Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Otimização robusta no torneamento de cabeças femorais para artroplastia de quadril: uma análise comparativa de ferramentas
Autor(es): ALVIM, Aline Cunha
Primeiro Orientador: FERREIRA, João Roberto
metadata.dc.contributor.advisor-co1: GOMES, José Henrique de Freitas
Resumo: A grande população de idosos tem naturalmente resultado no aumento do número de cirurgias ortopédicas, como artroplastias de joelho e quadril. Em países em desenvolvimento, o crescimento na demanda por esse tipo de cirurgia já é uma realidade e consequentemente realça a necessidade do desenvolvimento de tecnologias de manufatura por usinagem que atendam aos requisitos de qualidade da prótese. O aço inoxidável austenítico ABNT 316L é usado na fabricação de próteses articulares e, apesar de considerado um material de baixa usinabilidade, é uma alternativa econômica em relação à aplicação de outros biomateriais como ligas de titânio e cerâmicas. Nesse contexto, esta tese apresenta a otimização no torneamento de cabeças femorais para uma prótese total de quadril, comparando-se duas geometrias diferentes de ferramentas: formato ISO redonda e rômbica. Para tanto, utilizou da metodologia de superfície de resposta e do projeto de parâmetros robustos para modelagem e otimização das principais respostas do processo: rugosidade e esfericidade. Os experimentos foram conduzidos com base em um arranjo combinado considerando três variáveis de controle e duas variáveis de ruído. Como variáveis de controle foram estudados: velocidade de corte, avanço e profundidade de usinagem; e como variáveis de ruído foram considerados: comprimento fixado do corpo de prova e vazão do fluido de corte. Como características de qualidade, foram analisados o acabamento superficial e a esfericidade das cabeças femorais, por meio, respectivamente, da rugosidade e do desvio de circularidade total. A otimização robusta foi conduzida pela combinação de dois métodos: erro quadrático médio e interseção normal à fronteira. De forma que a formulação do problema de otimização visou a minimização da rugosidade no processo de torneamento do aço inoxidável ABNT 316L, limitando-se a esfericidade a 10 μm. Os resultados evidenciaram que a ferramenta rômbica é a escolhida quando deseja-se atingir, simultaneamente, componentes com a melhor qualidade superficial e menor desvio de forma. Por fim, pelos experimentos de confirmação, foi possível constatar a robustez das soluções ótimas em relação aos efeitos das variáveis de ruído.
Abstract: The large elderly population has naturally led to an increase in the number of orthopedic surgeries, such as knee and hip replacements. In developing countries, the growing demand for this type of surgery is already a reality, highlighting the need to develop machining manufacturing technologies that meet the quality requirements of the prosthesis. ABNT 316L austenitic stainless steel is used in the manufacture of joint prostheses and, although it is considered a material with low machinability, it is an economical alternative to the application of other biomaterials such as titanium alloys and ceramics. In this context, this work presents the optimization of the turning of femoral heads for a total hip prosthesis, comparing two different tool geometries: round and rhombic ISO format. To this end, it has used the response surface methodology and the design of robust parameters to model and optimize the main process responses: roughness and sphericity. The experiments were carried out based on a combined array considering three control variables and two noise variables. The control variables studied were: cutting speed, feed rate and depth of cut; and the noise variables considered were: fixed length of the workpiece and cutting fluid flow. As quality characteristics, the surface finish and the sphericity of the femoral heads were analyzed using the mean roughness and total circularity deviation, respectively. Robust optimization was performed by combining two methods: mean square error and normal boundary intersection. Therefore, the formulation of the optimization problem was to minimize the roughness in the turning process of ABNT 316L stainless steel, limiting the sphericity to 10 μm. The results showed that the rhombic tool is preferable when it is desired to simultaneously obtain components with the best surface quality and the least shape deviation.
Palavras-chave: Esfericidade
Rugosidade
Prótese
Otimização multiobjetivo
Arranjo combinado
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEPG - Instituto de Engenharia de Produção e Gestão
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia de Produção
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3951
Data do documento: 30-Out-2023
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