A computer-aided manufacturing tool for analyzing the tool-workpiece contact during the micro grinding of dental prostheses

Resumo Técnico: Uma Ferramenta de Manufatura Auxiliada por Computador para Analisar o Contato Ferramenta-Peça em Microgrinding Dental

Definição do Problema
A fabricação de próteses dentárias transitou amplamente para sistemas de CAD/CAM (Desenho Auxiliado por Computador/Manufatura Auxiliada por Computador). No entanto, a maioria desses sistemas baseia-se em estratégias de fresagem de três eixos com orientações de ferramenta fixas. Essa abordagem impõe restrições geométricas e cinemáticas inerentes ao usinar geometrias dentárias complexas e de forma livre. Especificamente, a orientação relativa entre o eixo da ferramenta e a normal da superfície varia continuamente ao longo da prótese. Essa variação leva a flutuações significativas na "velocidade de retificação efetiva" (a velocidade real no ponto de contato), que se desvia dos parâmetros nominais programados. Essas flutuações impactam diretamente os mecanismos de desgaste da ferramenta e a integridade da superfície da restauração final (rugosidade, tensões residuais e danos subsuperficiais). Além disso, a usinagem de três eixos enfrenta limitações de acessibilidade geométrica, onde regiões altamente côncavas podem ser parcialmente ou totalmente inacessíveis, comprometendo potencialmente a anatomia funcional da restauração.

Metodologia
O estudo emprega uma abordagem analítica de duas frentes, combinando modelagem geométrica e análise de acessibilidade baseada em curvatura:

1. Modelagem Geométrica de Ferramentas e Contato:

   • Duas fresas abrasivas comercialmente disponíveis foram selecionadas: uma fresa de ponta esférica (PrograMill Tool Red) e uma fresa de ponta esférica cônica (Cerec Cylinder Pointed Bur).
   • Utilizando microscopia óptica, as ferramentas foram caracterizadas e suas geometrias foram modeladas usando um formalismo analítico APT (Automatically Programmed Tool). Este formalismo define o envelope da ferramenta usando sete parâmetros ($D, R, R_r, R_z, \alpha, \beta, h$).
   • Configurações de contato distintas foram definidas com base na posição angular ($\phi$) entre o eixo da ferramenta e o vetor de contato. Para a fresa de ponta esférica, o contato ocorre na ponta hemisférica ou no flanco cilíndrico. Para a fresa cônica, o contato pode ocorrer na ponta hemisférica, em uma seção cônica ou no flanco cilíndrico.
   • Equações analíticas foram derivadas para calcular a velocidade de retificação efetiva ($V_c$) como uma função do ângulo de contato ($\phi$) e da velocidade do spindle ($N$) para cada configuração de contato específica.

2. Implementação e Simulação:

   • Os modelos foram implementados em MATLAB utilizando um modelo CAD STL malhado de uma coroa clínica (53.880 facetas triangulares).
   • Para cada faceta, o ângulo ($\theta_i$) entre o eixo da ferramenta e a normal da superfície foi calculado para determinar a configuração de contato ativa (hemisférica, cônica ou cilíndrica).
   • As velocidades de retificação efetivas foram mapeadas em toda a superfície da coroa para diversas velocidades de spindle (40.000, 50.000 e 60.000 RPM).

3. Análise de Acessibilidade Baseada em Curvatura:

   • Curvaturas principais ($k_1, k_2$), curvatura Gaussiana ($K$) e curvatura média ($H$) foram computadas para cada vértice da malha da coroa.
   • As regiões da superfície foram classificadas em oito tipos básicos (ex: pico, fossa, sela, vale) com base nos sinais de $K$ e $H$.
   • A acessibilidade foi determinada identificando regiões onde o raio de curvatura superficial era menor que o raio da ferramenta (1 mm) e onde o tipo de superfície era côncavo. Essas regiões foram classificadas como inacessíveis sob restrições de três eixos.

Principais Resultados

• Dominância do Contato Hemisférico: Independentemente da geometria da ferramenta (esférica vs. cônica), o processo de usinagem é realizado quase exclusivamente pela ponta hemisférica da fresa.

  • Para a fresa de ponta esférica (PM), a parte hemisférica responde por ~70% da interação, enquanto a parte cilíndrica contribui com menos de 0,1%.
  • Para a fresa cônica (CER), a parte hemisférica responde por ~42%, enquanto as seções cônica e cilíndrica contribuem marginalmente (<1%). Os ~57% restantes da superfície consistem em zonas de rebaixo (undercut) (inacessíveis sem reorientação).
  • Consequentemente, as diferenças geométricas entre as ferramentas (ex: a seção cônica da ferramenta CER) têm um impacto prático negligenciável nas condições reais de usinagem.

• Variabilidade Espacial da Velocidade de Retificação: A velocidade de retificação efetiva exibe forte variabilidade espacial impulsionada pela orientação local da superfície, não apenas pela velocidade do spindle.

  • Velocidades mais baixas ocorrem nas pontas das cúspides (superfícies oclusais) onde a ponta da ferramenta entra em contato com a superfície ($\phi \approx 0^\circ$).
  • Velocidades mais altas ocorrem ao longo das regiões periféricas onde o flanco da ferramenta entra em contato com a superfície.
  • Essa variabilidade sugere que a integridade da superfície (rugosidade, topografia) e o desgaste da ferramenta serão heterogêneos através da prótese. Áreas usinadas pela ponta podem apresentar menor rugosidade e topografia isotrópica, mas desgaste acelerado, enquanto áreas usinadas pelo flanco podem mostrar maior rugosidade e topografia anisotrópica.

• Limitações de Acessibilidade: A análise de curvatura revelou que 40,1% da superfície da coroa é inacessível sob as restrições de usinagem de três eixos.

  • Essas regiões inacessíveis estão concentradas nos sulcos e fossas anatômicas mais profundos, caracterizados por curvaturas de sela e fossa.
  • Os 59,9% restantes (principalmente regiões convexas das cúspides) são acessíveis.
  • A inacessibilidade é intrínseca à combinação da geometria esférica da ferramenta e a orientação fixa da ferramenta, e não a diferenças específicas no design da ferramenta, visto que ambas as ferramentas produziram mapas de acessibilidade idênticos.

Significância e Alegações
O artigo afirma demonstrar um forte acoplamento entre a geometria da prótese, o design da ferramenta e a cinemática de usinagem nos processos de CAD/CAM dentários. A principal significância do trabalho reside em:

1. Quantificar a Variabilidade Cinemática: Fornece um método para prever com precisão as velocidades de retificação locais e as condições de contato, destacando que os parâmetros nominais não refletem o ambiente real de usinagem.
2. Identificar Riscos Funcionais: O estudo postula que os 40% da superfície que permanecem inacessíveis correspondem à anatomia funcional crítica (sulcos e fossas) responsável pelo guia de alimentos, fragmentação e distribuição de contato oclusal. A incapacidade de reproduzir totalmente essas características pode comprometer a eficiência mastigatória e a anatomia funcional da restauração.
3. Implicações Estratégicas: Os achados sugerem que as estratégias atuais de três eixos são insuficientes para preservar a morfologia funcional completa de próteses dentárias complexas. Os autores argumentam que melhorar a qualidade da superfície, a acessibilidade e o desempenho funcional requer estratégias de manufatura avançadas, especificamente usinagem de múltiplos eixos (para reorientar a ferramenta) ou abordagens de múltiplas ferramentas, em vez de depender apenas da otimização da geometria da ferramenta.

O estudo conclui que o framework de modelagem proposto oferece insights valiosos para compreender a variabilidade induzida pela usinagem, podendo auxiliar fabricantes na otimização de estratégias de trajetória de ferramenta e seleção de velocidade de spindle, embora enfatize que as limitações geométricas fundamentais dos sistemas de três eixos necessitam de uma mudança para estratégias cinemáticas mais flexíveis.