Influence of drill speed and feed rate on bone damage

Implant failures and postoperative complications are often associated to the bone drilling. Estimation and control of drilling parameters are critical to prevent mechanical damage to the bone tissues. For better performance of the drilling procedures, it is essential to understand the mechanical behaviour of bones that leads to their failures and consequently to improve the cutting conditions. This paper investigates the effect of drill speed and feed-rate on mechanical damage during drilling of solid rigid foam materials, with similar mechanical properties to the human bone. Experimental tests were conducted on biomechanical blocks instrumented with strain gauges to assess the drill speed and feed-rate influence. A three-dimensional dynamic finite element model to predict the bone stresses, as a function of drilling conditions, drill geometry and bone model, was developed. These simulations incorporate the dynamic characteristics involved in the drilling process. The element removal scheme is taken into account and allows advanced simulations of tool penetration and material removal. Experimental and numerical results show that generated stresses in the material tend to increase with tool penetration. Higher drill speed leads to an increase of von-Mises stresses and strains in the solid rigid foams. However, when the feed-rate is higher, the stresses and strains are lower. The numerical normal stresses and strains are found to be in good agreement with experimental results. The models could be an accurate analysis tool to simulate the stresses distribution in the bone during the drilling process.

Effect of drill speed on bone damage during drilling

The boné drilling is a common surgical procedure in clinicai intei-ventions including the dentistry. Although not a novelty in medicine, the penetration of a sharp tool in the boné tissue continues to be a clinicai and surgical challenge, as many pertinent questions still remain without solutions. Mechanical damage to the boné tissue is one of the common complication associafed with the drilling process [l]. An excessive force generated by a cutting tool can lead to the formation of microcracks and fractures, and even cause permanent damage in the boné tissue that, in tum, can delay postoperative recovery [2]. The main goal of this paper is to investigate the effect of drill speed on mechanical damage during drilling of solid rigid foam materiais, with similar mechanical properties to the human boné. Experimental tests were performed on biomechanical blocks instrumented with strain gauges in different surface positions during the drilling process. Finite element (FE) simulations were performed to simulate the drilling process and validated with experimental results.

Sensor inteligente para medição de cargas mecânicas

A medição precisa da força é necessária para muitas aplicações, nomeadamente, para a determinação da resistência mecânica dos materiais, controlo de qualidade durante a produção, pesagem e segurança de pessoas. Dada a grande necessidade de medição de forças, têm-se desenvolvido, ao longo do tempo, várias técnicas e instrumentos para esse fim. Entre os vários instrumentos utilizados, destacam-se os sensores de força, também designadas por células de carga, pela sua simplicidade, precisão e versatilidade. O exemplo mais comum é baseado em extensómetros elétricos do tipo resistivo, que aliados a uma estrutura formam uma célula de carga. Este tipo de sensores possui sensibilidades baixas e em repouso, presença de offset diferente de zero, o que torna complexo o seu condicionamento de sinal. Este trabalho apresenta uma solução para o condicionamento e aquisição de dados para células de carga que, tanto quanto foi investigado, é inovador. Este dispositivo permite efetuar o condicionamento de sinal, digitalização e comunicação numa estrutura atómica. A ideia vai de encontro ao paradigma dos sensores inteligentes onde um único dispositivo eletrónico, associado a uma célula de carga, executa um conjunto de operações de processamento de sinal e transmissão de dados. Em particular permite a criação de uma rede ad-hoc utilizando o protocolo de comunicação IIC. O sistema é destinado a ser introduzido numa plataforma de carga, desenvolvida na Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Bragança, local destinado à sua implementação. Devido à sua estratégia de conceção para a leitura de forças em três eixos, contém quatro células de carga, com duas saídas cada, totalizando oito saídas. O hardware para condicionamento de sinal já existente é analógico, e necessita de uma placa de dimensões consideráveis por cada saída. Do ponto de vista funcional, apresenta vários problemas, nomeadamente o ajuste de ganho e offset ser feito manualmente, tornando-se essencial um circuito com melhor desempenho no que respeita a lidar com um array de sensores deste tipo.