Utilizando-se um poliuretano derivado de óleo de mamona desenvolvido para implantes ósseos, aonde este vem demonstrando ser biocompatível e apresentando características fisico-químicas semelhantes às dos ossos, estuda-se o comportamento mecânico deste material quando reforçado por fibra de carbono, juntamente com uma metodologia de fabricação de hastes de implante de quadril. Avaliou-se o efeito da fração volumétrica em fibra nas propriedades mecânicas do compósito, bem como, a influência da realização de um tratamento superficial da fibra de carbono por método químico, visando melhorar a adesão interfacial fibra/matriz. Foram realizados ensaios mecânicos nos corpos de prova em compósitos e nas hastes fabricadas para avaliar a resistência mecânica sob carregamentos quase-estáticos. Também foram realizadas simulações computacionais da haste, juntamente com o dispositivo de ensaio projetado, para comparação com os resultados experimentais. Para isto, utilizou-se o programa ANSYS®, que é um sistema de engenharia auxiliado por computador (Computer Aided Engineering - CAE) e utiliza o Método dos Elementos Finitos como ferramenta de análise estrutural. Resultados satisfatórios foram obtidos nos ensaios mecânicos do poliuretano reforçado por fibra de carbono, viabilizando sua aplicação no projeto de hastes de implante de quadril. / The polyurethane derived from castor oil has demonstrated excellent biocompatibility and similarity to the physical and chemical properties of the human bone. In order to use this material in the design of hip implant stems, this work investigates its mechanical behavior when reinforced by carbon fibers. A manufacturing methodology for hip implant stems is also proposed and validated. The effects of fiber volume fraction and superficial treatments on the carbon fibers are evaluated in terms of the mechanical properties of the polyurethane and of the composite. Mechanical tests were performed in the manufactured stems to evaluate the strength under quasi-static loading. Computational simulations of the stem and testing devices were also performed by using the Finite Element Method and the commercial package ANSYS®. The results obtained are quite satisfactory which validates the application of the carbon fiber reinforced polyurethane in hip implant stems.

Utilizando-se um poliuretano derivado de óleo de mamona desenvolvido para implantes ósseos, aonde este vem demonstrando ser biocompatível e apresentando características fisico-químicas semelhantes às dos ossos, estuda-se o comportamento mecânico deste material quando reforçado por fibra de carbono, juntamente com uma metodologia de fabricação de hastes de implante de quadril. Avaliou-se o efeito da fração volumétrica em fibra nas propriedades mecânicas do compósito, bem como, a influência da realização de um tratamento superficial da fibra de carbono por método químico, visando melhorar a adesão interfacial fibra/matriz. Foram realizados ensaios mecânicos nos corpos de prova em compósitos e nas hastes fabricadas para avaliar a resistência mecânica sob carregamentos quase-estáticos. Também foram realizadas simulações computacionais da haste, juntamente com o dispositivo de ensaio projetado, para comparação com os resultados experimentais. Para isto, utilizou-se o programa ANSYS®, que é um sistema de engenharia auxiliado por computador (Computer Aided Engineering - CAE) e utiliza o Método dos Elementos Finitos como ferramenta de análise estrutural. Resultados satisfatórios foram obtidos nos ensaios mecânicos do poliuretano reforçado por fibra de carbono, viabilizando sua aplicação no projeto de hastes de implante de quadril. / The polyurethane derived from castor oil has demonstrated excellent biocompatibility and similarity to the physical and chemical properties of the human bone. In order to use this material in the design of hip implant stems, this work investigates its mechanical behavior when reinforced by carbon fibers. A manufacturing methodology for hip implant stems is also proposed and validated. The effects of fiber volume fraction and superficial treatments on the carbon fibers are evaluated in terms of the mechanical properties of the polyurethane and of the composite. Mechanical tests were performed in the manufactured stems to evaluate the strength under quasi-static loading. Computational simulations of the stem and testing devices were also performed by using the Finite Element Method and the commercial package ANSYS®. The results obtained are quite satisfactory which validates the application of the carbon fiber reinforced polyurethane in hip implant stems.

Neste trabalho propõe-se o projeto e a análise estrutural de uma haste femoral de implante de quadril em material compósito polimérico. No trabalho, realizaram-se algumas etapas com a finalidade de obter parâmetros confiáveis de comportamento do material, visando à consistência dos resultados numéricos e experimentais. Primeiramente, faz-se um levantamento bibliográfico sobre o comportamento mecânico dos materiais compósitos poliméricos reforçados, como também dos critérios de falha existentes para este tipo de material. Em seguida, apresentam-se as etapas experimentais com a descrição dos procedimentos de fabricação dos corpos-de-prova e os resultados obtidos a partir dos ensaios quase-estáticos de tração do poliuretano derivado de óleo de mamona. A etapa seguinte foi desenvolver um dispositivo de ensaio monotônico quase-estático para a haste femoral em poliuretano com o objetivo de levantar a curva força-deslocamento seguindo as especificações das normas ISO 7206-3 e ISO 7206-4. Com base nos resultados experimentais obtidos, foi possível propor um reforço estrutural, na forma de tubo, na haste femoral em poliuretano e adotar uma análise de falha progressiva para determinar o seu comportamento mecânico. Para esta finalidade foi implementado um modelo de material em sub-rotina FORTRAN, compilada em conjunto com um programa de elementos finitos (ABAQUS). Concluiu-se, que o modelo de material implementado e o reforço estrutural proposto para a haste femoral traz contribuições inovadoras, visto que se pode prever com mais precisão o comportamento mecânico da haste femoral reforçada com o tubo em material compósito polimérico. / A design and structural analysis of a femoral stem using a polymeric composite material is proposed in this work. The work had some steps in order to achieve trusty parameters for the material behavior aiming the consistence of numerical and experimental results. In the first step, a bibliographic review of mechanical behavior of reinforced polymeric composite materials as well as failure criterion was done. Following experimental steps are presented with specimen manufacturing procedure description and the results obtained from quasi-statics tension tests of polyurethane derivated from castor oil. The next step was the development of a monotonic quasistatic test device for the polyurethane femoral stem aiming to determine the forcedisplacement curve according to ISO 7206-3 and ISO 7206-4 standards. Considering the experimental results obtained it was possible to propose a structural reinforcement, which consists on a tube, in the polyurethane femoral stem and to adopt a progressive failure analysis in order to determine its mechanical behavior. A material model using FORTRAN sub-routine was developed and compiled joint with a finite element program (ABAQUS). The conclusion is that the model developed and the structural proposed reinforcement for the femoral stem bring innovation for this contribution once it is possible to preview accurately the mechanical behavior of the reinforced femoral stem with tube in polymeric composite material.

Neste trabalho propõe-se o projeto e a análise estrutural de uma haste femoral de implante de quadril em material compósito polimérico. No trabalho, realizaram-se algumas etapas com a finalidade de obter parâmetros confiáveis de comportamento do material, visando à consistência dos resultados numéricos e experimentais. Primeiramente, faz-se um levantamento bibliográfico sobre o comportamento mecânico dos materiais compósitos poliméricos reforçados, como também dos critérios de falha existentes para este tipo de material. Em seguida, apresentam-se as etapas experimentais com a descrição dos procedimentos de fabricação dos corpos-de-prova e os resultados obtidos a partir dos ensaios quase-estáticos de tração do poliuretano derivado de óleo de mamona. A etapa seguinte foi desenvolver um dispositivo de ensaio monotônico quase-estático para a haste femoral em poliuretano com o objetivo de levantar a curva força-deslocamento seguindo as especificações das normas ISO 7206-3 e ISO 7206-4. Com base nos resultados experimentais obtidos, foi possível propor um reforço estrutural, na forma de tubo, na haste femoral em poliuretano e adotar uma análise de falha progressiva para determinar o seu comportamento mecânico. Para esta finalidade foi implementado um modelo de material em sub-rotina FORTRAN, compilada em conjunto com um programa de elementos finitos (ABAQUS). Concluiu-se, que o modelo de material implementado e o reforço estrutural proposto para a haste femoral traz contribuições inovadoras, visto que se pode prever com mais precisão o comportamento mecânico da haste femoral reforçada com o tubo em material compósito polimérico. / A design and structural analysis of a femoral stem using a polymeric composite material is proposed in this work. The work had some steps in order to achieve trusty parameters for the material behavior aiming the consistence of numerical and experimental results. In the first step, a bibliographic review of mechanical behavior of reinforced polymeric composite materials as well as failure criterion was done. Following experimental steps are presented with specimen manufacturing procedure description and the results obtained from quasi-statics tension tests of polyurethane derivated from castor oil. The next step was the development of a monotonic quasistatic test device for the polyurethane femoral stem aiming to determine the forcedisplacement curve according to ISO 7206-3 and ISO 7206-4 standards. Considering the experimental results obtained it was possible to propose a structural reinforcement, which consists on a tube, in the polyurethane femoral stem and to adopt a progressive failure analysis in order to determine its mechanical behavior. A material model using FORTRAN sub-routine was developed and compiled joint with a finite element program (ABAQUS). The conclusion is that the model developed and the structural proposed reinforcement for the femoral stem bring innovation for this contribution once it is possible to preview accurately the mechanical behavior of the reinforced femoral stem with tube in polymeric composite material.