L EMISSIONE ACUSTICA DURANTE PROVE DI COMPRESSIONE DI IMPIANTI DENTARI IN TITANIO

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1 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

2 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 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

3 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. Tabella 1a Impianto I caduta di carico (N) F (N) Carico massimo (N) n3316b n3316c n3316d n3716a n3716b n3716d n3718a n3718b n3718c n4016a n4016c n4016d Tabella 1b Impianto Carico massimo (N) o3316a 1886 o3316b 1198 o3316c 2243 o3715a 1891 o3715b 1811 o3715c 1773 o3716b 2090 o3716c 1078 o3716d 1750 o3716a 1904 o3716c 1702 o3716d 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

4 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 ) n b n c n d te m p o (s ) 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) C a ri c o (N ) o a o c o d T e m p o (s) Emissione acustica fig.3 Esempi di curve di carico per prove di compressione a 25 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

5 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

6 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. Tabella 2 Provino Carico di inizio dell emissione acustica n3316b 1636 n3316c 426 n3716a 940 n3716b 178 n3716d 296 n3718a 739 n3718b 1012 n4016c 2150 n4016d 750 o3316a 107 o3316b 331 o3316c 347 o3715a 340 o3715b 310 o3715c 275 o3716c 280 o4016a 225 o4016b 635 o4016c 450 6

7 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 3: impianto N3316B Frattografia 2: impianto O3316A 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

8 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. Bibliografia (1) L.A. Weinberg. The biomechanics of force distribution in implant-supported prosteses. JOMI, 1993; 8 (2) F. Brossa, A. Cigada, L. Paracchini, C. Consonni, R. Chiesa. Mechanical characterization of glass-ceramic layer on titanium alloys for dental prostheses. 4th Euroceramics vol.8 (1995) pp (3). E. Gariboldi, C. Santulli, F. Stivali, M. Vedani. Evaluation of tensile damage in particulate-reinforced MMCs by acoustic emission. Scripta Materialia vol.35 no.2 pp (July, 15 th,1996) (4) C. Santulli. Significato strutturale delle distribuzioni degli eventi di emissione acustica durante prove di trazione di materiali compositi. 8a Conferenza Nazionale PnD/ MD Torino ottobre (5) D.J. Sypeck, H.N.G. Wadley. Acoustic emission analysis of SCS-6 fiber fracture in titanium matrix composites. (6) M. Rosen and H. N. G. Wadley. Acoustic Emission Characterization of the Martensitic Phase Transformation in NiTi. Proc. Review of Progress in Quantitative NDE, 4B, Plenum Press, NY, p. 651, (7) A.C. Lucia, C. Santulli. Study of mechanical behaviour in shape memory alloys through adiabatic thermal emission and acoustic emission technique. ESOMAT 97 Conference, Enschede, July 1-5 th, (8) H. Tanaka, R. Horiuchi. Acoustic emission due to deformation twinning in titanium and Ti-6Al-4V alloy. Scripta metallurgica vol.9 pp , (9) T. Kishi, H. Ohyama, K.H. Kim. Three dimensional location and quantitative evaluation of cracking size in Ti alloy by acoustic emission source characterization. 2 nd Int. Conf. on Acoustic Emission, Lake Tahoe, Nevada, October 1985 (10) J.W. Whittaker, W.D. Brosey, M.A.Hamstad. Correlation of Felicity ratio and strength behaviour of impact-damaged spherical composite test specimens. Journal of acoustic emission vol.9 no.2 pp