Simulação numérica do processo de fundição de

pontes e coroas dentárias de titânio

Rafael F. L. de Cerqueira05/09/2012

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

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.

IntroduçãoA 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.

IntroduçãoA 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 MétodosA 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

ExperimentoAs 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

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)

Tempo total enchimento molde coroa: ~0.131s

Tempo total enchimento ponte dentária: ~0.212s

Em ambas situações não houve solidificação durante o enchimento

ResultadosAparecimento de pontos quentes

Dificuldade de alimentação nas coroas maiores

Canal de entrada não deve ser muito longo

Resultados da simulação (coroa - design 1). (a) Isoterma de solidificação; (b) Previsão de contração.

Difícil alimentação das coroas através de um canal de entrada

Aparecimento regiões mal preenchidas

ResultadosSequência ideal de solidificação com o Design 4 – resultando em retrabalho

Design 3 melhor projeto em termos de praticidade e enchimento do molde

Resultados da simulação (coroa - design 3). (a) Isoterma de solidificação; (b) Previsão de contração.

Apenas uma região problemática nas proximidades do canal de entrada-coroa

Peças sem tendência de surgimento de porosidades

ResultadosDesign 2 e 4 representam os melhores projetos

Configuração mais prática com apenas um canal de descida – Design 4

Resultados da simulação (ponte - design 4). (a) Isoterma de solidificação; (b) Previsão de contração.

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

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

ConclusõesA 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

ConclusõesAs 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) ;