Determinação da curva s-n das camadas 5Y-PSZ, faixa de transição e 4Y-TZP de uma zircônia multicamadas e aplicação em modelo matemático para uso em análise por elementos finitos - Castro, Rodrigo Claudino de [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2025)
Este estudo tem como objetivo determinar a curva S-N das camadas de zircônia no disco IPS e.max ZirCAD Prime Esthetic, da empresa Ivoclar Vivadent, utilizando ensaios laboratoriais de fadiga e validar um modelo matemático, baseado na análise por elementos finitos (FEA), capaz de apresentar dados similares aos testes in vitro. Os testes foram conduzidos conforme as normas ASTM E 739 – 91 (atualizada em 1998) e ISO 6872/2016. As três camadas dos discos foram separadas em grupos experimentais, sendo: Grupo 1 - 5Y-PSZ, Grupo 2 - Faixa de Transição e Grupo 3 - 4Y-TZP. Trinta e três discos de 14 x 1,2 mm foram obtidos para cada camada, sendo três amostras de cada grupo destinadas ao teste monotônico e o restante subdividido em seis subgrupos (n=5), de acordo com o nível de carga aplicada nos testes de fadiga cíclica. A análise estatística dos dados de tensão e número de ciclos foi realizada por regressão linear, utilizando o método dos mínimos quadrados. Cada grupo foi submetido à ciclagem até que atingisse sua “vida infinita”, ou seja, um milhão de ciclos sem falha. Após a coleta dos dados experimentais, um disco semelhante ao utilizado nos testes in vitro foi modelado no software CAD Rhinoceros® e exportado para o CAE Ansys®, onde foram realizadas as simulações pela FEA. A validação do modelo foi conduzida comparando os resultados da curva S-N experimental com os dados simulados por testes estatísticos não paramétricos de correlação, concordância e comparação. A vida infinita dos três grupos foi atingida com uma força de 188N, representando 33% da carga máxima para o Grupo 1, 27% para o Grupo 2 e 25% para o Grupo 3. Ao alimentar o software para FEA, os resultados mostraram forte correlação entre os métodos in vitro e in silico. O teste de Spearman indicou correlação significativa em todos os casos, enquanto o teste de Wilcoxon apresentou p > 0,5, não evidenciando diferenças significativas entre os métodos. O teste de Bland-Altman indicou 95% de concordância entre os dois métodos nos três grupos. Assim, foi possível validar a hipótese de que não há diferença significativa entre os resultados in vitro e in silico. Além disso, a FEA demonstrou ser uma alternativa eficiente e de menor custo para prever a "vida infinita" do material, reduzindo a necessidade de novos testes laboratoriais. Os achados deste estudo reforçam a relevância da curva S-N na análise do comportamento cíclico da fadiga de materiais dentários. A validação do modelo matemático amplia possibilidades clínicas, permitindo ajustes mais precisos em estruturas protéticas complexas, otimizando os recursos sem comprometer a confiabilidade do material.

This study aims to determine the S-N curve of the zirconia layers in the IPS e.max ZirCAD Prime Esthetic disc, manufactured by Ivoclar Vivadent, using laboratory fatigue tests and to validate a mathematical model based on finite element analysis (FEA) capable of providing results similar to in vitro tests. The tests were conducted following the ASTM E 739 – 91 standard (updated in 1998) and ISO 6872/2016. The three layers of the discs were separated into experimental groups: Group 1 - 5Y-PSZ, Group 2 - Transition Layer, and Group 3 - 4Y-TZP. Thirty-three 14 × 1.2 mm discs were obtained for each layer, with three samples from each group allocated to monotonic testing, while the remaining samples were subdivided into six subgroups (n=5) according to the applied force for cyclic fatigue testing. Statistical analysis of stress and cycle number data was performed using linear regression with the least squares method. Each group underwent cyclic loading until one of them reached its “infinite life,” defined as one million cycles without failure. After collecting the experimental data, a disc similar to the one used in the in vitro tests was modeled in CAD Rhinoceros® software and exported to CAE Ansys®, where simulations were performed using FEA. Model validation was conducted by comparing the experimental S-N curve results with the simulated data through non-parametric statistical tests for correlation, agreement, and comparison. Infinite life for all three groups was reached at 188N, corresponding to 33% of the maximum load for Group 1, 27% for Group 2, and 25% for Group 3. When inputting data into the FEA software, the results showed a strong correlation between in vitro and in silico methods. Spearman’s test indicated significant correlation in all cases, while the Wilcoxon test showed p > 0.5, revealing no significant differences between the methods. The Bland-Altman test demonstrated 95% agreement between the two methods across all three groups. Thus, the hypothesis that there is no significant difference between in vitro and in silico results was validated. Additionally, FEA proved to be an efficient and cost-effective alternative for predicting the material’s “infinite life,” reducing the need for additional laboratory testing. The findings of this study reinforce the relevance of the S-N curve as a tool for analyzing the fatigue behavior of dental materials. The validation of the mathematical model expands clinical possibilities, enabling more precise adjustments in complex prosthetic structures while optimizing resources without compromising material reliability.
S-N curve determination of 5Y-PSZ, transition zone, and 4Y-TZP layers in a multilayer zirconia and its application in a mathematical model for finite element analysis
Keywords: Fadiga; Cerâmica; Testes mecânicos; Simulação por computador; Fatigue; Ceramics; Mechanical tests; Computer simulation