aula - prof paulo cesar no gbmd 2013 - piracicaba

Universidade de São PauloFaculdade de OdontologiaDepartamento de Biomateriais e Biologia Oral

ENSAIOS DE FADIGA E

SIMULAÇÃO DA MASTIGAÇÃO

APLICADOS ÀS CERÂMICAS DENTÁRIAS

Prof. Dr. Paulo Francisco Cesar

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Sumário:

1.1. Fadiga em materiais cerâmicos (Slow Crack Growth).

1.2. Modo de aplicação da carga: estática, dinâmica, cíclica.

1.3. Tipos de ensaios de fadiga usando cargas cíclicas.

1.4. Parâmetros de fadiga (Stress corrosion coefficient, n).

1.5. Cuidados com KI0.

http://youtu.be/U9GbhHFaTmk

1.1. Fadiga em materiais cerâmicos (Slow Crack Growth)

Tensões abaixo do nível crítico (< KIc)

Potencializado pela umidade

1.2. Modo de aplicação da carga

Estática

Dinâmica

Cíclica

Fadiga Estática

Dispositivo para realização do ensaio de fadiga estática.

Gonzaga et al. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2011, 99(2):247-57

Gonzaga et al. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2011, 99(2):247-57

tf (s) 5.219.190 3.583.856 (Coef. Var. = 69%)

Menor tf (s) 1.693.800 (~19,6 dias)

Maior tf (s) 11.829.240 (~4,5 meses)

Tempo até fratura usando tensão de 28 MPa (flexão biaxial).

Fadiga Estática

Fadiga Dinâmica

Gonzaga et al. Dent Mater. 2011, 27(4):394-406

Limitações da fadiga dinâmica e estática

Mecanismos de tenacificação relacionados a “crack wake”

Quinn, 2007

Fadiga Cíclica

Universidade Federal de Santa Maria

Prof. Luiz Felipe Valandro

Callister, 2007

Fadiga Cíclica

1.3. Tipos de ensaios de fadiga usando cargas cíclicas

Curva S-N

Ciclagem com carga fixa

Stair-case approach

Step-stress

Str

ess A

mplit

ude

Number of cycles

Curva S-N

Learnengeneering.org

Curva S-N

Scherrer et al. Dent Mater. 2011 Feb;27(2):e28-42.

Curva S-N

Studart et al. Biomaterials. 2007, 28(17):2695-705.

500 N

160 N


Studart et al. Biomaterials. 2007, 28(17):2695-705.


Parâmetros de fadiga obtidos à partir de ensaio cíclico com carga fixa

Stair-case approach

Amaral, M.; Cesar, P.; Valandro, L.; Lohbauer, U., 2013

600

650

700

750

800

850

900

-1 9 19 29 39 49 59 69 79

Stre

ss (

MPa

)

Specimen order

10^2

10^3

10^4

10^5

102

103

104

105

Stair-case approach

Str

ess

(M

Pa)

Controle

Jateamento (Rocatec)

Glaze interno

Amaral, M.; Cesar, P.; Valandro, L.; Lohbauer, U., 2013

Step-stress

ReliaSoft ALTA 7 - www.ReliaSoft.com

Stress vs Time

Time (cycles)

Stre

ss

(M

Pa

)

0 20435340871 81741 163482100

400

160

220

280

340

Stress Profile

Step-stress

Borba et al. Dent Mater, 2013, doi: 10.1016/j.dental.2013.05.009

1.4. Parâmetros de fadiga (stress corrosion coefficient, n)

(Fadiga Dinâmica)

0.01 MPa/s

0.1 MPa/s

1 MPa/s

10 MPa/s

100 MPa/s

Onde:

n (coeficiente de crescimento subcrítico)

σf0 (parâmetro escalar)

σf é a resistência à flexão biaxial (MPa)

σ é a taxa da tensão (MPa/s)

f0f log . log

1n

1 log

log

fra

ctu

re s

tre

ss

(M

Pa)

Fra

ctu

re s

tre

ss

(M

Pa)

Log time to failure (MPa/s)

1 day 1 yr 10 yrs

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

KI (MPa.m1/2)

KIcKI0

Green, 1998

v (

m/s

) III

1.5. Cuidados com KI0 (stress intensity factor threshold)

III

Determinação de KI0

2c

0,1 h 100 h

Saliva Artificial

37°C


220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

0,01 0,1 1 10 100 1000

time (h)

2c (m

m)

Gupta & Jubb, 1981

Inclinação = 2/(3n+2)


1.E-14

1.E-12

1.E-10

1.E-08

1.E-06

1.E-04

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

KIc

Region I

KI0

v (

m/s

)

K (MPa.m1/2)

K=c.P/c3/2

Wan et al., 1990


1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-10

1.E-09

1.E-08

1.E-07

0.0 0.5 1.0 1.5

K (MPa.m1/2)

D

V

E1

E2

v (

m/s

)

D = 0.48

V = 0.58 E1 = 0.94

E2 = 1.11


Yoshimura et al., 2008

2.1. A simulação do ambiente oral.

2.2. Os simuladores da mastigação.

2.3. Ciclagem mecânica com espécimes geométricos.

2.4. Simulação da mastigação com coroas e PPFs.

Presença de saliva artificial.

Variações de temperatura e pH.

Aplicação de forças, movimentos e frequência

semelhantes aos encontrados in vivo.

2.1. A simulação do ambiente oral

Revisão: Erick de Lima, 2013


Correlação entre desgaste do amálgama in vivo e in vitro.

250.000 ciclos em simulador = 1 ano de na cavidade bucal.

Três refeições por dia, com 15 minutos de duração cada.

Frequência de 1,0 Hz.

2.700 ciclos diários e 1 milhão por ano.


Wiskott et al.

Int J Prosthodont. 1995, 8(2):105-16

Revisão: Erick de Lima, 2013

Winkler et al.

J Oral Implantol. 2003;29(5):242-5.

one masticatory cycle swallowing

~ 60 ciclos/minuto

Cada refeição: 15 minutos

3 refeições por dia = 2.700 ciclos/dia

1 ano = 106 ciclos (Rosentritt et al. 2006)


Não se prestavam para testarmateriais dentários em fadiga .

2.2. Os simuladores da mastigação

Molnar, 1968

Equipamentos para envelhecimento dos materiais in vitro

2.2. Os simuladores da mastigação

ACTA Machine

Schuktz et al. 2003; Durner, 2010

Alabama Chewing Simulator

Lawson et al., 2012

OHSU Wear Machine

http://www.fatiguetester.com; Yesil, 2008

Zürich Chewing Simulator

http://www.flickr.com/photos/adevigus/6781581624/

http://www.sdm-gmbh.de

CS-8, SD Mechatronik

Influência da ciclagem na resistência discos de In-Ceram-Zr e Procera.

20 mil ciclos, carga de 50 N e 1,0 Hz.

2.3. Ciclagem mecânica com espécimes geométricos

Itinoche et al., 2006

Não houve diferença estatística entre os grupos.


Carga de 80 N com um maior número de ciclos (104 e 105 ciclos).

Ausência de efeito da ciclagem sobre resistência mecânica.



Cesar et al., 2011

Imerso em água (37 oC)

2,0 Hz

45 N

105 ciclos

Bilayer: infraestr. em tração


Cesar et al., 2011

DSCN6537.MOV

DSCN6537.MOV

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Fle

xu

ral st

ren

gth

(M

Pa

) Control

Mechanical cycles

Autoclave cycles

AL/VM7 ICZ/VM7Y-TZP/VM9

Cesar et al., 2011

Tese de Metrado:

Título: Efeito do envelhecimento por ciclagem mecânica sobre a resistência à flexão de cerâmicas dentárias

Aluna: Karen Akemi Fukushima

Orientador: Paulo Francisco Cesar


Objetivo:

Avaliar o efeito do envelhecimento por ciclagem

mecânica (1 milhão de ciclos/freqüência de 2 Hz) sobre a

resistência à flexão biaxial de três materiais cerâmicos.

Fukushima, 2011


Parâmetros da ciclagem mecânica

Número de ciclos: 106

Frequência: 2,0 Hz

Tensão gerada (MPa):

Y-TZP AL ICZ

48 45 46

Fukushima, 2011

Camada de Y-TZP Camada de VM9

Borba, 2010

Distribuição das tensões via FEA

856,1

418,2 357,4

816,8

433,6 367,3

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Y-TZP AL ICZ

Re

sist

ên

cia

à Fl

exão

(M

Pa)

ControleCiclados

Fukushima, 2011


0%

5%

10%

15%

20%

25%

Controle Ciclado

Co

efic

ien

te d

e V

aria

ção

(%

) Y-TZPALICZ


Fukushima, 2011

Borba, 2010

2.4. Simulação da mastigação com coroas e PPFs


Borba, 2010

Belli R, Dent Mater. 2013; 29(2):181-90

Bell

i R

, D

en

t M

ate

r. 2

013;

29(2

):181-9

0

Belli et al., J Mech Behav Biomed Mater. 2013; 21:167-77

Autores: José Della Pasqua Netto, José Augusto Rodrigues, Alessandra

Cassoni, Karen Fukushima, Paulo F. Cesar, Jamil Awad Shibli.

(Univ. Guarulhos e USP)

You are invited to attend

ACADEMY OF DENTAL MATERIALS 2013 ANNUAL MEETING

October 9-12, 2013 | Westin Bayshore Hotel

In beautiful

Vancouver,

BC, Canada

3.5 days of interactive learning featuring international experts

Dr. Satoshi ImazatoOsaka, Japan

Dr. Michael SwainDunedin, New Zealand

Dr. Josimeri HeblingAraraquara, Brazil

Dr. Markus HaapasaloVancouver, Canada

Dr. Sharon TracyChicago, IL, USA

Dr. Timothy WatsonLondon, UK

Dr. Thomas AttinZurich, Switzerland

Dr. Ana Karina Bedran-RussoChicago, IL, USA

Dr. J Paul SanterreToronto Canada

Dr. Franklin TayAugusta, GA, USA

New in 2013 Annual Meeting !!

Lunch & Learning Sessions

1. Dr. Jeffrey Stansbury: Fundamentals of Polymerization

2. Dr. Ulrich Lohbauer: Degradation of Resin Composites

3. Dr. Nick Silikas: Bulk-filling composites

4. Dr. Paulette Spencer: Material/Tissue Interfacial Integrity

More Information

Visit our webiste:http://academydentalmaterials.org

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Lorenzo BreschiPresident ADM 2012-2014E-mail: [email protected]

Ricardo CarvalhoADM 2013 Meeting Local OrganizerE-mail: [email protected]

Katia SelezenevaMeeting PlannerE-mail: [email protected]

Or scan:

3.1. Tensões residuais determinadas por análise de elementos

finitos (Thermal stress analysis).

3.2. Tensões residuais calculadas pela técnica “hole-drilling”.

3.1. Tensões residuais determinadas por análise de elementos

finitos (Thermal stress analysis)

3.1. Tensões residuais determinadas por análise de elementos finitos

(Thermal stress analysis)

Meira et al. Dent Mater, 2013, 29(5):594-601

Tensão mínima principal (3)


Tensão máxima principal (1)


3.2. Tensões residuais calculadas pela

técnica “hole-drilling”

- Título: Residual stress in veneering ceramic on Y-

TZP, alumina and ZTA frameworks.

- Autores: K. Fukushima, M. Sadoun, P. Cesar, A. Mainjot.

Projeto COFECUB

Comité Français d'Evaluation de la Coopération

Universitaire et Scientifique avec le Brésil

- Agradecimentos: Grace de Souza, H. Yoshimura, H.

Goldenstein, Jean-Pierre Attal.

3.2. Tensões residuais calculadas pela técnica “hole-drilling”.

Técnica “hole-drilling”

Mainjot et al. Dent Mater. 2011; 27(5):439-44

Técnica “hole-drilling”

Projeto COFECUB: Univ. Paris-Descartes (Paris 5)

Fukushima et al., 2013 - COFECUB

Y-TZP Alumina

ZTAFukushima et al., 2013 - COFECUB

Fukushima et al., 2013 - COFECUB

4.1. Adição de fibras de titanato de potássio a porcelana dentária.

4.2. Adição de alumina a porcelana dentária.

4.3. Adição de nanotubos de carbono a Y-TZP.

4.1. Adição de fibras de titanato de potássio a porcelana

Araújo, 2011

Busca em bancos de patentes

Feldsphatic

Porcelain

Isopropilic

Alcohol

Potassium

Titanate fibers

Alumina

balls

Adição de fibras ao pó de porcelana dentária (10 wt%)

4.1. Adição de fibras de titanato de potássio a porcelana

Araújo, 2011

Araújo, 2011

Sintered Sintered + Fibers

Hot-Pressed Hot-Pressed + Fibers

Araújo, 2011

Curvas do tempo de vida (fadiga dinâmica)

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

25

40

55

70

85

100

115

130

145

CS

SF

ISF

IF

Ten

são

de f

ra

tura

(M

Pa

)

10 anos1 ano

Log t

en

são d

e f

ra

tura (

MP

a)

Log tempo para fratura (s)

1 dia

Araújo, 2011

4.2. Adição de alumina a porcelana dentária.

Projeto de Doutorado: Uso de alumina mono e

policristalina no reforço de cerâmicas vítreas

Aluna: Marina Kaizer

Orientador: Rafael Moraes

Univ. Federal de Pelotas

Kaizer, 2013

Projeto de Doutorado:

Controle Poli Poli+Sil Mono+Sil Mono

Kaizer, 2013

Uso de alumina mono e policristalina no reforço

de cerâmicas vítreas

Projeto de Doutorado: Desenvolvimento do nanocompósito

Y-TZP / MWCNT-COOH para uso odontológico:

Caracterização e envelhecimento.

4.3. Adição de nanotubos de carbono a Y-TZP

Aluno: Lucas Hian da Silva

Co-orientador: Rubens Tango

Orientador: Paulo Cesar

Colaboradores/IPEN:

Dolores Lazar

Walter Usui

Walter Yoshito

Nanotubos de carbono

Yu et al., 2000; Ando, 2010

MWCNT funcionalizado

Lucas Hian da Silva, 2013

Y-TZP convencional Y-TZP/MWCNT

Lucas Hian da Silva, 2013

4.3. Adição de nanotubos de carbono a Y-TZP

Universidade de São PauloFaculdade de OdontologiaDepartamento de Biomateriais e Biologia Oral

Prof. Dr. Paulo Francisco Cesar

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