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 different feed-rate in bone drilling: experimental and numerical study

The behaviour of bone tissue during drilling has been subject of recent studies due to its great importance. Because of thermal nature of the bone drilling, high temperatures and thermal mechanical stresses are developed during drilling that affect the process quality. However, there is still a lack information with regard to the distribution of mechanical and thermal stresses during bone drilling. The present paper describes a sequentially coupled thermal-stress analysis to assess the mechanical and thermal stress distribution during bone drilling. A three-dimensional thermo-mechanical model was developed using the ANSYS/LSDYNA finite element code under different drilling conditions. The model incorporates the dynamic characteristics of drilling process, as well as the thermo-mechanical properties of the involved materials. Experimental tests with polyurethane foam materials were also carried out. It was concluded that the use of higher feed-rates lead to a decrease of normal stresses and strains in the foam materials. The experimental and numerical results were compared and showed good agreement. The proposed numerical model could be used to predict the better drilling parameters and minimize the bone injuries.

Effect of different feed-rate in bone drilling: experimental and numerical study

The behaviour of bone tissue during drilling has been subject of recent studies due to its great importance. Because of thermal nature of the bone drilling, high temperatures and thermal mechanical stresses are developed during drilling that affect the process quality. However, there is still a lack information with regard to the distribution of mechanical and thermal stresses during bone drilling.

Otimização dos parâmetros de maquinagem no processo de fresagem

Cada vez mais, os principais objetivos na indústria é a produção a baixo custo, com a máxima qualidade e com o tempo de fabrico o mais curto possível. Para atingir esta meta, a indústria recorre, frequentemente, às máquinas de comando numérico (CNC), uma vez que com esta tecnologia torna se capaz alcançar uma elevada precisão e um tempo de processamento mais baixo. As máquinas ferramentas CNC podem ser aplicadas em diferentes processos de maquinagem, tais como: torneamento, fresagem, furação, entre outros. De todos estes processos, o mais utilizado é a fresagem devido à sua versatilidade. Utiliza-se normalmente este processo para maquinar materiais metálicos como é o caso do aço e dos ferros fundidos. Neste trabalho, são analisados os efeitos da variação de quatro parâmetros no processo de fresagem (velocidade de corte, velocidade de avanço, penetração radial e penetração axial), individualmente e a interação entre alguns deles, na variação da rugosidade num aço endurecido (aço 12738). Para essa análise são utilizados dois métodos de otimização: o método de Taguchi e o método das superfícies. O primeiro método foi utilizado para diminuir o número de combinações possíveis e, consequentemente, o número de ensaios a realizar é denominado por método de Taguchi. O método das superfícies ou método das superfícies de resposta (RSM) foi utilizado com o intuito de comparar os resultados obtidos com o método de Taguchi, de acordo com alguns trabalhos referidos na bibliografia especializada, o RSM converge mais rapidamente para um valor ótimo. O método de Taguchi é muito conhecido no setor industrial onde é utilizado para o controlo de qualidade. Apresenta conceitos interessantes, tais como robustez e perda de qualidade, sendo bastante útil para identificar variações do sistema de produção, durante o processo industrial, quantificando a variação e permitindo eliminar os fatores indesejáveis. Com este método foi vi construída uma matriz ortogonal L16 e para cada parâmetro foram definidos dois níveis diferentes e realizados dezasseis ensaios. Após cada ensaio, faz-se a medição superficial da rugosidade da peça. Com base nos resultados obtidos das medições da rugosidade é feito um tratamento estatístico dos dados através da análise de variância (Anova) a fim de determinar a influência de cada um dos parâmetros na rugosidade superficial. Verificou-se que a rugosidade mínima medida foi de 1,05m. Neste estudo foi também determinada a contribuição de cada um dos parâmetros de maquinagem e a sua interação. A análise dos valores de “F-ratio” (Anova) revela que os fatores mais importantes são a profundidade de corte radial e da interação entre profundidade de corte radial e profundidade de corte axial para minimizar a rugosidade da superfície. Estes têm contribuições de cerca de 30% e 24%, respetivamente. Numa segunda etapa este mesmo estudo foi realizado pelo método das superfícies, a fim de comparar os resultados por estes dois métodos e verificar qual o melhor método de otimização para minimizar a rugosidade. A metodologia das superfícies de resposta é baseada num conjunto de técnicas matemáticas e estatísticas úteis para modelar e analisar problemas em que a resposta de interesse é influenciada por diversas variáveis e cujo objetivo é otimizar essa resposta. Para este método apenas foram realizados cinco ensaios, ao contrário de Taguchi, uma vez que apenas em cinco ensaios consegue-se valores de rugosidade mais baixos do que a média da rugosidade no método de Taguchi. O valor mais baixo por este método foi de 1,03μm. Assim, conclui-se que RSM é um método de otimização mais adequado do que Taguchi para os ensaios realizados. Foram obtidos melhores resultados num menor número de ensaios, o que implica menos desgaste da ferramenta, menor tempo de processamento e uma redução significativa do material utilizado.

Experimental study of temperatures during drilling of ex-vivo bovine bones

The thermal bone necrosis induced during a drilling process is a frequent and potential phenomenon, which contributes to post-operative problems. The frictional heat generated from the contact between the drill bit and the hole wall is unavoidable. However, understanding advanced techniques for acquiring reliable thermal data on bone drilling is important to ensure the quality of the drilled hole. The purpose of this study is to present two different experimental methods to analyse the drilling conditions that generate the lower temperatures, avoiding the occurrence of thermal bone necrosis. Ex-vivo bovine bones were used to simulate the drilling process considering the effect of drill bit diameter, drill speed and feed-rate. Different experiments were performed to assess the repeatability of the tests. The results identified the drill bit diameter as the most critical parameter for inducing higher temperatures in bone drilling.

Thermal analysis in the drilling of solid rigid foam materials and ex-vivo bovine bones

Bone is a dynamic, highly vascularized tissue with a unique capacity to heal and regenerate without scarring. However, drilling remains a concern in several clinical procedures due to thermal damage of the bone and surrounding tissue. The success of this surgeries is dependent of many factors and also in temperature generation during the drilling bone. When an excessive heat is produced during the drilling, thermal necrosis can occur and the bone suffers injuries. Studies have shown that the increased temperature is directly related with the drilling parameters, particularly, the drill speed, feed-rate, applied force, the depth of cut, the geometry of the drill bit, the use or not of a cooling system and also the type of bone.