23117

بررسي خواص مكانيكي و ساخت ساختار هايي با تخلخل كنترل شده به روش پرينت سه بعدي جهت كاربرد به عنوان ايمپلنت استخوان هيپ

كارشناسي ارشد

سراميك

99-00

1399/10/27

دكتر جعفر جواد پور - دكتر حميدرضا رضايي

مواد و متالورژي

بايومتريالها مواد ساختاي يا يعي هستند كه اآ ريق ميانكنش با بافت هاي آنده بدن موج ا ترميم اع اي آسيبديده را فراهم ميآورند. اآ اين مواد همچنين براي جايازيني يك ع و اآ بين رفته و يا به ود عملكردهاي فيزيولوژيك نيز استفاده ميگردد. براي كاهش هزينههاي ساخت و توليد مواد جديد و افزايش حداكثري عملكرد درون بدني اين مواد، همهروآه روشهاي توليد پيشرفته اي مورد بررسي و مطالعه قرار ميگيرد. يكي اآ جديدترين روشهاي توليد اين مواد ساخت افزايشي يا پرينت سهبعدي ميباشد. قابليت اصلي اين روش، توانايي آن در توليد قطعا بسيار پيچيده، نظير ساختارهايي با ت ل ل اآ پيش راحي شده جهت استفاده به صور ايمپلنت ميباشد. هدف اآ ايجاد ت ل لهاي راحي شده در ايمپلنتها، كاهش احتمال وقوع پديده تحليلرفتن است وان، به علت اخت ف در مدول الاستيسيته آن با ايمپلنت، اآ ريق افزودن ت ل لهايي كام كنترلشده ميباشد. است وان به عنوان ماده اي آنده مانند هر ع و ديار در بدن، در صورتي رشد نموده و ترميم ميگردد كه حاوي عملكردي مفيد بوده و در جايااه خود نقش فعال ايفا كند. مطالعا باليني نشان دادهاند، در صور استفاده اآ ايمپلنتهايي با استحكام و مدول الاستيسيته بيشتر در كنار است وان، كليه توآيع تنش وارده در كاربردهاي روآمره، بر روي ايمپلنت متمركز شده و است وان عم ب استفاده خواهد بود. اين امر به مرور موجب تحليلرفتن است وان و در دراآمد شكست آن ميگردد. لذا در اين پاوهش به ش يهساآي، ساخت و بررسي ايمپلنتهاي داراي ساختار ش كهاي مت ل ل پرداختهشد. سلول واحد Diag به عنوان پايه در راحي ساختار مورد استفاده قرارگرفت. ساختارها با استفاده اآ نرمافزار TMABAQUS راحي شده و برنامههاي كامپيوتري متعددي با استفاده اآ آبان برنامهنويسي Python جهت بهينهساآي مقادير ابعادي ساختارها، تعيين مدول الاستيسيته هدف، پيشبيني خواص و رفتار مكانيكي آنها، در فرايند ش يهساآي كدنويسي گرديد. مشاهده شد كه سلولواحد يادشده بعلت هندسه ساختاري وياه، در نقاط اتصال باآوهاي داخلي داراي تمركز تنش و در ارر آن داراي تغيير شكل پ ستيك موضعي ميباشد. لذا مرحله راحي و ش يهساآي بر كاهش ميزان بروآ د تمركز تنش اآ ريق راحي دو نوع سلولواحد جديد به نامهاي Arr-Diag و Sph-Diag متمركز گرديد. نتايج فرايند ش يهساآي پس اآ اعمال 10 درصد كرنش بر ساختارها نشان داد، تغيير در هندسه ساختاري سلولهاي واحد نقش مورري در نحوه توآيع تنش در حجم سلولواحد و كاهش بروآ تمركز تنش در نقاط اتصال باآوهاي داخلي ايفا مينمايد. سپس جهت راستيآآمايي فرايند، ساختارها بوسيله دستااه پرينتر سهبعدي به روش روب انت ابي با ليزر SLM و با استفاده اآ آلياژ Ti-6Al-4V ساخته شده و تحت آآمونهاي مكانيكي تنش كششي و فشاري مشابه فرايند ش يه- ساآي قرار گرفتند. مشاهده گرديد كه ساختار Sph-Diag بيشترين به ود در رفتار الاستيك و كاهش مدول الاستيسيته را اآ خود به نمايش ميگذارد و كرنش پ ستيك باقيمانده در آن پس اآ انجام تست تنش كششي به ميزان 37 / 0 ميليمتر در مقايسه با دو ساختار Arr-Diag و Simple-Diag بترتيب 89 / 0 و 01 / 1 ميليمتر ميباشد. همچنين استحكام تسليم نهايي در هر سه نمونه به ترتيب ركر شده در بالا، 960 ، 1050 و 1060Mpa گزارش گرديد و ميزان افزايش ول در ارر اعمال كرنش به ترتيب 3 / 2 ، 0 / 2 و 55 / 2 ميليمتر مشاهدهشد. نتايج بدستآمده اآ آآمون تنش فشاري نيز كرنش پ ستيك باقيمانده در سيكل اول اعمال تنش را در سه نمونه Sph-Diag ، Arr-Diag و Simple-Diag به ترتيب برابر با 73 / 0 ، 66 / 0 و 60 / 0 ميليمتر و استحكام تسليم نهايي را به ترتيب برابر با 1150 ، 1160 و 1350 گزارش نموده اند. نتايج بدست آمده بطور كامل با نتايج بدستآمده اآ ش يهساآي تطابق داشته و ميتوان گفت راحي ت ل لهاي ساآمانيافته ميتواند باعث كاهش مدول الاستيسيته و همزمان دستيابي به خواص مكانيكي مطلوب در ساختارها گردد.

1399/11/11

Study and Manufacturing of Mesoporous structures manufactured by additive manufacturing for biomedical use

1/16/2021 12:00:00 AM

Biomaterials are natural or artificial materials which facilitate organ recoveriy due to the interaction with alive textures. They can be used as a total organ replacement or an enhancement in phsyologic functions. In order to reduce the manufacturing costs and enhance the in-vivo behavoiur of these Materials, new methods are being designed and investigated. One of the newest methods is Additive Manufacturing or 3D-printing. The core feature of this method is the ability to manufacture complex structures and topologies such as porrous lattice structures to be used as Implants. The reason of using these porrous lattice structures is to hinder the possibility of occouring Stress Shielding phenomenon, due to mechanical mismatch between bone and implant, specially deference in Young Modulus. As a living organ, the bone will grow and be recovered only if it’s being used and functioning in the target ambient. Clinical studies have shown that using stronger and stiffer Materials as a combined system with bone, such as bone-implant combination, gradually leads to degradation of bone in the system. This happens due to stress repartition in the combined system, as the stiffer implant bears the whole imposed stress on the system, leading to gradual bone degradation as it’s not much being used. Thus, the porous lattice structures were designed, manufactured and their mechanical behavior was simulated and then evaluated by actual mechanical tensile and compression tests. First, the unit cell of Diag structure was investigated and proven to have some stress concentration spots in the struts intersection, due to special geometrical orientaion. Thus, the Unit cell was redesigned, inorder to hinder the stress concentration and softening the material, resulting in generating 2 new unit cells named Arr-Diag and Sph-diag. then an optimization code was applied on the unit cells, in order to modify the dimentional properties, followed by lattice structures generation by successive 93 repetition of these unit cells in 3 directions. A 10 % strain was later imposed on the Structures and the reaction forces of all nodes were then calculated. Results showed that new structure modification leads to a better stress distribution and also hindering the stess concentration spots. The Strucres were then manufactured by selective Laser Melting 3D printing machine, using Ti-6Al-4V powder. Imposing same tesile and compression tests on the Samples, obtained same results as simulation, where the residual tesile strain in Sph- , Arr- and Simple-Diag was recorded 0.37, 0.89 and 1.01 mm respectively. The Ultimate Tensile Strength of three structures was reported as 950, 1050 and 1060 Mpa respectively as before. The results of compression test were reported as 0.73, 0.66 and 0.60 mm of residual strain in Simple-Diag, Arr-diag and Sph-Diag respectively. Each structure showed a different Ulmate Tensile Strength reported as 1350, 1060, 1050 Mpa respectively as before. The obtained results presented a noticeable enhancement in mechanical properties of the lattice structures due to unit cell modification resulting in improved Elastic and Elasto-plastic behavior.

ايمپلنت , ساختار شبكه اي , آباكوس , شبيه سازي , تحليل رفتن استخوان

Lattice Structures , Young Modulus , Implant , Stress-shielding