BR102014002955A2 - equipamento para adaptação em microtribômetro com sensor do tipo transformador variável rotacional diferencial rvdt, para execução de ensaios tribológicos, com a medição do coeficiente de atrito e taxas de desgaste em biomateriais utilizados em próteses ortopédicas de joelho - Google Patents
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Abstract
equipamento para adaptação em microtribômetro com sensor do tipo transformador variável rotacional diferencial 'rvdt', para execução de ensaios tribológicos, com a medição do coeficiente de atrito e taxas de desgaste em biomateriais utilizados em próteses ortopédicas de joelho. a invenção tem como objetivo um equipamento construído em aço inoxidável aisi 304, ou outro material que suporte, com mancais de deslizamento ou com rolamentos, para ser adaptado a um microtribômetro, suportando os corpos de prova projetados para simular as superfícies de contato e os movimentos de uma prótese ortopédica quando implantada, permitindo, dessa forma, a realização do movimento basculante oscilatório entre as superfícies de ensaio, quando do acionamento do microtribômetro.o ângulo de oscilação do sistema basculante que é caracterizado por ter uma amplitude oscilação angular variável.um sensor do tipo transformador variável rotacional diferencial 'rvdt' conectado ao equipamento, juntamente com sensor do tipo transformador variável linear diferencial 'lvdt' nativo do mircrotribômetro, permite obter o valor do coeficiente de atrito e consequentemente os valores de taxas de desgaste do par tribológico objeto do ensaio. a coleta de dados do sensor 'rvdt' e dos sinais do 'lvdt' para o processamento e obtenção dos valores das forças resultantes durante o ensaio são realizadas através de uma placa de aquisição de dados conectada a um microcomputador.
Description
“EQUIPAMENTO PARA ADAPTAÇÃO EM MICROTRIBÔMETRO COM SENSOR DO TIPO TRANSFORMADOR VARIÁVEL ROTACIONAL DIFERENCIAL ‘RVDT\ PARA EXECUÇÃO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS, COM A MEDIÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO E TAXAS DE DESGASTE EM BIOMATERIAIS UTILIZADOS EM PRÓTESES DE JOELHO” O dispositivo objeto do presente Pedido de Patente constitui aprimoramento do estado da técnica do pedido objeto do PI-1004143-5, depositado em 20/10/2010.
Este Pedido de Patente de Invenção, assim como o PI anteriormente mencionado, consiste de um equipamento adaptador para utilização em mícrotribômetro, para realização de ensaios de desgaste em biomateriais, ou qualquer outro material metálico, cerâmico, polimérico, ou outro qualquer material utilizado em próteses ortopédicas. O presente Equipamento foi desenvolvido utilizando-se de conhecimentos específicos da área da bioengenharia, para simular o desgaste de biomateriais em próteses ortopédicas nas condições verificadas quando implantadas em seres humanos, tendo como objetivo estudar o desgaste dos biomateriais constituintes desses implantes e expandir alternativas de novos biomateriais ou processos de modificação da superfície tribológica desses implantes ortopédicos.
Para o estudo em escala reduzida a que se propõe o atual equipamento deste Pedido de Patente, bem como o do mencionado Pl-1004143-5, não existem adaptadores para tribômetros, adequados para este tipo de ensaio, nem mesmo as normas técnicas, incluindo as ASTM (Sociedade Americana para Ensaios de Materiais), possuem descrições desses equipamentos e metodologias pertinentes. O conhecimento dos mecanismos de desgaste e das propriedades dos materiais utilizados nos implantes é fundamental para o sucesso dos mesmos quando em serviço. O desgaste é definido como “a perda progressiva de massa da superfície em operação de um corpo, devido ao movimento relativo desta (YAMAGUCHI Apud REIS 1999) ”.
Diversos dispositivos para estudos tribológicos em biomateriais têm sido desenvolvidos.O desgaste não pode ser caracterizado de forma precisa, porém, é possível estabelecer a forma como ele ocorrerá e quais os mecanismos que prevalecerão (REIS et. al, 1999). O Equipamento mencionado no pedido de patente Pl-1004143-5não permite a variação do ângulo de oscilação da cuba além de 18°. Também não é possível a leitura do coeficiente de atrito uma vez que não há como medir o ângulo instantâneo sob o qual esta aplicada a carga e consequentemente a força tangencial decorrente de atrito, decorrente do par tribológico que esta sendo objeto do ensaio.
No equipamento que esta sendo proposto neste Pedido de Patente, as leituras das variáveis e parâmetros do ensaio são obtidas através de dois computadores acoplado ao microtribômetro, sendo que um deles controla os parâmetros físicos de execução do ensaio como velocidade, duração, taxa de amostragem, sendo parte integrante do sistema do microtribômetro em sua configuração original, e um segundo computador recebe através de uma placa de aquisição de dados, como mostrado na FIGURA 19 os sinais dos sensores LVDT e RVDT, sendo o primeiro nativo do microtribômetro como já dito, e o segundo parte do equipamento adaptador objeto deste Pedido de Certificado Adição.
Com a possibilidade de avançar na pesquisa tribológica envolvendo novos materiais e modificações de superfície, um novo projeto foi desenvolvido alterando as característica do equipamento objeto do PI-1004143-5 com a inserção de um sensor de movimento angular indutivo de alta precisão, que consiste em um transformador variável rotacional diferencial‘RVDT’. Além disso foi desenvolvida de uma interface eletrônica que permite ter acesso ao sensor do tipo transformador variável linear diferencial ‘LVDT’ próprio do microtribômetro, modificações na cinemática de conversão do movimento linear recíproco para o basculante oscilatório e alterações na concepção da estrutura do equipamento.
No âmbito do processamento do sinal desses dois sensores a configuração permite, agora, a obtenção da força tangencial ao longo do trajeto de oscilação do corpo de prova e dessa forma ter os valores do coeficiente de atrito e taxas desgaste desejados, além dos valores que já eram disponibilizados no projeto anterior.
Foram também realizadas modificações na cinemática do movimento o qual é transmitido a partir do rolamento excêntrico do microtribômetro que agora atua sobre uma alavanca conectada a um sistema de guias deslizantes, que por sua vez esta acoplado a um eixo que sustenta a cuba de ensaio. Nesse eixo está conectado sensor do tipo transformador variável rotacional diferencial‘RVDT’. A estrutura do equipamento foi reprojetada de forma torná-la mais robusta e ter maior precisão e repetitividade na realização dos ensaios. O equipamento, quando acoplado ao microtribômetro para o ensaio tribológico, simula os movimentos e amplitudes aproximadas que ocorrem em próteses ortopédicas articuladas. O microtribômetro no qual o equipamento é utilizado esta mostrado com seus componentes principais, excluída a mesa de movimento linear recíproco, na FIGURA 01, sendo constituído principalmente de uma base (1), o rolamento excêntrico (2), o sensor de força (3) e as massas de ensaio (4) responsáveis pela aplicação da carga de ensaio sobre os corpos de prova conforme mostrado na FIGURA 02. Na configuração mostrada, o microtribômetro está apto para receber o adaptador. A FIGURA 03 apresenta o equipamento, o qual é constituído por uma estrutura de suporte e um sistema basculante que se acopla ao microtribômetro. Todos os componentes são fabricados em aço inoxidável AISI-304/416 ou outro material metálico ou não, que suporte os esforços sobre o conjunto. O equipamento é caracterizado pelo fato de converter o movimento linear recíproco do microtribômetro em um movimento oscilatório basculante.
Na FIGURA 04 é mostrada a base(13) do equipamento que consiste em uma placa usinada em aço AISI-304 (ou outro material metálico ou não, que suporte os esforços sobre o conjunto) sobre a qual são montadas as laterais direita(19) e esquerda(23) mostradas na FIGURA 05 e na FIGURA 06 respectivamente. Sobre as laterais são montados os Suportes e Mancai Dianteiro(7) e Traseiro(25) mostrados na FIGURA07 e FIGURA 08 respectivamente.
Na FIGURA 09 são mostradas, a peça (9) que consiste no Eixo Direito do Suporte da Cuba, a peça (24) que consiste no Eixo Esquerdo do Suporte da Cuba, a peça (21) que caracteriza o Suporte da Cuba, e a peça 8 que consiste na Haste de Oscilação Vertical.
Na FIGURA 10 são mostradas a peça (18) que é o fechamento da cuba, a peça (29) denominada porta-amostra o qual se encaixa no Suporte da Cuba, peça (21), os mordentes (6) deslizam sobre as guias (28), controladas pelos parafusos e contra porcas(20) os quais fixam a amostra (27).
Na FIGURA 11 é mostrada a haste (5) de suporte do corpo de prova superior(26), o pino de trava (30) rosqueado, do corpo de prova (26), que pode ser de material cerâmico, metálico, polimérico ou outro material que deva ser ensaiado. O conjunto dessa figura é acoplado ao braço sensor de força (3) da FIGURA 01. O corpo de prova inferior (26) mostrado na FIGURA 12, representa o componente tibial, sendo uma peça fabricada em material biocompatível, usualmente metálico, de acordo com o que se deseja ensaiar.
Na FIGURA 13 esta representado o componente tibial, usualmente em material polimérico ou outro material que se proponha a ensaiar. Possui formado de um paralelogramo com apoio em uma das faces, comprimento, espessura e largura desejados, limitados à abertura e largura do dispositivo de fixação da FIGURA 10. Uma das faces se constituirá na região de contato com o corpo de prova superior (26) mostrado na figura (12) o qual representa o componente tibial e constitui a superfície de desgaste desse par tribológico. Esse corpo de prova inferior (27) é fixado no dispositivo mostrado na FIGURA 10, já descrito anteriormente neste documento.
Esse conjunto de fixação possui em seu entorno a peça (18) que é soldada na peça (29), constituindo-se em um conjunto que pode receber diversos líquidos lubrificantes para execução de ensaios por via úmida ou seca, sendo denominado de cuba de ensaio (18). O parafuso e contra porca (20) da FIGURA 03 permitem a fixação do conjunto da cuba de ensaio no suporte da cuba (21) das FIGURAS 03 e 09. Esse suporte (21) possui dois eixos (24 e 9) que articulam nos dois mancais (25 e 7), que podem ser de rolamentos ou do tipo deslizantes.
Através da translação desse rolamento excêntrico (2) do microtribômetro, é gerado o movimento de oscilação basculante do suporte constituído pelas peças (22, 32 e 33) da FIGURA 15, os quais são fixados na placa da guia deslizante (17) mostrada na FIGURA 16. Essa placa é aparafusada sobre duas guias deslizantes (14) as quais se movimentam no trilho (16) como mostrado na FIGURA 16.
Na FIGURA 14 é mostrada a sobre placa da guia deslizante (12) que é aparafusada na placa da guia deslizante (17). A sobre placa(12) que contem o suporte do eixo do rolamento de oscilação (31). Esse rolamento desliza sobre a aba interna da haste de oscilação vertical (8) que esta acoplado no eixo (9) conforme mostrado na FIGURA 09. A excentricidade do rolamento (2) do microtribômetro, bem como a posição do suporte do eixo do rolamento (31) determinam o ângulo de I oscilação do sistema basculante que é caracterizado por ter uma amplitude oscilação angular variável de aproximadamente ± 40 °.
Os dois eixos, o (9 e o 24) permitem o movimento de basculante oscilatório do conjunto suporte da cuba (21) com o corpo de prova inferior (6). Toda estrutura é fixada na base (1) do microtribômetro através da haste de bloqueio lateral (15) e de parafusos na base (13).
Quando do acionamento do mecanismo do microtribômetro, dar-se-á início ao movimento relativo oscilatório basculante entre os corpos de prova (nas posições 26 e 27) da FIGURA03, sob a carga determinada pelas massas colocadas na haste vertical (5), da FIGURA 03 e também representada NA FIGURA 11, em cuja extremidade inferior, fixado pelos haste (30), esta colocado o corpo de prova superior (26). A conversão do movimento de translação do rolamento (2) do microtribômetro, para o movimento oscilatório basculante é realizada por através do conjunto de hastes osciladoras (22, 32 e 33) posicionadas perpendicularmente ao eixo do rolamento (2) do microtribômetro e em contato com a pista desse rolamento. O movimento das hastes osciladoras devido translação do rolamento excêntrico (2), proporciona a oscilação desejada, que pode ser obtida por outros meios mecânicos, elétricos e através de fluidos compressíveis ou não, em um ângulo, cuja amplitude será determinada pela excentricidade do rolamento em relação ao centro geométrico da polia, conjugado com a posição do rolamento da haste de oscilação representada na FIGURA 14. A amplitude de oscilação pode ser variada de 0°a ±40°. Na extremidade direita do eixo (9) das FIGURAS 03 e 09 é instalado um sensor do tipo transformador variável rotacional diferencial ‘RVDT’ (10) .
Esse sensor é fixado em um suporte (11) conforme mostrado na FIGURA 17. O esquema de aquisição de dados desse equipamento é realizado por esse sensor ‘RVDT’ em conjunto com o sensor nativo do microtribômetro que consiste em um sensor do tipo transformador variável linear diferencial ‘LVDT’. Os dados são adquiridos por uma placa de aquisição de dados e direcionados ao computador de aquisição via linha USB conforme indicado na FIGURA 19. O computador nativo do sistema é o encarregado de gerenciar os parâmetros de ensaio com duração, carga, bem como o registro gráfico dos dados do ‘LVDT’.
REIVINDICAÇÕES
Claims (11)
1. EQUIPAMENTO PARA ADAPTAÇÃO EM MICROTRIBÔMETRO COM SENSOR DO TIPO TRANSFORMADOR VARIÁVEL ROTACIONAL DIFERENCIAL ‘RVDT’, PARA EXECUÇÃO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS, COM A MEDIÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO E TAXAS DE DESGASTE EM BIOMATERIAIS UTILIZADOS EM PRÓTESES DE JOELHO, caracterizado por ser um equipamento contendo uma estrutura de suporte, um sistema de conversão do movimento de translação do rolamento (2) em movimento basculante oscilatório e um sensor do tipo transformador variável rotacional diferencial ‘RVDT’ (10) que se acopla ao equipamento para adaptação ao microtribômetro.
2. EQUIPAMENTO PARA ADAPTAÇÃO EM MICROTRIBÔMETRO COM SENSOR DO TIPO TRANSFORMADOR VARIÁVEL ROTACIONAL DIFERENCIAL ‘RVDT’, PARA EXECUÇÃO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS COM A MEDIÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO E I «lUV/laVr Wl WWV#) V** IWI k IVIbik#l W lUrVxr (WILall I 1» k/k· VI Lm. TAXAS DE DESGASTE EM BIOMATERIAIS UTILIZADOS EM PRÓTESES DE JOELHO, caracterizado por conter componentes fabricados em aço inoxidável AISI-304, AISI-416 ou outro material metálico ou não, que suporte os esforços sobre o conjunto.
3. EQUIPAMENTO PARA ADAPTAÇÃO EM MICROTRIBÔMETRO COM SENSOR DO TIPO TRANSFORMADOR VARIÁVEL ROTACIONAL DIFERENCIAL ‘RVDT’, PARA EXECUÇÃO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS, COM A MEDIÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO E TAXAS DE DESGASTE EM BIOMATERIAIS UTILIZADOS EM PRÓTESES DE JOELHO, caracterizado pelo fato de converter o movimento linear recíproco original do microtribômetro em um movimento oscilatório basculante para o suporte da amostra (29) no interior de uma cuba (18), através da translação do rolamento excêntrico (2) do microtribômetro, que aciona uma das extremidades alavanca (22, 32 e 33) a qual esta conectada a placa da guia deslizante (17) que esta fixada em um par de guias deslizantes (14).
4. EQUIPAMENTO PARA ADAPTAÇÃO EM MICROTRIBÔMETRO COM SENSOR DO TIPO TRANSFORMADOR VARIÁVEL ROTACIONAL DIFERENCIAL ‘RVDT’, PARA EXECUÇÃO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS, COM A MEDIÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO E TAXAS DE DESGASTE EM BIOMATERIAIS UTILIZADOS EM PRÓTESES DE JOELHO, caracterizado por conter uma placa (17), aparafusada uma sobre placa (12) com o suporte do eixo do rolamento (31) o qual desliza sobre a haste de oscilação vertical do rolamento, uma haste 8 esta conectada ao eixo direito (9) de suporte da cuba e que contém o ‘RVDT’ em uma extremidade.
5. EQUIPAMENTO PARA ADAPTAÇÃO EM MICROTRIBÔMETRO COM SENSOR DO TIPO TRANSFORMADOR VARIÁVEL ROTACIONAL DIFERENCIAL ‘RVDT’, PARA EXECUÇÃO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS, COM A MEDIÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO E TAXAS DE DESGASTE EM BIOMATERIAIS UTILIZADOS EM PRÓTESES DE JOELHO, caracterizado por ter uma amplitude de oscilação angular variável pela excentricidade do rolamento (2) do microtribômetro, bem como a posição do suporte do eixo do rolamento (31) que determinam o ângulo de oscilação do sistema basculante.
6. EQUIPAMENTO PARA ADAPTAÇÃO EM MICROTRIBÔMETRO COM SENSOR DO TIPO TRANSFORMADOR VARIÁVEL ROTACIONAL DIFERENCIAL ‘RVDT’, PARA EXECUÇÃO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS, COM A MEDIÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO E TAXAS DE DESGASTE EM BIOMATERIAIS UTILIZADOS EM PRÓTESES DE JOELHO, caracterizado por conter dois mancais montados nos suportes (7 e 25) que permitem o movimento de basculante oscilatório do conjunto suporte da cuba (21) com a amostra (27).
7. EQUIPAMENTO PARA ADAPTAÇÃO EM MICROTRIBÔMETRO COM SENSOR DO TIPO TRANSFORMADOR VARIÁVEL ROTACIONAL DIFERENCIAL ‘RVDT’, PARA EXECUÇÃO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS, COM A MEDIÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO E TAXAS DE DESGASTE EM BIOMATERIAIS UTILIZADOS EM PRÓTESES DE JOELHO, caracterizado por conter um rolamento contido em um suporte (11) na extremidade do eixo direito de suporte à cuba (9), que suporta o sensor do tipo transformador variável rotacional diferencial ‘RVDT’ (10).
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9. EQUIPAMENTO PARA ADAPTAÇÃO EM MICROTRIBÔMETRO COM SENSOR DO TIPO TRANSFORMADOR VARIÁVEL ROTACIONAL DIFERENCIAL ‘RVDT’, PARA EXECUÇÃO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS, COM A MEDIÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO E TAXAS DE DESGASTE EM BIOMATERIAIS UTILIZADOS EM PRÓTESES DE JOELHO, caracterizado por conter um braço sensor de força (3) o qual contem um sensor do tipo transformador variável linear diferencial ‘LVDT’ próprio do microtribômetro que permite a fixação do contra-corpo de prova (26) para ensaio com o corpo de prova (27), fixado no dispositivo de fixação (29), no interior da cuba (18).
10. EQUIPAMENTO PARA ADAPTAÇÃO EM MICROTRIBÔMETRO COM SENSOR DO TIPO TRANSFORMADOR VARIÁVEL ROTACIONAL DIFERENCIAL ‘RVDT\ PARA EXECUÇÃO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS, COM A MEDIÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO E TAXAS DE DESGASTE EM BIOMATERIAIS UTILIZADOS EM PRÓTESES DE JOELHO, caracterizado por simular os movimentos e amplitudes que ocorrem em próteses ortopédicas de joelho, ou quaisquer outras articulações quando acoplado ao microtribômetro para o ensaio tribológico.
11. EQUIPAMENTO PARA ADAPTAÇÃO EM MICROTRIBÔMETRO COM SENSOR DO TIPO TRANSFORMADOR VARIÁVEL ROTACIONAL DIFERENCIAL ‘RVDT\ PARA EXECUÇÃO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS, COM A MEDIÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO E TAXAS DF HFSOASTF FM RIOMATFRIAIS IITII Ι7ΔΠΠ55 FM I ΛΑΛν I Lm· ImmIVI Km# I \mf I ¥ I r\. I ΙβΙΧί^^Ι'ΐί# V# I I Lm. I 4Lmr\ V·/ 1*# bnallfl PRÓTESES DE JOELHO, caracterizado pela adaptação em microtribômetro e com sensor do tipo transformador variável rotacional diferencial ‘RVDT’, para execução de ensaios tribológicos.
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