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TECNOLOGÍA DE GRUPOS APLICADA EN EL MECANIZADO DE

TORNILLOS DE HUESO HUMANO

DIANA MARIA ORTEGA PARDO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA CURSO DE PREGRADO

BOGOTA, 30 ENERO 2003

TECNOLOGÍA DE GRUPOS APLICADA EN EL MECANIZADO DE

TORNILLOS DE HUESO HUMANO

DIANA MARIA ORTEGA PARDO

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico.

Asesor FABIO ARTURO ROJAS MORA.

Profesor – Investigador Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA CURSO DE PREGRADO

BOGOTA, 30 ENERO 2003

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN _______________________________________________ 1 2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO _________________________________ 2

2.1. Objetivo general _______________________________________________ 2

SECCION I. MARCO CONCEPTUAL __________________________________ 4

3. ESQUELETO___________________________________________________ 5

4. HUESO________________________________________________________ 8

4.1. Tipo de Hueso por estructura interna ______________________ 10

4.2. Tipos de hueso por forma _________________________________ 12 4.3. Huesos largos ____________________________________________ 13

4.4. Huesos cortos____________________________________________ 14

4.5. Huesos planos ___________________________________________ 14

5. FRACTURAS __________________________________________________ 16 6. IMPLANTES __________________________________________________ 21

7. TORNILLOS DE HUESO________________________________________ 26

7.1. El ciclo de remodelación __________________________________ 27

7.2. Biomecánica de los tornillos de fijación ____________________ 32

7.3. Partes ___________________________________________________ 33

7.4. Cabeza___________________________________________________ 33

7.5. Vástago __________________________________________________ 34

7.6. Rosca____________________________________________________ 36 7.7. Punta ____________________________________________________ 37

8. TECNOLOGÍA DE GRUPOS _____________________________________ 38

8.1. Formatos básicos de distribución en planta ________________ 38

8.2. Distribución en planta por tecnología de grupos (celular)____ 39 9. MANUFACTURA CNC__________________________________________ 43

9.1. Control Numérico_________________________________________ 43

9.2. Programa de trabajo ______________________________________ 43

9.3. Torno EMCO COMPACT 5 _________________________________ 44 SECCION II. - PROYECTO EXPERIMENTAL __________________________ 47

10. TORNILLOS SELECCIONADOS _______________________________ 48

11. SELECCION DE GRUPOS DE MECANIZADO ___________________ 50

12. MECANIZADO DE TORNILLOS DE HUESO ____________________ 52

12.1. Pasos de fabricación de los implantes ___________________ 54

12.2. Operaciones previas al mecanizado______________________ 55

12.3. Experimentación _______________________________________ 60

12.4. Operaciones de mecanizado_____________________________ 62 13. PROGRAMAS GENERADORES DE CODIGO G __________________ 65

14. CONCLUSIONES ____________________________________________ 66

15. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS____________________________ 68

16. ANEXOS____________________________________________________ 71

16.1. DIMENSIONES TORNILLO _______________________________ 71

16.2. GRAFICAS TORNILLOS _________________________________ 71

16.3. CODIGO G _____________________________________________ 72

LISTA DE TABLAS

Pg. Tabla 1. Algunos datos numéricos de las propiedades mecánicas del hueso humano. ............ 9

Tabla 2 . Resumen de patrones de fractura típicos en huesos largos, con su respectiva carga y apariencia. ............ 18

Tabla 3. Funciones básicas del torno EMCO COMPACT 5. ............ 46

Tabla 4. Grupos formados para mecanizado ............ 50

Tabla 5. Grupo 1. Diámetro externo 1.5mm; Longitud roscada total

............ 51

Tabla 6 Grupo 2. Diámetro externo 2.0mm; Longitud roscada total

............ 51


............ 51


............ 52

Tabla 9 Grupo 5. Diámetro externo 3.5mm; Longitud roscada parcial

............ 52

Tabla 10. Parámetros de corte generadores de superficie adecuada del tornillo.

............ 54

LISTA DE FIGURAS

Pg.

Figura 1. Vista anterior del esqueleto humano ............ 7

Figura 2. Relación entre el esfuerzo ultimo a tensión y Modulo de elasticidad

............11

Figura 3. Tipo de hueso según forma. ............ 13

Figura 4. Vista anterior de los huesos de la mano. ............ 14

Figura 5. Vista lateral y anterior de los huesos de la cabeza. ............ 15

Figura 6. Curva para el comportamiento de creep ............ 17

Figura 7. Momento de inercia y Resistencia a la flexión ............ 19

Figura 8. Placa de compresión dinámica de contacto reducido ............ 22

Figura 9. Imagen de fractura abierta de antebrazo, de segundo grado, de paciente con politraumatismo.

............23

Figura 10. Aplicación de implante Inter-fragmentario con placa de compresión dinamica.

............23

Figura 11. Osteogénesis a distancia ............ 28

Figura 12. Osteogénesis de contacto ............ 28

Figura 13. Comparación de las curvas de esfuerzo deformación para fémur humano en estado liofilizado y fresco

............31

Figura 14. Cargas distribuidas a través del tornillo. ............ 32

Figura 15. Tipos de cabezas. ............ 34

Figura 16. Tornillo de compresión y Tornillo tipo maquina. ............ 35

Figura 17. Tipos de punta ............ 37

Figura 18. Fotografías del Torno EMCO COMPACT 5. ............ 44

Figura 19. Formato código G. ............ 45

Figura 20. Desplazamiento en ejes del torno EMCO COMPACT 5.

............45

Figura 21. Corte esquematizado de fémur o tibia humana, simulando forma perfectamente cilíndrica

............56

Figura 22. Fotografía del ensamble de piezas de fijación ............ 57

Figura 23. Fotografía montaje de piezas de fijación y tarugo ............ 58

Figura 24. Fotografía del montaje completo de los elementos de fijación

............58

Figura 25. Fotografía de cilindro de hueso fracturado en la zona de transición entre resina y hueso.

............59

Figura 26. Fotografía de tarugo previamente mecanizado, en el que se observa el cilindro de hueso cortical.

............61

Figura 27. Esquema de mecanizado con funciones en EMCO COMPACT5 CNC

............62

Figura 28. Posición inicial del buril para comenzar a correr el programa

............62

Figura 29. Perfil de tornillo sin roscado, en el material base ............ 64

Figura 30. Esquema del buril perfil de corte. ............ 64

Figura 31. Fotografía del buril perfil de corte ............ 64

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1

1. INTRODUCCIÓN

El siguiente documento describe el desarrollo del proceso de automatización

de la producción de tornillos de hueso cortical humano liofilizado para uso

ortopédico en zona maxilofacial y mecarpiana, por medio de la aplicación de

tecnología de familias en una producción de control numérico en el torno

EMCO COMPACT 5 CNC.

Todos los tornillos a mecanizar están bajo la norma Brasilera NBR ISO 5835

de Noviembre 1996. En la cual, al especificar el diámetro externo del tornillo,

se obtiene las demás dimensiones (ver anexos), excluyendo la longitud total

y la longitud roscada; estas dimensiones se especificaron por medio de los

catálogos de Compact hand - SYNTHES, 2001 Compact MF- SYNTHES,

2001; Smart Screw - BIONX, 2001.

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2

2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

2.1. Objetivo general

• Desarrollar procesos productivos rentables para la industria, basado

en la disminución del tiempo de producción, a partir de la

implementación de la tecnología de familias en el mecanizado de

tornillos de hueso, para uso ortopédico.

2.2. Objetivos específicos.

• Clasificar en familias de productos los diferentes tornillos de uso

ortopédico, encontrados en el mercado, de acuerdo a sus

características geométricas y de producción.

• Desarrollar algoritmos para el proceso de mecanizado de cada familia

de tornillos en el torno didáctico EMCO COMPACT 5 del laboratorio de

Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes.

• Implementar un programa guía para el mecanizado de una familia de

tornillos en el torno didáctico EMCO COMPACT 5 del laboratorio de

Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes.

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3

• Desarrollar un programa generador de código G, basado en

especificaciones definidas (paso, longitud roscada, diámetro exterior,

etc.) para ser introducido en el torno didáctico EMCO COMPACT 5 del

laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes.

• Desarrollo preliminar de aplicación web del programa generador de

código G, para ser introducido en el torno didáctico EMCO COMPACT

5 del laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los

Andes.

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4

SECCION I. MARCO CONCEPTUAL

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5

3. ESQUELETO

El cuerpo humano es una complicada estructura que contiene más de

doscientos huesos, un centenar de articulaciones y más de 650 músculos

actuando coordinadamente. Gracias a la colaboración entre huesos y

músculos, el cuerpo humano mantiene su postura, puede desplazarse y

realizar múltiples acciones.

El conjunto de huesos y cartílagos forma el esqueleto.

El tejido óseo combina células vivas (osteocitos) y materiales inertes (sales

de calcio y fósforo), además de sustancias orgánicas de la matriz ósea como

el colágeno. Los huesos son órganos vivos que se están renovando

constantemente.

Las funciones del esqueleto son múltiples:

Sostiene al organismo y protege a los órganos delicados como el cerebro, el

corazón o los pulmones, a la vez que sirve de punto de inserción a los

Comentario: Bibliografía—BUSCARLA!

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6

tendones de los músculos, Además, el interior de los huesos largos aloja la

medula ósea, un tejido que fabrica glóbulos rojos y blancos.

En el cuerpo humano existen 208 huesos (Sistema óseo, 2002):

• 26 en la columna vertebral

• 8 en el cráneo.

• 14 en la cara

• 8 en el oído

• 1 hueso hioides

• 25 en el tórax

• 64 en los miembros superiores

• 62 en los miembros inferiores

Comentario: Bibliografía—BUSCARLA!

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7

Figura 1, Vista anterior del esqueleto humano, Fuente: Sistema oseo

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8

4. HUESO

El hueso es un material de naturaleza biología y como tal sus propiedades

físicas varían ampliamente de muestra en muestra. Posee una estructura

fibrosa como la madera. El tejido óseo esta compuesto por aproximadamente

70% mineral, 22% de proteínas y un 8% de agua. Es fuertemente

viscoelástico y anisotrópico, y comparado a otros materiales el hueso exhibe

propiedades muy interesantes, por ejemplo es 3 veces mas liviano que el

hierro fundido (en relación con el peso especifico) y es 10 veces más flexible,

además ambos materiales presentan una resistencia a la tensión muy similar.

(Rojas, 2000)

A continuación, se presentan algunos datos numéricos de las propiedades

mecánicas del hueso humano.

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9

Dirección y Densidad Resistencia Modulo de Tipo de hueso tipo de carga aparente (g/cm3) Máxima (Mpa) Elasticidad (103Mpa)

Cortical tracción 1.85 133 17000 (Fémur medio) longitudinal Compresión 1.85 193 17000 Longitudinal cizallamiento 1.85 68 3000 longitudinal tracción 1.85 51 11500 transversal Compresión 1.85 33 11500 transversal Esponjoso Compresión 0.31 6 76 (cuerpo vertebral)

El hueso constituye el esqueleto de la mayoría de los vertebrados

desarrollados. Provee de resistencia mecánica, protege a los órganos

internos y es el lugar para la formación de la sangre. El hueso consiste en

una matriz intercelular y células formadoras de hueso, como osteoblastos,

osteocitos, tejido conjuntivo y células de resorción ósea: osteoclastos. La

matriz intercelular esta compuesta en su mayor parte por colágeno tipo1

como compuesto orgánico, y como compuesto inorgánico se encuentra el

calcio y el fosfato. Sales inorgánicas son los dos tercios del peso del hueso y

son los responsables de la dureza del tejido óseo. (Kapanen, 2002)

Cuando los huesos experimentan cargas físicas, exhiben un comportamiento

estructural. Este comportamiento depende de la masa del tejido, las

propiedades del material y su geometría. La mejor manera de describir el

comportamiento estructural del hueso es considerar que sucede cuando

Tabla 1. Algunos datos numéricos de las propiedades mecánicas del hueso humano. Fuente: Einhorn et al. (1992)

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10

existe una fractura; bajo condiciones en las cuales el hueso esta expuesto a

altos esfuerzos, generando cargas muy altas. Si el esfuerzo aplicado excede

el esfuerzo ultimo del hueso, ocurrirá una fractura. La fractura es un evento

iniciado a nivel del material, pero que afecta toda la capacidad estructural del

hueso. Este tema se profundizara mas adelante en el capitulo 5.

4.1. Tipo de Hueso por estructura interna

Existen dos tipos diferentes de hueso: cortical y esponjoso. El hueso

esponjoso consiste en barras irregulares o trabeculares, que se ramifican y

forman redes, y entre estas se encuentra el hueso medular. El hueso cortical

es compacto y tiene funciones protectivas y mecánicas. En los hueso largos,

el hueso cortical cubre al hueso esponjoso como un tubo.(Kapanen, 2002)

4.1.1. Propiedades del hueso cortical

El constituyente primario del hueso cortical adulto son osteonas secundarias,

Los osteones típicamente se encuentran en un rango de 200 a 300 micrones

Y se componen de laminillas concéntricas de la matriz extracelular

mineralizada. Las propiedades mecánicas del hueso cortical están

significativamente influenciadas por el numero, orientación y tamaño de los

osteones, como también de la cantidad de los intersticios laminares del

hueso, entre las vencidades de los osteones, es decir que las propiedades

del hueso cortical dependen del arreglo de los osteones y del proceso de

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11

remodelamiento. En la mayoría de los huesos largos los osteones se

ordenan longitudinalmente a lo largo del eje del hueso, proveyendo de mayor

resistencia al mismo. (Einhorn et al., 1992)

La siguiente figura muestra el comportamiento mecánico del hueso cortical

(esfuerzo ultimo y modulo de elasticidad) bajo el aumento de la tasa

deformación.

Figura 2. Relación entre el esfuerzo ultimo a tensión (coordenada izquierda) y Modulo de elasticidad (coordenada derecha) en hueso cortical como función del aumento en la tasa de deformación. Fuente: Einhorn et al, (1992)

4.1.2. Propiedades del hueso esponjoso

En contraste con el hueso cortical, el hueso esponjoso o trabecular esta

compuesto de lamelas intersticiales, ocurriendo la remodelación en las

superficies dentro de regiones discretas conocidas como paquetes

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12

trabeculares. El comportamiento macroscópico del hueso esponjoso se

asemeja al de una estructura compuesta de barras. Su arquitectura porosa

resulta en una altísima relación de superficie – volumen, proporcionando una

gran potencial para el intercambio de minerales a través del remodelamiento

superficial.

Existe una amplia variabilidad de los datos reportados sobre las propiedades

mecánicas del hueso esponjoso, sobre todo en el esfuerzo y la rigidez. Por

ejemplo el modulo de elasticidad varia en un rango desde 10 a 800 MPa.

Estas variaciones se pueden explicar por las diferencias de los sitios

anatómicos de las muestras, por la edad de los individuos, por el método de

prueba y por las condiciones ambientales. (Einhorn, 1992)

4.2. Tipos de hueso por forma

Existen diferentes tipos de huesos :

• Largos, como los del brazo o la pierna

• Cortos, como los de la muñeca o las vértebras

• Planos, como los de la cabeza

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13

Figura 3. Tipo de hueso según forma. Fuente: Sistema óseo

4.3. Huesos largos

Son duros. Están formados por una substancia blanda llamada osteína y por

una sustancia dura formada por sales minerales de calcio y fósforo. Los

huesos largos tienen en su parte media un canal central relleno de médula

amarilla, y las cabezas son esponjosas y están llenas de médula ósea roja.

Entre sus funciones están:

• Dar consistencia al cuerpo.

• Ser el apoyo de los músculos y producir los movimientos.

• Sirven como centro de maduración de eritrocitos (glóbulos rojos).

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14

4.4. Huesos cortos

4.4.1. Huesos de la mano

Figura 4. Vista anterior de los huesos de la mano. Fuente Sistema óseo

Los metacarpianos en la mano y las falanges en los dedos son huesos de las

extremidades superiores

4.5. Huesos planos

4.5.1. Huesos de la cabeza

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15

Figura 5. Vista lateral y anterior de los huesos de la cabeza. Fuente: Sistema óseo

La cabeza está constituida por el cráneo y la cara. Es una sucesión compleja

de huesos que protegen el encéfalo y a otros órganos del sistema nervioso

central.

Los huesos del cráneo son 8 y forman una caja resistente para proteger el

cerebro. Los huesos de la cara son 14. Entre ellos los más importantes son

los maxilares (superior e inferior) que se utilizan en la masticación. Hay un

hueso suelto a nivel de la base de la lengua; llamado hioides, en la que

sustenta en sus movimientos.

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16

5. FRACTURAS

Clínicamente, un hueso puede ser cargado por diversas combinaciones de

carga, tales como compresión, flexión y torsión.

El lugar en el que una fractura ocurre depende de un gran numero de

factores, incluyendo el espesor local del hueso cortical, las propiedades del

mismo y toda la geometría de la estructura. El área y el momento polar de

inercia desempeñan un papel importante en la biomecánica de las fracturas

ya que estos son los parámetros físicos que describen la influencia de la

geometría en la resistencia de los huesos largos.

La mayoría de las fracturas en huesos largos ocurren de una manera

predecible. La mayoría de los patrones básicos representan alguna

combinación de flexión, torsión o cargas de compresión, según lo modificado

por la magnitud y la rata de aplicación de la carga y de las características

locales del hueso (forma, concentradores de esfuerzo, etc.). Por lo tanto para

comprender las fracturas en huesos largos se debe comprender los

siguientes cinco factores:

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17

1. Tipo de carga

2. Magnitud de la carga

3. Rata de aplicación (ver figura 6)

4. Propiedades del hueso como material

5. Propiedades estructurales del hueso (Gozna, 1982)

Figura 6. Curva para el comportamiento de creep. Indica que si el hueso esta sujeto a esfuerzos constantes por un periodo extendido de tiempo se deformará hasta fallar, así el nivel de esfuerzo este por debajo del esfuerzo de cedencia (σσσσp= 60MPa = Nivel de esfuerzo). Fuente: Einhorn et al, (1992)

La siguiente tabla resume la biomecánica de las fracturas en huesos largos.

Por el patrón de la radiografía se puede determinar cual fue el mecanismo de

lesión y se puede estimar la cantidad de energía envuelta en el proceso.

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18

Tabla 2 . Resumen de patrones de fractura típicos en huesos largos, con su respectiva

carga y apariencia. Fuente: Gozna et al. (1982)

Patrón de fractura Carga Apariencia Diaphyseal impaction Compresión axial

Transversal Flexión

Espiral Torsión

Mariposa (oblicua-transversal)

Compresión axial + flexión

Oblicua Compresión axial +

flexión + torsión

Es importante distinguir entre el hueso como material y como estructura.

Como material el hueso, como ya se menciono anteriormente, es

anisotrópico, viscoelástico e in homogéneo. Los primeros términos implican

que sus propiedades mecánicas varían marcadamente dependiendo de la

orientación del hueso y de la rapidez de la aplicación de la carga.

En el hueso como estructura se debe considerar tanto la forma como las

irregularidades superficiales que podrían afectar su resistencia. La forma

tiene una importancia relevante en la resistencia del hueso, ya que esta

asociada a la cantidad que define la resistencia a la flexión y torsión del

hueso: el momento de inercia y el momento polar respectivamente.

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19

En la figura 7 se puede observar que a pesar de que las áreas de los tres

huesos son iguales, el momento de inercia varia. Esto ocurre como resultado

de la manera como el hueso se distribuye en relación al eje central de

rotación en flexión. El hueso sólido a la izquierda de la figura 7 tiene la

misma cantidad de hueso (en área) al del centro pero el ultimo tiene un

momento de inercia mayor ya que el hueso se ha distribuido de manera

lejana al centro del eje. Por lo cual su resistencia a la flexión es 50% mayor.

Las irregularidades superficiales están ligadas a los concentradores de

esfuerzos. Dado que la mayoría del esfuerzo en los huesos largos esta

distribuido a lo largo de su superficie, cualquier discontinuidad puede

aumentar en gran medida el esfuerzo local en el hueso. Si el esfuerzo local

Figura 7. Momento de inercia y Resistencia a la flexión. Fuente : Eihnorn et al. , (1992)

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20

sobrepasa el esfuerzo de cedencia del hueso una grieta se formara y se

propagara hasta convertirse en una fractura.

Los concentradores de esfuerzo se pueden desarrollarse naturalmente o

como resultado de la intervención quirúrgica, El proceso de fijación interna

en si mismo puede producir concentradores de esfuerzo y por lo tanto

fracturas secundarias. Un solo tornillo puede reducir la rigidez torsional y de

flexión en una cantidad cercana al 50%. (Gozna, 1982)

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21

6. IMPLANTES

Los implantes son utilizados para recuperar la continuidad estructural de un

hueso fracturado, y así restituir su capacidad de carga. Esta recuperación es

posible por medio de la aplicación de placas o dispositivos de fijación, una

vez que el alineamiento de los fragmentos se ha realizado. La estabilidad de

la fijación depende de la rigidez de las placas y del poder de fijación de los

tornillos a los dispositivos.

Una de las formas más eficientes para conseguir una restauración de la

fractura es por medio del uso de implantes o elementos de fijación, tanto

internos como externos. Estos elementos generalmente estas compuestos

en aleaciones metálicas, dichos elementos deben ser retirados cuando su

función de soporte artificial se halla terminado. En la figura 8 se muestran

dos tipos diferentes de placas de compresión dinámicas utilizadas para

devolver la rigidez estructural en una fractura, una aplicación de estas placas

se observa en el esquema de la Figura 8 y en las radiografías de la Figura 9.

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22

Figura 8. Placa de compresión dinámica de contacto reducido (superior) y Placa de compresión dinámica común (inferior). Fuente: SYNTHES, (2001)

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23

Figura 9. Izquierda: Imagen de fractura abierta de antebrazo, de segundo grado, de paciente con politraumatismo. Derecha: Imagen inmediatamente después de la

intervención. Fuente: SYNTHES, 2001

Para lograr mejor consolidación en la fractura se busca una máxima fijación y

alineamiento del sistema dispositivo de fijación y fractura por un tiempo

determinado que permite el saneamiento de la estructura. Esto se logra por

medio del contacto y la compresión, lo cual permite una transferencia directa

de la carga entre los fragmentos de la fractura, disminuyendo las cargas

soportadas por el sistema de fijación, aumentado la estabilidad de la fijación

y reduciendo la corrosión de los elementos metálicos. Dicha compresión se

obtiene por medio de implantes Inter-fragmentarios, como se aprecia en la

Figura 10.

Figura 10. Aplicación de implante Inter-fragmentario con placa de compresión

dinamica. Fuente: SYNTHES, (2001).

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24

Existen diferentes materiales para los implantes: metálicos, cerámicos y

polímeros. El problema de los metales y los polímeros es que en algunas

ocasiones reaccionan con los tejidos humanos, sin embargo esto no afecta

en gran medida la recuperación de la fractura.

El implante mas frecuentemente usado en ortopedia es el tornillo metálico.

Recientemente se están utilizando ciertos materiales biodegradables para la

construcción de los tornillos con el fin de eliminar una serie de

complicaciones asociadas al uso de los tornillos metálicos, la más

importante esta en la necesidad de retirar los dispositivos implementados

una vez hallan cumplido su función. Esta remoción exige una segunda

intervención quirúrgica de alto costo, que además trae consigo

consecuencias psicológicas para el paciente.

Estudios anteriores han llevado a los fabricantes de tornillos ortopédicos a

desarrollar geometrías especiales tanto de cuerpo como de rosca que

cumplan con las exigencias necesarias para trabajar como unión mecánica y

que a la vez promuevan fácilmente la consolidación del hueso. Así, la

diferencia entre las geometrías del tornillo utilizado en ingeniería

comparándolo con los ortopédicos es que en estos últimos el perfil es

optimizado en busca de un mayor desempeño tanto mecánico como

biológico.

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25

Dentro de las diferentes geometrías que han sido propuestas, los tornillos de

la Asociación Suiza para el Estudio de Osteosintesis, Arbeitsgemeinschaft

Osteosynthesefragen (AO), ha llevado el liderazgo en el desarrollo de este

tipo de implantes, convirtiéndose en un patrón universal. Existen dos tipos

principales de tornillos definidos por la AO: La“Rosca Asimétrica” o de apoyo

y la “Rosca Simétrica”, mas propiamente la rosca tipo V. Los dos tipos de

rosca deben presentar un poder de fijación igual mientras sean utilizados

bajos las mismas condiciones y posean el mismo diámetro interno. (Rojas,

2000)

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26

7. TORNILLOS DE HUESO

Los injertos óseos pueden ser de dos tipos: auto injertos (partes del mismo

paciente) y alo injertos (provenientes de tejidos de individuos diferentes al

paciente). En este trabajo se plantea el procesamiento de los alo injertos.

El material base de los alo-injertos es el hueso cortical humano,

principalmente fémur o tibia de individuo de edad media, en forma de

fragmentos obtenidos de bancos de hueso; en donde este ha sido

esterilizado, liofilizado y preservado.

Ventajas:

• Biocompatibilidad

• Estimula formación del hueso

• No necesita segunda intervención quirúrgica

Desventajas:

• Resistencia mecánica

Comentario: Cual es la traducción al español?

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27

7.1. El ciclo de remodelación El hueso se desarrolla por dos mecanismos.: intramebranosa y por

osificación endocrina. Los dos tipos están activos en el desarrollo embrionico

y en la renovación en el hueso adulto.

La reabsorción es caracterizada por la aparición de superficies trabeculares o

células gigantes multinucleadas, llamadas osteoclastos. Una porción del

material mineral pre existente y de la matriz es removido.

La formación de un nuevo hueso generalmente es seguida por la reabsorción

y ocurre cuando existe migración de las células osteogénicas en la

superficie del hueso. Esta matriz es subsecuentemente mineralizada

Las contribuciones del implante al proceso de incorporación son un pequeño

pero importante numero de células, que sobreviven por difusión, la mayor

contribución del implante en la cicatrización ósea se produce como resultado

de dos fenómenos distintos y coincidentes: osteoconducción u

osteogénesis de contacto y osteoinducción u osteogénesis a distancia.

(ver Figuras 11 y 12). La tasa y el área de cicatrización alrededor de un

implante depende del grado de osteogénesis de contacto que tiene lugar en

la superficie del implante.

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28

Figura 11 (derecha) .Osteogénesis a distancia - Un proceso gradual de cicatrización ósea que se produce hacia adentro desde el borde de la osteomía hacia el implante. El

hueso no crece directamente sobre la superficie del implante. Fuente: OSSEOTITE, 2001

Figura 12 (izquierda). Osteogénesis de contacto - La migración directa de las células

formadoras de hueso a través de la matriz del coagulo hacia la superficie del implante. El hueso se va formando rápidamente directamente sobre la superficie de contacto.

Fuente: OSSEOTITE, 2001

La regulación de la reabsorción del hueso y su formación es compleja.

Factores locales pertenecientes a la matriz y a la célula, como también

influencias sistémicas son conocidas por estimular la osteogénesis.

La fuente de la estimulación es en parte las células del implante, pero en su

mayoría emanan de la matriz en la forma de proteínas morfológicas del

hueso.

La mejoría del hueso requiere la invasión de brotes vasculares y en hueso

cortical esto ocurre usualmente a través de canales pre-existentes

IM-2002-II-25

29

haversianos. Estos canales son rellenados con actividad osteoclastica que

esta acompañada con respuesta neovascular. También hay reabsorción

predominante a través de la periferia del implante. El resultado neto es un

incremento substancial de la porosidad y un decrecimiento en la masa. Es

importante mantener en la mente que esta perdida mineral es normal y no

anticiparse a cargar el implante, ya que no soportara cargas sin la adecuada

asistencia de fijación. Después de la reabsorción, luego de meses, la

formación de nuevo hueso es más substancial y gradualmente se obtiene la

masa y la resistencia normal. (Gozna, 1982)

El implante en hueso esponjoso se diferencia del cortical en la rapidez de la

reaparición. La naturaleza del hueso cortical permite una revascularizacion

más rápida y por lo tanto una mayor incorporación. (Gozna,1982)

7.1.1. Reparación de alo injertos.

Por definición, los alo-injertos son diferentes al recipiente en la mayor

histocompatibilidad de la raíz. El grado de disparidad es un importante factor

en determinar el destino biológico del alo-injerto en cualquier circunstancia.

Es razonable sugerir que entre mas grande sea la disparidad genética entre

donador y el receptor, mas substancial será el impacto de la incorporación

del inserto (Bos et al., 1983)

IM-2002-II-25

30

Esto no significa que el proceso de reparación sea fallido como una

consecuencia directa, de la respuesta inmunológica, pero el proceso puede

ser menos completo o retardado.

Los alo-injertos pueden ser tratados en varias formas, buscando la

preservación a largo tiempo. Estas aproximaciones pueden afectar

propiedades biológicas (incluyendo inmunológicas) o biomecánicas, o

ambas. La mayoría de los alo-insertos son usados en estado fresco,

congelado o liofilizado, y en ocasiones son parcialmente desmiralizados.

(Burchardt, 1983)

En la mayoría de los modelos experimentales el uso de alo-injertos están

asociados a una repuesta inflamatoria alta. Sin embargo existe una gran

evidencia clínica de la eficacia de este tipo de implantes. (Burchardt, 1983)

Los alo-insertos congelados experimentados en modelos animales y

humanos esta asociado con un decrecimiento de la inmunogenicidad y no

demuestra un cambio en las propiedades mecánicas iniciales.

IM-2002-II-25

31

Los alo-insertos liofilizados tiene una reducida inmunogenicidad. y ambas

presentan cambios en sus propiedades mecánicas indicadas en grietas. Esto

no tiene consecuencias graves si el implante no va a resistir cargas altas, o si

el hueso esta adecuadamente protegido con fijaciones internas. Su

incorporación es parecida a la de los auto-insertos, pero mas reducida. La

Figura 13 muestra una grafica comparativa de la curva esfuerzo-deformación

para hueso de fémur en estado fresco (wet) y liofilizado (dry). (Pelker et al,.

1979)

La desmineralización, especialmente la combinación de desmineralización

con liofilización ha llamado la atención por su aumento substancial en la

actividad osteoconductiva. (Glowacki et al., 1981)

Figura 13. Comparación de las curvas de esfuerzo vs deformación para fémur humano en estado liofilizado y fresco, para muestras del mismo tamaño e

individuo. Fuente: Gozna et al. ,1982

IM-2002-II-25

32

Los alo-injertos sufren cambios biológicos que los hacen inferiores a los auto-

injertos. La perdida de potencial biológico esta justificada por la necesidad de

formas, tamaños o cantidades de hueso que sobrepasan la capacidad de

fuentes autógenas.

7.2. Biomecánica de los tornillos de fijación

El mas común de los implantes ortopédicos es el tornillo.

Los factores que se deben considerar en el proceso de selección de un

tornillo roscado son: diámetro de la raíz, diámetro de la rosca o exterior,

paso, avance, núcleo del área terrajada, punta,

Mecánicamente, un tornillo debe convertir la carga torsional en compresión

axial.

Figura 14. Cargas distribuidas a través del tornillo. Fuente: Gozna et al. , 1982

IM-2002-II-25

33

A medida que el cirujano aplica la torsión para apretarla, el tornillo avanza en

el hueso hasta que la cabeza pulsa la corteza. Después de eso, el ajuste

adicional da lugar a la compresión creciente entre la cabeza y el hueso. El

torque actual que es convertido en la carga axial es denominado” torque

efectivo”. Las dos otras maneras en que la energía torsional puede ser

utilizada consisten en la sobrepaso de la fricción de la rosca y en cortar la

rosca. (Molina et al. ,1995)

El diseño ideal de tornillo y del orifico del tornillo debe maximizar la cantidad

de torque efectivo necesario y minimizar la energía torsional gastada en el

sobrepaso de la fricción de la rosca y en cortar la rosca.

7.3. Partes

El tornillo consiste de cuatro partes : cabeza, vastago, rosca y punta.

7.4. Cabeza

La cabeza del tornillo realiza dos funciones: actúa como acople entre el

destornillador y el tornillo, y provee la superficie en la que actuaran las

fuerzas de compresión.

IM-2002-II-25

34

La cabeza hexagonal es la mas utilizada, ya que ofrece un acople muy rígido

entre las partes y le da al cirujano mas control en la alineación del tornillo

Dependiendo del diseño de la cabeza, las fuerzas de flexión y cortante en la

unión de la cabeza y el vástago pueden ser lo suficientemente grandes para

romper el tornillo. La fractura puede ocurrir si el tornillo no se centra

correctamente sobre el agujero de la placa o si no es insertado a ángulos

rectos de la misma. La cabeza esférica esta diseñada para reducir las

fuerzas cortantes que son producidas cuando el tornillo no es insertado a

ángulos rectos. (Molina et al. ,1995)

7.5. Vástago

Figura 15. Tipos de cabezas. Fuente: Gozna et al. , 1982

IM-2002-II-25

35

El vástago es la porción liza del tornillo entre la cabeza y la rosca. La rosca

es la parte activa del tornillo, convirtiendo la carga torsional aplicada en carga

de tensión en el vástago. La cabeza, al contrario convierte esta tensión en

fuerzas de compresión a la medida que avanza hasta alcanzar la corteza del

hueso.

Los tornillos pueden clasificarse en dos grupos básicos de acuerdo a la

medida del vástago:

- Tornillos tipo maquinado (machine screws), con vástago corto

- Tornillos de compresión (lag screw), con vástago largo.

Esta clasificación se basa en el concepto de “ fijación ínter fragmentaria“ (lag

fixation) en la cual se busca la fijación de dos fragmentos comprimiendo el

distal sobre el proximal; para esto es necesario que el tornillo deslice

libremente en el fragmento proximal y la rosca se fije en el distal para así al

apretar lograr la compresión al nivel del foco de la fractura. El diseño más

Figura 16. Tornillo de compresión y Tornillo tipo maquina. Fuente: Gozna et al. , 1982

IM-2002-II-25

36

eficiente para este efecto es el tornillo de compresión en el cual la rosca se

asienta completamente en el fragmento distal. Por otro lado si se cuenta con

un tornillo de espigo corto, se debe realizar un canal liso en el fragmento

proximal y tarrajear el fragmento distal. (Molina et al. ,1995)

7.6. Rosca

En ortopedia existen dos diseños básicos de tipo de rosca: la rosca de

apoyo, no autotarrajebale, o asimétrica y la rosca tipo V , autotarrajeable o

simétrica . Teóricamente ambos tipos de rosca deben tener la misma

resistencia a la tracción si tiene el mismo diámetro interno (Koyanyi et al. ,

1970). La diferencia radica en el comportamiento biológico de la rosca, pues

la rosca asimétrica presenta un mejor comportamiento por su mayor contacto

con el hueso.

La profundidad de la rosca define el diámetro de la raíz, que es la zona mas

débil de un tornillo, ya que entre más pequeño sea el diámetro más grande

será la tendencia a romperse en el momento de inserción y remoción. La

resistencia de un tornillo varia al cubo del diámetro de su raíz, por lo tanto un

pequeño cambio en el diámetro de la raíz afectara drásticamente su

resistencia. (Molina et al. ,1995)

IM-2002-II-25

37

7.7. Punta

La punta aflautada identifica a los tornillos de tipo auto- roscables, estos

tornillos generan calor y fricción en el momento de ser insertados, por lo cual

no son recomendables en zonas netamente corticales.

La punta Redonda es característica de los tornillos no auto- roscables, en los

cuales se necesita tarrajear antes de introducir el tornillo en el hueso.

Figura 17. Tipos de punta. Fuente: Gozna et al. , 1982

IM-2002-II-25

38

8. TECNOLOGÍA DE GRUPOS

8.1. Formatos básicos de distribución en planta

El patrón general de flujo del trabajo es el que determina los formatos para la

distribución de departamento en un instalación, que corresponden a tres

tipos básicos: distribución por producto, distribución por proceso y

distribución de posición fija, así como un tipo híbrido: distribución de

tecnología de grupos o celular.

La distribución por producto (también llamada distribución de taller de flujo)

es aquella donde se disponen el equipo o los procesos de trabajo de acuerdo

con los pasos progresivos necesarios para la fabricación del producto. Si el

equipo se dedica a la producción continua de una pequeña línea de

productos, por lo general se le llama línea de producción o línea de montaje.

En una distribución por procesos ( o distribución de taller de trabajo o por

función) se agrupan el equipo o las funciones similares como seria un área

para todos los tornos y otra para las maquinas de fresado. De acuerdo con la

IM-2002-II-25

39

secuencia de operaciones establecida, una parte pasa de un área a otra,

donde se ubican la maquinas adecuadas para cada operación. (Valenzuela

et al. , 2000)

La distribución de tecnología de grupos, también llamada celular, agrupa

maquinas diferentes en centros de trabajo (o celdas) para trabajar sobre

productos que tiene formas y necesidades de procesamiento similares. Esta

distribución se parece a la distribución por proceso, ya que se diseñan las

celdas para realizar un conjunto de procesos específicos, y también es

semejante a la distribución por producto, pues las celdas se dedican a una

gama limitada de productos.

La distribución de posición fija, el producto, por cuestiones de tamaño o

peso, permanece en un lugar, mientras que se mueve el equipo de

manufactura a donde esta el producto, y no al revés.

8.2. Distribución en planta por tecnología de grupos (celular)

Se entiende por tecnología de grupo una filosofía manufacturera en la cual

productos similares son identificados y colocados juntos, para tomar ventaja

de sus similitudes en las áreas de manufactura y diseño. Por ejemplo, una

planta que produce 10000 productos distintos puede agruparlos en solo 50 o

IM-2002-II-25

40

60 familias distintas, teniendo en cuenta que cada familia posea diseños y

características de manufactura semejantes. Por tanto si los procesos de

algunos productos se parecen, estos pueden agruparse obteniendo como

resultado eficiencias a la hora de la planificación, alcanzadas a través de

reordenamientos de los equipos de producción, o celdas, que faciliten el flujo

de las piezas. (Morales, 1989)

El objetivo general es obtener los beneficios de una distribución por producto

en la producción de tipo taller de trabajo. Estos beneficios incluyen:

1. Mejores relaciones humanas. Las celdas consisten en unos cuantos

trabajadores que forman un pequeño equipo de trabajo. Un equipo

produce unidades de trabajo completas

2. Mejora en la experiencia de los operadores (polivalentes).

3. Menos manejo de materiales e inventario en proceso. Una celda

combina varias etapas de producción, por lo que viajan menos piezas

por taller

4. Preparación más rápida. Como hay menos taras se reducen los

cambios de herramientas, y por consiguiente es más rápido el tiempo

de preparación.

8.2.1. Familias de productos

IM-2002-II-25

41

Consiste en una colección de piezas similares ya sea por figura geométrica,

tamaño o porque los procesos necesarios para la manufactura de un

producto son semejantes. Las partes dentro de una familia pueden ser

diferentes, pero sus similitudes tan cercanas que permiten ser identificadas

como miembro de una familia.

8.2.2. Desarrollo de una distribución en planta por tecnología de grupos.

• Agrupar las piezas en familias que siguen una secuencia de paso

comunes. En esta etapa hay que desarrollar y mantener un sistema

computarizado de codificación y clasificación de piezas.

• Identificar, como base para la ubicación o reubicación de procesos los

patrones de flujo dominantes de familias de piezas.

• Agrupar físicamente la maquinas y procesos en las celdas.

El mayor obstáculo para utilizar la tecnología de grupos es el agrupamiento

de las partes en familias. Hay tres métodos generales para solucionar este

problema:

- el método de la inspección visual consiste en la clasificación de las

partes en familias según sus cualidades físicas

IM-2002-II-25

42

- El método de clasificación por código consistente en la clasificación de

las partes en familias examinando los códigos de los productos que

son reflejo de los atributos de diseño y manufactura de cada pieza.

- El método del análisis de flujo de producción, consistente en la

clasificación de las piezas con rutas iguales en sus procesos de

manufactura.

IM-2002-II-25

43

9. MANUFACTURA CNC

9.1. Control Numérico

Vergnas, 1985 describe al “ CN como el conjunto de automatismos en los

que las ordenes de movimiento y de velocidad de los desplazamientos se

dan a través de informaciones numéricas, Esta automatización permite situar

la herramienta sobre una posición predeterminada con la ayuda de las

informaciones numéricas e interpretadas por el CN.

9.1.1. Control Numérico de contorneado o continuo.

Este sistema controla el desplazamiento de la herramienta sobre cualquier

trayectoria. El avance sobre la trayectoria se realiza a través de 2, 3 o 4 ejes.

9.2. Programa de trabajo

El programa de trabajo preestablecido debe contener los parámetros de

fabricación siguientes.

- Las trayectorias de los útiles

IM-2002-II-25

44

- Las condiciones de corte

- Los cambios de útiles y su preselección

- La elección correcta de los orígenes

9.3. Torno EMCO COMPACT 5

El torno EMCO COMPACT 5 es un torno didáctico para ser usado en el

laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes.

El torno cuenta también además de las herramientas básicas, cuenta con

una fresadora como se aprecia en la figura 18.

9.3.1. Funciones Básicas del Torno EMCO COMPACT 5

Figura 18. Fotografías del Torno EMCO COMPACT 5. Fuente: Rojas, 2000

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El código G a ser generado por los programas depende de las funciones

de cada torno. El formato básico del código es:

. N . G . X . Z . F

Donde

N: Numero de acción

G: Función a utilizar

X: Desplazamiento en eje X (en centésimas de milímetro) Ver Figura

Z: Desplazamiento en eje Z (en centésimas de milímetro) Ver Figura

F: Avance por revolución (en centésimas de milímetro por revolución)

A continuación se describen de manera general las funciones básicas

util

Figura 20. Desplazamiento en ejes del torno EMCO COPACT 5. Fuente: Manual TORNO EMCO COMPACT 5, 1985

Figura 19. Formato código G. Fuente: Manual TORNO EMCO COMPACT 5, 1985

izadas en el desarrollo de este trabajo

45

IM-2002-II-25

G00 Posiciorápida G01 Interpo

G20 ParadaG22 Final deG78 Ciclo de

G84 Tornealongitud

Tabla 3. Funciones básicas del torno EMCO COPACT 5. Fuente: Manual TORNO

Desplazamiento rápido sobre los ejes programados. El carro se

EMCO COMPACT 5, 1985

46

nar en marcha desplaza en sentido X o Z

lación lineal Permite tornear en sentido Z, X y cónico.

Intermedia El desarrollo del programa se interrumpe al programar G20. los demás bloques se gestionan tan solo pulsando el botón START.

programa Al final de cada programa tiene que estar programado G22.

roscar Este ciclo se conforma por 4 pasos: Paso 1: Anotar en la columna X la cota de acercamiento Paso2: -Anotar la longitud de la rosca en la columna Z. -Anotar el paso en centésimas de mm en la columna F Paso 3 y 4: El retorno de reposición del buril al punto de origen del programa.

r un ciclo inal – desbaste

Si se programa G84, se desplazaran los carros a la velocidad de avance programada y la velocidad de marchar rápida en los sentidos X y Z programados en el ciclo.

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47

SECCION II. - PROYECTO EXPERIMENTAL

IM-2002-II-25

48

10. TORNILLOS SELECCIONADOS

En el mercado existen diferentes tipos de tornillos para implantes. La gran

mayoría están basados en las geometrías establecidas por la Asociación de

la Osteogénesis.

Todos los tornillos a mecanizar están bajo la norma Brasilera NBR ISO 5835

de Noviembre 1996. En la cual, al especificar el diámetro externo del tornillo,

se obtiene las demás dimensiones, excluyendo la longitud total y la longitud

roscada; estas dimensiones se especificaron por medio de los catálogos de

Compact hand - SYNTHES, 2001 Compact MF- SYNTHES, 2001; Smart

Screw - BIONX, 2001.

Los tornillos de hueso no soportan cargas altas, sobre todo en tensión. Por lo

cual este trabajo desarrollara programas de mecanizado para los tornillos

utilizados como implantes en la cabeza y las manos, área metacarpiana y

maxilofacial; ya que las cargas desarrolladas en estos lugares son bajas.

IM-2002-II-25

49

Las zonas seleccionadas están formadas por hueso cortical, por lo cual se

cuenta con mayor facilidad de fijación. Las dimensiones de los tornillos

utilizados para estas áreas varían de acuerdo a la aplicación, sin embargo,

de manera general, los rangos de diámetros utilizados en este trabajo oscilan

entre 1.5mm a 3.5 mm, los pasos de rosca se encuentran entre 0.5mm-

1.25mm y las longitudes totales 6mm-28mm.

IM-2002-II-25

50

11. SELECCION DE GRUPOS DE MECANIZADO

La selección de los grupos de mecanizado se realizo por medio del método

de inspección visual, clasificando según las cualidades físicas tomando como

variables el diámetro externo y la longitud roscada del tornillo.

Por lo anteriormente mencionado los grupos a mecanizar quedan

conformados de la siguiente manera:

OD Longitud roscada No.

G1 1.5 Total 3 G2 2 Total 5 G3 2.7 Total 5 G4 3.5 Total 5 G5 3.5 Parcial 10

Como se puede observar, se trabaja con cinco grupos básicos, para los

cuales se crea en este trabajo, inicialmente un programa de producción guía,

para luego desarrollar el código G que mecanice el numero de tornillos

elegidos para cada grupo.

Tabla 4. Grupos formados para mecanizado

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51

En total se presentaran 28 programas de mecanizado para ser desarrollados

en el torno EMCO COMPACT 5 CNC

A continuación se presentan tablas que resumen las dimensiones básicas de

los tornillos de acuerdo a los grupos formados.

Todas las dimensiones están en milímetros.

G1-HA1.5xLT G1 diámetro longitud descripción 1 1.5 10 1.5x10 2 1.5 15 1.5x15 3 1.5 20 1.5x20

G2-HA2.0xLT G2 diámetro longitud descripción 1 2 6 2x6 2 2 8 2x8 3 2 10 2x10 4 2 12 2x12 5 2 14 2x14

G3-HA2.7xLT G3 diámetro longitud descripción 1 2.7 6 2.7x6 2 2.7 8 2.7x8 3 2.7 10 2.7x10 4 2.7 12 2.7x12 5 2.7 14 2.7x14

Tabla 5. Grupo 1. Diámetro externo 1.5mm; Longitud roscada total



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52

G4-HA3.5xLT

G4 diámetro longitud descripción 1 3.5 10 3.5x10 2 3.5 14 3.5x14 3 3.5 16 3.5x16 4 3.5 18 3.5x18 5 3.5 20 3.5x20

G5-3.5xLT/LP G5 diámetro longitud roscada descripción 1 3.5 10 5 3.5x10/5 2 3.5 12 5 3.5x12/5 3 3.5 14 5 3.5x14/5 4 3.5 16 6 3.5x16/6 5 3.5 18 7 3.5x18/7 6 3.5 20 8 3.5x20/8 7 3.5 22 9 3.5x22/9 8 3.5 24 10 3.5x24/10 9 3.5 26 12 3.5x26/12

10 3.5 28 14 3.5x28/14

12. MECANIZADO DE TORNILLOS DE HUESO

La Forma del corte y el lugar en el que se genera el corte del hueso generan

diferentes propiedades de resistencia mecánica y mecanizado.

En general, muchos parámetros influyen sobre la calidad final del tornillo de

hueso, entre ellos:


Tabla 9 Grupo 5. Diámetro externo 3.5mm; Longitud roscada parcial

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53

• Parámetros de corte:

- Velocidad de corte

- Avance

- Profundidad

• Geometría de corte (ángulos de corte)

• Material de la herramienta

• Temperatura (influye en la alteración morfológica del hueso)

La calidad del hueso se identifica principalmente por la Rugosidad superficial,

característica muy importante de los injertos, ya que de esta depende la

aceptación del injerto por parte del cuerpo del paciente y así mismo la

posible regeneramiento del tejido óseo (Rojas, 2000). Por lo tanto los

parámetros de mayor interés en la producción de tornillos de hueso humano

liofilizado son aquellos que generan la textura superficial adecuada, los

demás parámetros son simplemente operaciones de desbaste que buscan

acercar la pieza a la geometría deseada.

Experimentos realizados por Rojas, 2000 concluyeron que la velocidad de

corte es el parámetro más significativo en el proceso de manufactura. El

aumento de la velocidad producirá una superficie más rugosa, mientras que

el aumento del ángulo de incidencia producirá un mejor acabado.

IM-2002-II-25

54

La tabla presenta dos formas de mecanizado con diferentes parámetros de

corte que generan la superficie adecuada.

A B Angulo de salida principal (°) 0 5Angulo de incidencia principal (°) 5 10Avance (mm/rev) 0.03 0.03Velocidad de corte (m/min) 3 3Profundidad de corte (mm) 0.1 0.1Material de la herramienta Acero rápido Acero rápidoAngulo de cuña principal (°) 175 165Angulo de dirección principal (°) 65 65Angulo de dirección secundario (°) 10 10Angulo de inclinación (°) 105 105Angulo de incidencia secundario (°) 5 10Tipo de fluido de corte Aire atmosférico Aire atmosféricoForma de aplicación del fluido de corte Estático Estático

La rugosidad superficial en el caso del torneado cilíndrico sobre hueso

cortical liofilizado, puede ser predicha o por lo menos aproximada cuando

sea necesario por modelos empíricos.

12.1. Pasos de fabricación de los implantes

Las operaciones de mecanizado son propias de cada implante. Sin embargo,

a continuación se presenta un diseño del proceso productivo, como algoritmo

general de la fabricación de cualquier tornillo

Tabla 10. Parámetros de corte generadores de superficie adecuada del tornillo. Fuente: Rojas, 2000

IM-2002-II-25

55

Los pasos de fabricación de los implantes se pueden dividir en dos procesos

diferentes: las operaciones a realizar antes del mecanizado y las operaciones

durante el mecanizado.

Los algoritmos de mecanizado por familia son muy parecidos entre si, las

diferencias radican en la herramienta utilizada para roscar y en el diámetro

inicial del cilindro de hueso cortical a ser mecanizado.

12.2. Operaciones previas al mecanizado

12.2.1. Obtención de secciones del hueso liofilizado

El hueso para el injerto a mecanizar se obtendrá de tibia o fémur de humano

cortado en secciones (ver figura) de aproximadamente 10 milímetros de largo

y 6 milímetros de ancho como mínimo; esto depende del diámetro de la

cabeza del tornillo. Estas medidas serán especificadas con mas precisión en

cada programa de mecanizado generado en secciones previas de este

trabajo.

IM-2002-II-25

56

Este hueso debe ser tratado previamente mediante la liofilización

12.2.2. Recubrimiento con resina

Después de obtener las secciones de hueso se procede a introducir el

cuadrante en resina epoxyca para obtener una pieza cilíndrica, procesable

en el torno, denominada tarugo.

La resina tarda 2 horas en secar, pero es preferible dejar un día entre el

recubrimiento de la resina y el comienzo del mecanizado, ya que la masilla

será mas consistente.

Es muy importante lograr centrar con precisión la sección de hueso para

evitar perder la pieza, pues si no se obtiene concentricidad, en el momento

del cilindrado no se obtendra hueso suficiente para el tornillo.

12.2.3. Desbaste de resina

La resina debe mecanizarse en torno hasta obtener un diámetro de 14mm,

para lograr el ajuste necesario con el casquete de fijación que se utilizara en

el maquinado del tornillo.

Figura 21. Corte esquematizado de fémur o tibia humana, simulando forma perfectamente cilíndrica

IM-2002-II-25

57

12.2.4. Montaje de las piezas

Después de que se obtiene el diámetro deseado de la resina se procede a

realizar el montaje para mecanizar en el torno EMCO COMPACT 5. Primero

se posicionan las partes de acuerdo a la Figura 22:

Figura 22. Fotografía del ensamble de piezas de fijación

IM-2002-II-25

58

Se introduce el casquete de fijación en la base roscada, para después ubicar

el tarugo en el casquete de fijación. Ver Figura 23

Una vez ensambladas las partes anteriormente nombradas se procede a

posicionar la tapa roscada en la base, buscando que no exista holgura entre

las partes, para evitar vibraciones y lograr una buena fijación del tarugo en el

casquete.

Finalmente se debe obtener el montaje mostrado en la Figura 24 .

Base roscada Casquete de fijación

Tapa roscada

Figura 23. Fotografía montaje de piezas de fijación y tarugo

Figura 24. Fotografía del montaje completo de los elementos de fijación

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59

Luego, se introduce la pieza ensamblada en las mordazas del torno y se

aprieta.

12.2.5. Obtención del cilindro de hueso

Una vez posicionadas las piezas se debe desbastar hasta obtener el

diámetro inicial necesario definido por cada programa. Esta operación se

puede realizar de manera manual con avances de 0.75mm/rev, velocidad de

corte de hasta 15 m/min y profundidades de hasta 1mm (Rojas, 2000). Sin

embargo, cuando se este acercando a la región de interfase entre resina y

hueso se deben cambiar los parámetros de corte para evitar fracturas como

la que se muestra en la Figura 25:

Después de varios intentos de mecanizar tornillos de hueso con las

condiciones de corte citadas anteriormente, se concluyo que el torno EMCO

COMPACT 5 CNC, no es lo suficientemente robusto para permitir estos

Resina

Hueso

Figura 25. Fotografía de cilindro de hueso fracturado en la zona de transición entre resina y hueso.

IM-2002-II-25

60

parámetros. Por lo cual se desarrollo un experimento para obtener

parámetros de corte que fuesen viables, en cuanto el tiempo real de

mecanizado.

12.3. Experimentación Los parámetros de corte para el TORNO EMCO COMPACT 5 CNC se

hallaron por medio de la experimentación. Dichos parámetros deben generar

una rugosidad superficial requerida, para promover el crecimiento del hueso

alrededor del tornillo

Inicialmente se contaba con dos parámetros de corte en desbaste, hallados

por Rojas y Castillo en sus respectivos trabajos.

• Rojas, 2000:

Avance = 0.075mm/rev

Profundidad = 1mm

Velocidad = 15 m/min

• Castillo, 1995:

Avance = 0.060mm/rev

Profundidad = 0.01mm

Velocidad = 40m/min

IM-2002-II-25

Las condiciones de corte de Rojas necesitan un torno robusto que soporte

las grandes fuerzas de corte producidas en el desbaste, situación que no es

posible en el torno didáctico EMCO COMPACT 5 CNC, ya que la vibración

promueve el rompimiento de la pieza de hueso. Mientras que las condiciones

de corte de Castillo no optimizan el tiempo en maquinado, ya que la

profundidad de corte es muy baja.

La velocidad de corte es el parámetros que influye con mayor proporción en

la fuerza generada en el área de corte, por lo cual se disminuyo la velocidad

para aumentar la profundidad de corte.

Finalmente manteniendo fija la velocidad, entre 3-4 m/min y un avance de

0.03 mm/rev se experimento con 5 muestras por profundidad de prueba

comenzando desde 0.01mm y subiendo progresivamente 0.1mm, hasta

obtener la profundidad máxima de corte permitida (0.5mm).

Finalmente se debe obtener una pieza como la que muestra la figura 26:

Figura 26. Fotografía de tarugo previamente mecanizado, en el que se observa el cilindro de hueso cortical.

61

IM-2002-II-25

12.4. Operaciones de mecanizado El siguiente esquema resume las operaciones de mecanizado. Aquellas

operaciones que ameriten una explican mayor se profundizaran mas

adelante.

Para

defin

Siem

debe

desd

Ajuste de pieza (G00)

Desbaste del cuerpo hasta diámetro externo (G84)

Desbaste hasta diámetro de cabeza (G84)

Sepa Mecanizado de biseles Roscado
ración del material
12.4.1. Ajuste Pieza

comenzar a correr el programa se debe contar con unas condi

idas, para asegurar la reproducibilidad del mecanizado.

pre que se desee utilizar el código generado en este trabajo e

ubicarse en un sitio estratégico, como se observa en la Figura

e el cual comenzara el programa.

base (G01) (G01) (G78)

Buril

Pieza

Figura 27. Esquema de mecanizado con funciones en EMCO COMPACT5

Figura 28. Posición inicial del buril para comenzar a correr el progra

62

ciones

l buril

28,

CNC

ma

IM-2002-II-25

63

Luego, el programa fijara este punto como la coordenada cero, mediante el

comando G00.

12.4.2. Desbastes y mecanizado de biseles

Los desbastes se realizan mediante le comando G84, en el que se

especifican la profundidad de corte, la longitud a cilindrar y el avance, como

ya se explico en secciones anteriores.

El mecanizado de biseles se realiza mediante la función de interpolación

lineal G01, logrando movimientos conjuntos en los dos ejes.

Se harán dos biseles, uno entre el cambio de sección de la cabeza y el

vástago y el otro en la punta del tornillo. Ambos serán a 45°.

Tanto en operaciones de desbaste como en el mecanizado de los biseles, los

parámetros de corte son los siguientes:

Avance: 0.03 mm/rev

Velocidad de corte: 3 m/min – 5m/min

Profundidad: 0.5mm

En la siguiente Figura 29 se puede observar las operaciones desarrolladas

hasta el momento, formado el contorno del tornillo.

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64

12.4.3. Roscado

Esta operación se realiza con la función G78, y se debe cambiar de

herramienta antes de comenzar. El perfil de roscado es propio de cada

familia, ya que genera el paso requerido. Ver Figuras 30 y 31

En esta función se especifica el paso, la longitud roscada y la profundidad de

la pasada.

12.5. Daños en producción por perdidas

Durante la fabricaron de los implantes, se pueden presentar perdidas; según

Rojas, 2000, las causas principales pueden ser:

Figura 29. Perfil de tornillo sin roscado, en el material base

Figura 30 (izquierda). Esquema del buril perfil de corte. Fuente: Manual torno EMCO COMPACT 5, 1985 Figura 31 (derecha). Fotografía del buril perfil de corte

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1. Inadecuada Fijación de las piezas en el torno durante el maquinado.

Esto permite que las fuerzas de corte flexionen excesivamente al

tornillo en el momento del roscado. Este problema se soluciona con la

utilización del centropunto.

2. Insuficiencia del material de la pieza (resina): Este problema se debe

a una operación previa en la que el hueso cortado es introducido en

un molde con una resina. Esto sucede cuando hay un inadecuado

alineamiento entre el hueso y el molde que lo contiene.

13. PROGRAMAS GENERADORES DE CODIGO G

Los programas fueron generados en excel, y en los anexos se presentan los

códigos de los 28 tornillos.

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66

14. CONCLUSIONES

El desarrollo de este trabajo es un primer acercamiento a la automatización

de la producción de los tornillos, usando un torno didáctico (EMCO

COMPACT 5 CNC) que no permite condiciones de corte más agresivas y que

además restringe las posibilidades de mecanizar geometrías diferentes, con

dimensiones que el torno no es capaz de producir. Por ejemplo el tipo de

función de roscado del torno EMCO COMPACT 5, no permite las condiciones

de corte adecuadas para la rugosidad superficial requerida, ya que el paso

de la rosca define el avance, anulando los parámetros hallados mediante la

experimentación. Sin embargo se desarrollaron los 28 códigos generadores

de tornillos para el torno EMCO COMPACT 5 CNC, buscando un futuro

desarrollo en otra maquina de corte que posea mas robustez, en la cual los

códigos aquí generados sirvan de base para la implementación de la

producción real.

Es importante resaltar que las puntas y la ranura de acople en la cabeza de

los tornillos serán mecanizadas posterior al torneado y no hacen parte de los

programas desarrollados en este trabajo.

Por otro lado, se creo un desarrollo web que permite al usuario introducir las

variables necesarias, tales como diámetro exterior, longitud roscada, entre

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67

otros para obtener los códigos a ser introducidos en el torno EMCO

COMPACT 5 CNC.

(http://farojas.uniandes.edu.co/latemm/Tornillos_hueso/marcos_ordenar_torni

llos.htm)

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68

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71

16. ANEXOS

16.1. DIMENSIONES TORNILLO

16.2. GRAFICAS TORNILLOS

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16.3. CODIGO G

TORNILLO G1-HA1.5x10 N G X Z F RPM OBSERVACIONES 00 00 -50 Posicion inicial 01 84 -50 -1050 30 390 Desbaste 02 84 -100 -910 30 390 Desbaste 03 84 -125 -890 30 390 Desbaste 04 84 -175 -75 30 390 Desbaste 05 01 -200 30 390 Desbaste 06 01 -50 30 390 Desbaste 07 01 75 -75 30 390 Formado de bisel de punta 08 01 -765 30 390 09 03 150 30 390 Formado de radio de la cabeza 10 00 50 11 00 1015

12 20 Posicione buril con perfil de la rosca. Cambie condiciones (RPM=300, F=50)

13 01 -100 50 300 14 78 -45 -870 50 300 Roscado 15 20 Posicione buril de cuña. Cambie condiciones (RPM=390, F=30) 16 00 100 30 390 17 00 -1050 18 01 -200 30 390 Separacion del material base 19 22 Fin del programa

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TORNILLO G1-HA1.5x15

N G X Z F RPM OBSERVACIONES 00 00 -50 Posicion inicial 01 84 -50 -1550 30 390 Desbaste 02 84 -100 -1410 30 390 Desbaste 03 84 -125 -1390 30 390 Desbaste 04 84 -175 -75 30 390 Desbaste 05 01 -200 30 390 Desbaste 06 01 -50 30 390 Desbaste 07 01 75 -75 30 390 Formado de bisel de punta 08 01 -1265 30 390 09 03 150 30 390 Formado de radio de la cabeza 10 00 50 11 00 1515



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13 01 -100 50 300 14 78 -85 840 50 300 Roscado 15 20 Posicione buril de cuña. Cambie condiciones (RPM=390, F=30) 16 00 100 30 390 17 00 -1050 18 01 -250 30 390 Separacion del material base 19 22 Fin del programa

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TORNILLO G2-HA2.0x6




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N G X Z F RPM OBSERVACIONES 00 00 -50 Posicion inicial 01 84 -50 -1050 30 390 Desbaste 02 84 -100 -870 30 390 Desbaste 03 84 -150 -830 30 390 Desbaste 04 84 -165 -770 05 84 -215 -120 30 390 Desbaste 06 84 -265 -70 07 01 -300 30 390 Desbaste 08 01 -50 30 390 Desbaste 09 01 135 -135 30 390 Formado de bisel de punta 10 01 -635 30 390 11 03 150 30 390 Formado de radio de la cabeza 12 00 50 13 00 960



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15 01 -100 50 300 16 78 -105 -1000 100 300 Roscado

17 20 Posicione buril de cuña. Cambie condiciones (RPM=390, F=30)

18 00 100 30 390 19 00 -1250 20 01 -250 30 390 Separacion del material base 21 22 Fin del programa

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15 01 -100 50 300 16 78 -105 -1200 100 300 Roscado



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TORNILLO G3-HA2.7x8



15 01 -100 50 300 16 78 -105 -600 100 300 Roscado



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TORNILLO G3-HA2.7x6



15 01 -100 50 300 16 78 -105 -400 100 300 Roscado



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N G X Z F RPM OBSERVACIONES 00 00 -50 Posicion inicial 01 84 -50 -1050 30 390 Desbaste 02 84 -100 -850 30 390 Desbaste 03 84 -150 -810 30 390 Desbaste 04 84 -175 -790 30 390 Desbaste 05 84 -225 -170 30 390 Desbaste 06 84 -275 -120 30 390 Desbaste 07 84 -325 -70 30 390 Desbaste 08 01 -350 30 390 Desbaste 09 01 -50 30 390 Desbaste 10 01 175 -175 30 390 Formado de bisel de punta 11 01 -565 30 390 12 03 300 30 390 Formado de radio de la cabeza 13 00 50 14 00 960


16 01 -150 50 300 17 78 -80 -770 125 200 Roscado



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16 01 -150 50 300 17 78 -80 -1170 125 200 Roscado



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16 01 -150 50 300 17 78 -80 -1370 125 200 Roscado



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16 01 -150 50 300 17 78 -80 -1370 125 200 Roscado



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16 01 -150 50 300 17 78 -80 -1370 125 200 Roscado



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TORNILLO G5-HA3.5-10/5



16 01 -150 50 300 17 78 -80 -530 125 200 Roscado



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90




16 01 -150 50 300 17 78 -80 -530 125 200 Roscado



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91




16 01 -150 50 300 17 78 -80 -530 125 200 Roscado



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16 01 -150 50 300 17 78 -80 -630 125 200 Roscado



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16 01 -150 50 300 17 78 -80 -730 125 200 Roscado



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16 01 -150 50 300 17 78 -80 -830 125 200 Roscado



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16 01 -150 50 300 17 78 -80 -930 125 200 Roscado



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16 01 -150 50 300 17 78 -80 -1230 125 200 Roscado



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16 01 -150 50 300 17 78 -80 -1430 125 200 Roscado



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TORNILLO G2-HA2.0x8




diana maria ortega pardo - repositorio.uniandes.edu.co

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