lﾒemissione acustica durante prove di compressione su impianti

L’EMISSIONE ACUSTICA DURANTE PROVE DI COMPRESSIONE
DI IMPIANTI DENTARI IN TITANIO
Fabrizio Billi
Università di Roma- La Sapienza
Carlo Santulli
Centro Comune di Ricerca - Ispra
This work aims to study the behaviour of titanium dental implants during compression tests,
in two different loading conditions. Mechanical results were compared with acoustic emission
outputs and fractographies were performed, so to better understand the processes leading to
fracture. Some possible observations on maximum applicable load in the different conditions
are presented, based on the above-mentioned synergetical approach.
Si sono effettuate prove di compressione monitorate con emissione acustica su impianti
dentari in titanio in due diverse condizioni di applicazione del carico. Una tale analisi é
motivata dalla difficoltà di riconoscimento dell’inizio del comportamento plastico dalle curve
di sollecitazione meccanica. L’aggiunta ad esse delle informazioni ottenute dall’emissione
acustica e dalle frattografie, ha permesso di ottenere informazioni più dettagliate sul
comportamento degli impianti nel caso sia di corretto che di errato posizionamento.
Introduzione
L’impianto per via chirurgica di denti supportati da strutture in titanio biocompatibile ha
riscosso negli ultimi 30 anni un crescente successo, giustificato da ragioni estetiche e
funzionali, oltre che dal fatto di preservare per quanto possibile la dentatura esistente.
L’impianto a forma di vite viene chirurgicamente posto nell’osso della mascella e completato
successivamente alla cicatrizzazione con il dente permanente. L’osteointegrazione del titanio
non presenta particolari problemi, anche se sicuramente da un punto di vista meccanico lo
sforzo di compressione durante l’ancoraggio e la vita stessa dell’impianto risulta significativo,
specie ove ad esso si aggiungano incongrue sollecitazioni di taglio. In più va considerato il
fatto che la combinazione in-situ di denti naturali con protesi osteointegrate richiede una
ridistribuzione di forze. Nel caso in particolare di una struttura in titanio, i suoi difetti
principali sono attribuibili all’alto punto di fusione e nell’elevata reattività chimica con
ossigeno ed azoto durante la formazione di protesi dentarie in forno a riverbero (2).
L’analisi dell’emissione acustica é una tipologia di controllo non distruttivo largamente
applicata al monitoraggio di prove meccaniche (3, 4) permettendo la misurazione con buona
approssimazione del limite di proporzionalità - o pseudo-snervamento- dei materiali e la
caratterizzazione del loro danneggiamento, anche su materiali compositi (5) a base di titanio.
In quest’ultimo caso l’emissione acustica permette il riconoscimento di rotture di fibra, che
avvengono con frammentazioni successive in conseguenza dell’incremento del carico.
Possibilità é quella del riconoscimento di transitori durante la sollecitazione meccanica:
un’applicazione ben nota é relativamente alle leghe di titanio quella della trasformazione
martensite-austenite (6,7) o della geminazione (8) nelle leghe a memoria di forma. In (9),
relativamente a queste leghe, é stato inoltre seguito il processo di apertura di cricche per
sollecitazioni di fatica, in ogni caso rilevando un’alta affidabilità delle osservazioni di
1
emissione acustica. Le migliori qualità di questa tecnica risiedono nella sua totale passività
che può renderla particolarmente obiettiva nell’osservazione del danneggiamento e nella
valutazione della gravità di particolari situazioni di tensionamento del pezzo in esame e la
rende peraltro adatta ad interfacciarsi con altri metodi di controllo.
Materiali e metodi
Il test di prova a compressione è stato eseguito con una macchina di trazione di tipo
elettromeccanico, modello ZWICK 1488. Tutte le prove sono state eseguite ad una velocità di
spostamento della traversa costante e pari ad 1 mm/min. Le condizioni di applicazione del
carico, 0° e 25°, hanno permesso una valutazione della resistenza in condizioni sia di corretto
che di errato posizionamento.
Sono state effettuate prove su cinque misure diverse di impianti, classificate in base sia alle
diverse dimensioni del filetto della vite dell’impianto (3.3/3.7/4.0) che alla lunghezza totale
del tratto Ti grado 4 comprendente il filetto (15/16/18). I provini sono stati classificati a
seconda del tipo di prova a cui sono stati sottoposti e del gruppo di appartenenza. La prima
lettera identifica il tipo di prova: “n” compressione a 0°, “o” compressione a 25°. Le
successive due lettere identificano il diametro del filetto e le successive due la lunghezza del
tratto di Ti grado 4 (tratto A). La lettera finale identifica il provino all’interno del gruppo di
appartenenza. In questo modo l’impianto “n3316a” è il primo del gruppo avente diametro 3.3
e lunghezza del tratto A pari a 16. Delle cinque prove costituenti ogni gruppo, sono state
considerate soltanto le tre che presentavano la minore dispersione di dati meccanici.
L’emissione acustica veniva acquisita con un sistema PAC Mistras, ponendo due microsensori
(∅ 9 mm) risonanti a 300 kHz ad una mutua distanza centro/centro di 35 mm. La soglia
impiegata era di 35 dB.
RISULTATI
In fig.1 viene riportato, a scopo di una migliore visualizzazione delle dimensioni dei provini,
un terzetto di innesti appartenente alla stessa serie.
fig.1 Un esempio di materiali testati
I risultati meccanici sono riassunti nella tabella 1a per le prove di compressione a 0° e nella
tabella 1b per le prove di compressione a 25º, relativamente ai tre provini più tipici di ogni
serie. Una valutazione complessiva dei risultati meccanici può mettere in evidenza la notevole
dispersione dei valori del carico massimo nel caso dei provini n, dispersione viceversa molto
più contenuta sui provini o, pur su valori assoluti di molto inferiori. E’ stato dato particolare
2
rilievo inoltre, per i provini n, al livello di sforzo applicato per il quale avviene la prima
caduta di carico, supponendo si verifichi in sua corrispondenza la perdita di funzionalità
dell’impianto, considerazione questa che l’emissione acustica potrebbe per sua natura essere
in grado di confermare o meno. Tali prime cadute di carico non sono in tutti i casi distinguibili
dalle successive e misurabili.
Impianto
n3316b
n3316c
n3316d
n3716a
n3716b
n3716d
n3718a
n3718b
n3718c
n4016a
n4016c
n4016d
Tabella 1a
I caduta di carico (N)
∆F (N)
5238
387
7033
409
7238
845
6137
1433
6950
422
5190
586
7174
26
7436
7622
8384
Impianto
o3316a
o3316b
o3316c
o3715a
o3715b
o3715c
o3716b
o3716c
o3716d
o3716a
o3716c
o3716d
Carico massimo (N)
9836
12397
10912
8582
11040
14924
10233
8588
8966
9683
9676
10566
Tabella 1b
Carico massimo (N)
1886
1198
2243
1891
1811
1773
2090
1078
1750
1904
1702
1630
Passiamo ora ad esaminare l’andamento delle curve di carico. Si possono distinguere in
generale nel caso dei provini n (fig.2) quattro diverse zone di andamento del carico, che
evidenziamo in corrispondenza di questa prima serie di provini, limitandoci poi per le
successive serie a sottolineare solo le particolarità di comportamento rispetto a questo primo
esempio. La prima zona è quella di linearità elastica. Non si riesce a distinguere con esattezza
il campo in cui inizia il comportamento plastico e quindi le prime deformazioni (v. in seguito
nell’ analisi dei dati di emissione acustica). Il secondo tratto è quello individuato dalla prima
caduta di carico. L’osservazione visiva mostra il colletto tra impianto e moncone che inizia a
cedere. Si può pensare che già prima della rottura del colletto le deformazioni subite
dall’impianto sono tali da dar luogo ad una compressione che non è più puramente assiale ma
mista obliqua. Un terzo tratto è quello che riguarda le successive cadute di carico. L’apertura
3
del colletto è completa e l’impianto risulta ormai visibilmente inclinato rispetto all’asse
verticale. Il carico massimo viene raggiunto nella quarta parte della curva, dove ormai il
carico è solo virtualmente assiale, ma risulta in realtà composto con una componente obliqua
diventa sempre più rilevante.
c a ric o (N )
16000
n3316b
14000
12397
n3316c
9836
n3316d
12000
10912
9683
10000
7123
8000
7494
5238
6115
6000
4000
2000
te m p o ( s )
0
0
60
120
180
240
300
360
420
fig.2 Esempi di curve di carico per prove di compressione a 0°
Nel caso invece delle prove di compressione obliqua, non si presentano cadute di carico
intermedie, anche se il carico massimo viene raggiunto un po’ prima della rottura, sempre per
la variazione dell’angolo di azione della forza risultante sull’impianto (fig.3).
2500
1904
2000
1702
1630
1500
o40 16 a
o4016c
o4016d
C a ri c o (N )
1000
500
0
0
50
100
150
200
250
T e m p o (s )
fig.3 Esempi di curve di carico per prove di compressione a 25°
Emissione acustica
Nello studio dell’emissione acustica prodotta durante questo tipo di prove, é possibile seguire
due tipi di approcci conseguenti l’uno all’altro: il primo relativo alle reali possibilità di questa
tecnica di prevedere il comportamento meccanico del materiale specifico sotto esame; in
questo caso veniva compiuto l’esame dei dati di emissione acustica durante tutta la prova allo
4
scopo di evidenziare compiutamente le discontinuità della sollecitazione di compressione,
come cadute di carico o cambiamenti di pendenza.
Per quanto riguarda questo aspetto, possiamo osservare che il comportamento meccanico
osservabile sia nei provini sottoposti a prova di compressione a 0º che quelli testati sotto un
angolo di 25º viene riproposto in modo evidente anche nelle curve conteggi cumulativi tempo: a tale scopo riportiamo questa curva di emissione acustica relativa ai provini n3316b
(fig.4) e o4016a (fig.5) da correlare con le curve carico-tempo mostrate in fig.2 e 3. Dalla fig.4
si può evincere come l’andamento in quattro fasi della curva di compressione viene ripetuto
dalle curve di emissione acustica con le quattro fasi I (nessuna emissione), fase II (emissione
molto modesta), fase III (emissione maggiore in corrispondenza delle cadute di carico) e IV
(emissione sempre molto vivace). Le stesse considerazioni possono essere ripetute per la
curva in fig.5, ove il passaggio dalla fase di linearità elastica alla fase di plasticizzazione viene
rilevato in corrispondenza del passaggio, circa intorno ai 30 secondi di prova, da una fase di
emissione acustica molto debole e approssimativamente costante ad una fase di maggiore
attività, contraddistinta da improvvisi scoppi di emissione acustica nei momenti dei momenti
di cedimento strutturale.
fig.4 Curva conteggi cumulativi di emissione acustica - tempo relativa ad un provino n
5
fig.5 Curva conteggi cumulativi di emissione acustica - tempo relativa ad un provino o
E’ pur vero tuttavia che l’interesse della prova dal punto di vista non della tecnica di
monitoraggio, ma dell’utilizzo del materiale, risulta limitato al periodo della prova che si
chiude con i primi fenomeni di deformazione plastica. All’uopo si sono esaminati solo i primi
50 secondi della prova, osservandone il comportamento in emissione acustica. In questo
ambito temporale si é cercato di valutare il valore di insorgenza della deformazione plastica
dell’impianto misurandolo come corrispondente al valore di carico di inizio dell’attività
acustica. Per giungere ad una stima coerente di tale carico, si é deciso di adottare i seguenti
due criteri di esclusione dei fenomeni isolati o poco rilevanti, per la cui definizione e
discussione é disponibile un’ampia letteratura (ad es. 10):
• si é definito come carico di inizio dell’attività acustica il carico ove si raggiunge il 5% dei
conteggi cumulativi totali sul periodo di 50 sec. considerato
• sono stati tralasciati i colpi di emissione acustica con meno di 5 conteggi (oscillazioni)
I risultati ottenuti da questa analisi sono schematizzati nella tabella 2. I provini non riportati
hanno presentato un’attività acustica non sufficiente ad effettuare l’analisi suddetta. I risultati
di emissione acustica confermano la dispersione dei valori di cedimento nel caso dei provini
testati a compressione pura, mentre quelli caricati sotto un angolo di 25° e quindi in
condizioni irregolari presentano valori di inizio attività acustica concentrati intorno ai 300 N;
come già fatto notare tuttavia, l’effetto dei carichi composti anche ad inizio sollecitazione sui
provini n testati in condizioni di utilizzo reale necessita di ulteriori investigazioni.
Provino
n3316b
n3316c
n3716a
n3716b
n3716d
n3718a
n3718b
n4016c
n4016d
o3316a
o3316b
o3316c
o3715a
o3715b
o3715c
o3716c
o4016a
o4016b
o4016c
Tabella 2
Carico di inizio dell’emissione acustica
1636
426
940
178
296
739
1012
2150
750
107
331
347
340
310
275
280
225
635
450
6
Esame frattografico al SEM
Con riferimento alle prove di compressione a 0°, si nota il cedimento del colletto tra moncone
e parte filettata visibile dalle frattografie 1 e 3. Per quanto riguarda invece le prove in
compressione a 25°, si può notare (frattografie n.2 e 4) come la rottura sia avvenuta nella parte
di collegamento tra moncone e gambo filettato e più precisamente ai danni della vite, il che
spiega il valore molto più basso del carico massimo.
Frattografia 1: impianto N4016D
Frattografia 2: impianto O3316A
Frattografia 3: impianto N3316B
Frattografia 4: impianto O4016D
Conclusioni
La tecnica dell’analisi dell’emissione acustica si é rivelata particolarmente utile al
monitoraggio delle prove di compressione su impianti dentari in titanio in condizioni di
sollecitazione corretta (compressione pura) e di applicazione inefficace (compressione sotto
un angolo di 25°). In ambedue i casi sia le progressive cadute di carico che portano alla rottura
del pezzo che l’inizio della deformazione plastica corrispondente al limite di utilizzo sono con
7
ragionevole precisione individuate e la concordanza con le curve sforzo-deformazione é
significativamente verificabile.
Vanno tuttavia sottolineate le difficoltà sia di localizzazione esatta tramite questa tecnica dei
fenomeni di cedimento che le problematiche relative ad un approccio in termini di energia
assoluta rilasciata in seguito al danneggiamento.
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