril y el espacio circundante al portaherramientas, figura 4.9, y que estaba cerrada excepto por dos agujeros, uno de unos 30 mm de diámetro por donde se introducía la muestra, y uno en la parte posterior para permitir la entrada del centro punto al ser necesaria. Es de notar que el agujero central debe ser alineado con la punta del buril para conseguir un espacio mínimo por donde se pueda salir el polvo producido, pero este agujero no puede ser demasiado pequeño por que presentaría problemas dejando entrar la muestra. El agujero posterior en cambio debe ser centrado y de tamaño suficiente para dar cabida al soporte del centro punto, para evitar fugas de material es recomendable mantener este agujero cerrado si no se requiere, porque por su tamaño considerable deja escapar mucho del polvo.. Figura 4.8 Montaje de una muestra en el torno EMCO COMPACT 5. 23.

(38) IM-2004-I-31. Figura 4.9 Sistema de recolección de polvo implementado sobre el torno EMCO COMPACT 5. El siguiente proceso a ser aplicado fue el desbaste con abrasivos, para esto se utilizo una banda de lijar flexible como la que se ve en la figura 4.10, esta banda se ubica en el taller de maquinas del departamento de diseño industrial y artes de la universidad. Para caracterizar el proceso realizado se tuvieron en cuenta las revoluciones de la banda así como su longitud para poder calcular la velocidad de corte, en el caso de la profundidad de corte no fue tan fácil, al ser una banda flexible y no ser posible controlar la penetración en la muestra fue necesario implementar un experimento para poder determinar de manera aproximada el avance de la profundidad, para esto se coloco una muestra de ciertas dimensiones, medidas utilizando un tornillo micrométrico y se procedió a aplicarle una fuerza controlada para poder garantizar un avance constante, esto se logro dejando caer sobre la muestra un arreglo de pesas, así se hizo cinco veces sobre un tiempo de un minuto y luego se calculo la tasa de remoción de material (MRR por sus siglas en ingles) y sabiendo las dimensiones de la probeta se realiza un calculo sencillo para poder determinar el avance que se dividía por el numero de revoluciones para poder estandarizarlo a unidades de mm./rev.. 24.

(39) IM-2004-I-31. Figura 4.10 Banda lijadora flexible. Otro parámetro muy importante es el tamaño de grano de la banda, es aquí donde nace la diferenciación delos dos tipos de polvo producidos por este método, las diferentes condiciones del proceso para los tipos de polvo 1 y 3 se presentan en la tabla 4.3. Tipo abrasivo Tamaño de grano MMR Velocidad de corte Avance (promedio). Polvo tipo 1. Polvo tipo 3. Banda flexible Al2O3. Banda flexible Al2O3. 30. 50. 379 [mm3/min.]. 235 [mm3/min.]. 450 [m/min.]. 450 [m/min.]. 0.005 [mm/rev.]. 0.005 [mm/rev.]. Tabla 4.3. Condiciones de corte para los procesos abrasivos. No se necesita preparación de las muestras para este proceso debido a que acepta cualquier geometría, en algunos casos incluso se trabajo directamente con las muestras cilíndricas de hueso deshidratado, como se puede ver en la figura 4.11. 25.

(40) IM-2004-I-31. Figura 4.11 Muestras cilíndricas de hueso trabajadas directamente por proceso abrasivos.. El ultimo proceso utilizado fue el de producción de polvo mediante el corte con una segueta, este proceso, de tipo experimental, se implemento luego de observar la gran cantidad de polvo producido al acondicionar las muestras para otros proceso, y luego de analizar una pequeña muestra del polvo obtenido. Esta muestra mostró un tamaño granular dentro de lo limites de proyecto, que luego seria tomado como la cota superior dentro de los diferentes tamaños de grano. Las condiciones de corte de este proceso se muestran en la tabla 4.4. Polvo tipo 2 Herramienta Longitud de la hoja Num. Dientes / pulgada Ancho de los dientes Avance (estimado). Hoja segueta 12" 18 [dientes/pulg.] 1/32" 0.5 [mm/rev]. Tabla 4.4 Condiciones de corte polvo tipo 2. 26.

(41) IM-2004-I-31. Las muestras utilizadas fueron en su totalidad muestras cilíndricas, que fueron cortadas de manera transversal, el montaje consistía de una prensa y un contenedor de polvo justo debajo de la muestra a donde el polvo accedía por acción de la gravedad. Los cortes se muestran en la figura 4.12.. Figura 4.12 Cortes transversales realizados para la obtención del polvo tipo 2. 4.2.4 Granulometría obtenida. EL análisis de la granulometría de los diferentes tipos de polvo obtenidos se realizo utilizando técnicas de diferenciación visual, implementada mediante el uso de un microscopio. metalografico presente en el laboratorio de ingeniería mecánica de la. universidad. Para caracterizar los diferentes tipos de polvo se tomaron 30 mediciones de dos parámetros utilizando un aumento de 100X, las cuales se referencian en las tablas 4.5 – 4.9. También se tomaron microfotografías con el fin de observar la uniformidad de los granos presentes en el polvo las cuales se pueden ver en las figuras 4.13 – 4.21 Polvo tipo 1. 27.

(42) IM-2004-I-31. Proceso: Abrasivo. Figuras 4.13 y 4.14 Microfotografías mostrando la granulometría del polvo tipo 1. Forma del gano individual Fig. 4.13 Uniformidad de los granos constituyentes del polvo Fig. 4.14. P O L V O Parámetro a [µm] 121 101 105 99 157 132 98 78 96 102. 112 104 100 98 105 89 84 102 107 115. Promedio Desviación estándar. 125 132 106 117 123 78 93 100 117 107 106.766667 16.7057358. T I P O. 1. Parámetro b [µm] 100 98 84 76 68 98 97 110 95 105. 105 113 98 99 95 105 114 109 97 87. Promedio Desviación estándar. 98 72 124 107 110 95 97 102 105 97 98.6666667 12.1181919. Tabla 4.5 Medición de los parámetros a y b para el polvo tipo 1. Polvo tipo 2 28.

(43) IM-2004-I-31. Proceso: Segueteado. Figuras 4.15 y 4.16 Microfotografías mostrando la granulometría del polvo tipo 2. Forma del gano individual Fig. 4.15 Uniformidad de los granos constituyentes del polvo Fig. 4.16. P O L V O Parámetro a [?m] 427 436 412 435 428 419 398 425 395 458. 432 425 478 415 436 458 427 419 422 437. Promedio Desviación estándar. 398 433 406 417 423 408 418 415 421 430 425.033333 17.8296215. T I P O. 2. Parámetro b [?m] 237 200 229 241 254 219 204 211 232 244. 205 207 243 231 245 233 202 232 234 220. Promedio Desviación estándar. 203 235 216 237 219 212 241 230 209 202 224.233333 15.8215988. Tabla 4.6 Medición de los parámetros a y b para el polvo tipo 2. Polvo tipo 3 29.

(44) IM-2004-I-31. Proceso: Abrasivo. Figuras 4.17 y 4.18 Microfotografías mostrando la granulometría del polvo tipo 3. Forma del gano individual Fig. 4.17 Uniformidad de los granos constituyentes del polvo Fig. 4.18. P O L V O Parámetro a [?m] 334 327 320 323 341 312 317 312 326 317. 314 311 332 331 305 301 335 320 321 341. Promedio Desviación estándar. 320 293 311 320 302 299 327 328 332 311 319.433333 12.3391257. T I P O. 3. Parámetro b [?m] 192 176 197 161 182 175 163 198 195 197. 185 173 167 198 192 182 161 177 173 183. Promedio Desviación estándar. 165 190 166 202 196 202 204 154 171 178 181.833333 14.491575. Tabla 4.7 Medición de los parámetros a y b para el polvo tipo 2. Polvo tipo 84. 30.

(45) IM-2004-I-31. Proceso: Torneado CNC. Figuras 4.19 y 4.20 Microfotografías mostrando la granulometría del polvo tipo 84. Forma del gano individual Fig. 4.19 Uniformidad de los granos constituyentes del polvo Fig. 4.20. P O L V O Parámetro a [µm] 265 301 314 278 250 245 365 265 250 245. 245 248 295 241 263 262 267 265 245 235. Promedio Desviación estándar. 254 262 234 252 275 265 234 294 264 270 264.933333 27.408699. T I P O. 8 4. Parámetro b [µm] 179 154 164 135 176 150 123 145 147 135. 125 149 165 135 178 129 165 135 134 174. Promedio Desviación estándar. 135 145 139 165 154 135 129 130 154 137 147.333333 16.7894329. Tabla 4.8 Medición de los parámetros a y b para el polvo tipo 84. Polvo tipo 91. 31.

(46) IM-2004-I-31. Proceso: Torneado CNC. Figuras 4.21 Microfotografías mostrando la granulometría del polvo tipo 91. P O L V O Parámetro a [µm] 345 331 314 341 302 317 365 345 345 290. 317 329 324 317 350 299 365 347 365 341. Promedio Desviación estándar. 354 312 314 365 347 334 365 387 350 345 337.4 23.170433. T I P O. 9 1. Parámetro b [µm] 245 300 214 245 198 215 200 245 278 300. 267 253 205 248 236 248 214 206 213 273. Promedio Desviación estándar. 215 247 232 222 204 243 234 201 211 236 234.933333 28.3523803. Tabla 4.9 Medición de los parámetros a y b para el polvo tipo 84. 32.

(47) IM-2004-I-31. Los parámetros medidos corresponden en todos los casos a las medias de los lados de un rectángulo que encierra por completo el grano, con excepción de los parámetros para los polvos tipo 84 y 91 pertenecientes al grupo granular, y que son caracterizados como lo hiciera [Rojas] en su trabajo, con dos círculos uno que circunscribe el grano y un circulo inscrito dentro del mismo, como se ve en la figura 4.22 y que cuya relación de tamaño es lo que se denomina factor de forma.. Figura 4.22 Descripción del factor de forma para los polvos de tipo granular.. 4.3 Diseño del experimento. La experimentación es una parte fundamental de este proyecto, al ser esta la que dará las herramientas de análisis para poder llegar a completar los objetivos perseguidos en el trabajo. La etapa de experimentación se puede definir totalmente dividiéndola en sus aspectos básicos, como lo son el diseño del tipo experimento, la determinación de los factores y niveles a evaluar, definición e importancia de las variables de salida y finalmente la utilización de un método de análisis adecuado para los datos obtenidos. 4.3.1. Tipo de experimento.. Para el presente proyecto se determino la utilización de un experimento de tipo factorial, esto dadas las ventajas que este método presenta en cuanto se refiere al número de muestras por experimento para producir unos resultados mas precisos. [Yandell]. 33.

(48) IM-2004-I-31. Esta ampliamente documentado que la eficiencia de un experimento de tipo factorial es superior a la de un experimento de tipo sencillo en una relación directa al número de niveles y factores que este posea. [Montgomery] Además de esta característica de eficiencia superior, un experimento de tipo factorial facilita el estudio de las interacciones que se puedan presentar entre los diferentes niveles de los factores de las variables de entrada; esto es de vital importancia ya que de presentarse estas interacciones se podrían pasar por alto los efectos principales de las variables debido a un análisis mal encaminado. [Sheskin]. 4.3.2 Determinación de las variables de entrada. Las variables de entrada diseñadas para este experimento son dos claramente definidas, la granulometría del polvo a ser utilizado y la cantidad del mismo presente en posibles mezclas con un material de aporte. Se escogieron estas variables debido a la necesidad de comprobar si el tamaño de grano del polvo es influyente en el comportamiento tanto mecánico, como físico del elemento a ser producido, se esperaría que un grano mas fino produzca unas superficies más lisas, con unos parámetros de rugosidad (Rt, Rz, Ra) más uniformes y de menor valor, que un polvo de grano de mayor tamaño. Así mismo es de vital importancia relacionar la resistencia como una posible interacción del polvo con el líquido aglomerante, y determinar si estas variables pueden aportar un método de control para estas propiedades. Como es necesario incluir un material de aporte que acompañe el polvo de hueso para mejorar su bio-compatibilidad, se quiere estudiar los efectos que pueden producirse debido a la variación en la cantidad de polvo de hueso presente, específicamente aquellos que tienen que ver con las propiedades físicas de los elementos.. 34.

(49) IM-2004-I-31. 4.3.3. Variables de salida.. Se pretende medir ciertas propiedades que han probado ser importantes en la interacción final de los implantes con el organismo receptor. Se definirán los parámetros a medir primero y luego se explicara por que se consideran importantes para este proyecto. Se definen así las variables a medir: •. Resistencia mecánica. •. Porosidad abierta presente. •. Rugosidad superficial. Resistencia Mecánica Esta propiedad que será estudiada mediante la aplicación de una prueba estándar de flexión de acuerdo con la norma ASTM # D790 “Flexural Unreinforced. and. Reinforced. Plastic. Properties and. of. Electrical. Insulating Materials”, con esta prueba se pretende determinar los valores para el esfuerzo de fluencia y el modulo de elasticidad característicos del material. Esta serie de propiedades del material no son inherentemente importantes en la interacción del implante, pero si es un método muy eficaz de discriminación de los posibles alcances de estos materiales, como las lesiones del tejido óseo se pueden presentar virtualmente en todas partes del cuerpo es necesario discriminar la resistencia mecánica de los elementos a ser implantados para poder decidir si esta es suficiente para soportar de manera satisfactoria las condiciones de carga presentes en el sitio de la lesión.. Porosidad abierta presente Esta propiedad, medida mediante un ensayo que busca determinar la porosidad aparente presente en el elemento, y que se efectúa mediante lo establecido en la ecuación presente en [Askeland] pretende determinar la cantidad en porcentaje del total del elemento que esta compuesto por poros abiertos e interconectados entre ellos, esto se desea analizar debido a la importancia presente en la geometría y sobretodo la cantidad de porosidad. Al estudiar el. 35.

(50) IM-2004-I-31. nivel de porosidad obtenido en estos experimentos, se busca entender la influencia de las variables de entrada en la presencia de esta característica, que de cierta manera no es deseado al desarrollar una geometría totalmente compacta y sin porosidades intencionales. Como se dijo la porosidad en cuanto a su geometría y cantidad es de vital importancia para el desarrollo de un implante, es correcto decir que es el parámetro mas determinante, junto con la rugosidad de las superficies, en la interacción puramente física del implante con el paciente. Al revisar los estudios llevados a cabo por [Chang] se puede ver claramente dicha importancia en los resultados obtenidos, si se omite el efecto de la geometría de la porosidad, debido a que este no es un parámetro que sea controlado en este proyecto, es evidente que si existe gran influencia entre el tamaño y la cantidad de la porosidad en el proceso de osteoconducción, siendo más favorables poros de tamaño cercano a los 330 µm en los cuales se puede desarrollar nuevo tejido óseo dejando suficiente espacio para que los canales de alimentación pasen y se desarrollen en una cantidad considerable comparada con otras configuraciones de porosidad.. Rugosidad superficial Las pruebas de rugosidad, para efectos prácticos, se llevaran a cabo en las mismas probetas especificadas por la norma ASTM # D 790 para las pruebas de flexión y se realizaran según los estándares de la establecidos en las normas DIN 4768, DIN 4762 ISO/DIS 4287, tal como lo especifica la ficha técnica del rugosimetro presente en el anexo 4. Como se menciono arriba, este parámetro de caracterización de los elementos a ser implantados también es de vital importancia en el comportamiento del implante, es por esto que se desean herramientas de control de algún tipo sobre los valores obtenibles en una futura producción; este trabajo intentara un acercamiento de tipo experimental con el fin de determinar si la rugosidad puede ser altamente controlada con las características físicas del material base. La importancia de este parámetro puede verse bien definida en los estudios experimentales realizados por [Deliglianni] donde se experimenta con diferentes tipos de rugosidad superficial y se determina su influencia directa en el desarrollo del proceso de 36.

(51) IM-2004-I-31. osteoconducción y la fuerza de adherencia de las células a las superficie al aplicarse un esfuerzo cortante de diferentes magnitudes.. 4.3.4. Método de análisis.. Como en la mayoría de los experimentos factoriales se desea analizar de manera simultánea la influencia de todos los factores en todos sus niveles, para realizar esto de manera sencilla y eficiente se realizaron análisis de varianza de todos los datos obtenidos, con un nivel de significancia mayor a 0.05. En caso de presentarse interacción entre los diferentes factores (influencia no solo de los factores por si mismos, sino en combinación con los otros presentes) se llevaron a cabo pruebas individuales de comparación sencilla de medias muestrales de cada factor en cada uno de los diferentes niveles del otro factor, para esto se implementaran pruebas de Turkey [Sheskin] con un nivel de significancia mayor a 0.05.. 4.4. Fabricación de los elementos. La parte final de la manufactura, es la impresión de las probetas, en esta etapa ya se había decidido, por motivos presupuéstales, experimentar con tres tipos de granulometrías, en dos composiciones de polvo de hueso, por lo cual la impresión se redujo a 12 probetas y 3 tornillos La impresión se llevo a cabo, como se había mencionado anteriormente en IMOCOM S.A. la maquina utilizada fue una impresora Z406 de Z-CORP como la que se muestra en la figura 4.23. En esta figura se pueden diferenciar ciertas características importantes que se deberían considerar al momento de imprimir. La bandeja de trabajo contiene dos compartimientos donde se aloja el material, el más pequeño es el compartimiento de alimentación (1), esta diferencia de tamaño con el compartimiento de trabajo (2), el más grande, hace que para cubrir una capa de determinado grosor en el compartimiento dos, el uno debe avanzar mucho más, esto debido cuestiones. 37.

(52) IM-2004-I-31. puramente geométricas, se necesita desplazar un mismo volumen, pero como el área superficial del compartimiento uno es menor debe desplazarse una altura mayor, conocer la magnitud exacta de esta proporción no es posible con esta maquina ya que su software no presenta un medidor de alturas de los compartimientos paso a paso, y la única solución parecía ser la implementación de un experimento previo a la impresión para poder hacer un estimado de la cantidad de polvo, en términos de altura, que debería ser alimentada en la maquina para cubrir las necesidades de la impresión.. Figura 4. 23 Sistema de impresión Z406 de Z-CORP. Como la cantidad de polvo producida era tan poca, comparativamente con un volumen típico de material de trabajo, se llego a la conclusión de que iba a ser imposible cubrir esta altura en una impresión con solo un tipo de polvo en la maquina. Llegados a esta conclusión se decidió conjuntamente con el personal encargado de la impresora en IMOCOM implementar una metodología con el fin de agrupar diferentes tipos 38.