18086

18086

تعيين استحكام اتصال ارتودنسي با استفاده از روش هاي تجربي و عددي

دكتري

طراحي كاربردي

آبان ماه 1396

دكتر مجيدرضا آيت اللهي

دكتر بشري عبدالرزاق

مكانيك

اتصالات چسبي داراي كاربردهاي غير صنعتي پيشرفته شامل دندان پزشكي و ارتودنسي مي‌باشد. در درمان‌هاي متداول ارتودنسي براكت‌ها با استفاده از چسب‌هاي كامپوزيتي يا نانوكامپوزيتي روي سطح دندان‌ها چسبانده مي‌شود تا دندان‌ها را در موقعيت صحيح خود قرار دهند. استحكام اتصال براكت به دليل تحمل بار در طول درمان‌هاي ارتودنسي به عنوان يك پارامتر مهم در يك سيستم براكت/چسب/دندان مطرح مي‌باشد. در اين رساله، به روش‌هاي آزمايشگاهي در مقياس‌هاي نانو، ميكرو و مزو همراه با روش شبيه سازي عددي براي تعيين استحكام اتصال براكت ارتودنسي به دندان پرداخته شده است. آزمايش‌هاي نانونفوذ و سختي سنجي ميكرو روي ضعيف‌ترين بخش اتصال ارتودنسي يعني چسب نانوكامپوزيتي به منظور تعيين استحكام اتصال ارتودنسي، انجام شده است. در همين راستا، يك روش تركيبي آزمايش- شبيه سازي براي تفسير علت پراكندگي نتايج بدست آمده از آزمايش نانونفوذ روي نانوكامپوزيت كه به صورت يك ماده ناهمگن در مقياس آزمايش در نظر گرفته شده، توسعه داده شده است. بدين منظور، رفتار هايپرالاستيك پليمر تشكيل دهنده زمينه نانوكامپوزيت با استفاده از توسعه يك روش تركيبي آزمايش- شبيه سازي جديد بررسي شده است. بر اساس نتايج بدست آمده پيشنهاد مي‌شود تعداد آزمايش‌هاي نانونفوذ روي نمونه هاي ناهمگن نسبت به حالت متعارف آن (يعني 5 مرتبه بر اساس استاندار ايزو 14577) به حداقل 20 مرتبه افزايش يابد؛ همچنين از نشانگري با سطح تماس بزرگ‌تر نسبت به نشانگر بركويچ استفاده شود. در مقياس مزو براي تعيين استحكام اتصال براكت ارتودنسي چسبانده شده با استفاده از چسب نانوكامپوزيتي، آزمايش‌هاي جدايش اتصال در مود I، مود II و مودهاي تركيبي I/II و I/II/III انجام شده است. مقايسه مقادير استحكام بدست آمده براي اتصال ارتودنسي از آزمايش هاي نانونفوذ و سختي سنجي ميكرو با مقادير متناظر اندازه گيري شده از آزمايش هاي مزو اختلاف قابل ملاحظه اي را نشان مي دهد كه بيانگر اين مسئله است كه آزمايش¬هاي نانونفوذ و سختي سنجي ميكرو از دقت لازم براي تعيين استحكام اتصال ارتودنسي برخوردار نمي¬باشند. يك روش آزمايش مستقيم براي تعيين رفتار آسيب اتصال ارتودنسي در مودهاي خالص توسعه داده شده است. نتايج آزمايش‌ها براي انطباق دادن يك مدل آسيب ناحيه چسبناك و اندازه گيري پارامترهاي چسبناك براي اتصال براكت/چسب نانوكامپوزيتي/دندان بكار برده شده است. سپس، مدل آسيب ناحيه چسبناك براي شبيه سازي اجزاي محدود سه بعدي آزمايش‌هاي انجام شده در مودهاي خالص و تركيبي بارگذاري استفاده شده است. نتايج همه شبيه سازي‌هاي انجام شده با استفاده از نتايج آزمايش اعتبار سنجي و تاييد شده است كه نشان دهنده اعتبار مدل آسيب ناحيه چسبناك، پارامترهاي چسبناك و فرآيند شبيه سازي انجام شده مي‌باشد. با استفاده از نتايج بدست آمده از شبيه سازي اجزاي محدود استحكام اتصال ارتودنسي براي شرايط بارگذاري مختلف و شكل‌هاي مختلف مقطع براكت بدست آورده شده است. در نهايت، روش شبيه سازي اجزاي محدود با استفاده از مدل آسيب ناحيه چسبناك به عنوان روشي براي تعيين استحكام اتصال ارتودنسي در بارگذاري‌هاي شبه استاتيكي گوناگون و شرايط مرزي مختلف با هدف كاهش حجم آزمايش‌هاي مورد نياز، پيشنهاد شده است.

1396/08/30

11/21/2017 12:00:00 AM

Adhesively bonded joints have been used in many advanced non-industrial applications including dentistry and orthodontic. In common orthodontic treatments, brackets are bonded to teeth surface by using composite or nano-composite adhesives for moving teeth in the correct position. The bracket bond strength is considered as an important parameter for load bearing in a bracket/adhesive/tooth system in the orthodontic treatments. In this thesis, experimental methods in nano, micro and meso scales along with numerical simulation approach have been utilized to determine the bond strength of orthodontic bracket to tooth. Nano-indentation and micro-indentation experiments are applied on the weakest part of the orthodontic bonding, i.e. the nano-composite adhesive, to determine the orthodontic bond strength. Subsequently, a hybrid experiment-simulation approach is developed to interpret the scattered results obtained from the nano-indentation experiment on the nano-composite that is considered as a non-homogenous material in the test scale. In this respect, the hyperelastic behavior of the polymeric matrix of the nano-composite is investigated through development of a new hybrid-experiment simulation approach. Based on the results, it is recommended that the number of indentation tests on non-homogenous samples increases more than the conventional process (i.e. 5 tests according to ISO 14577) to at least 20 times along with the use of an indenter with larger contact area compared to the Berkovich. In the meso-scale experiment, mode I, mode II and mixed modes I/II and I/II/III debonding tests are conducted to investigate the bond strength of orthodontic bracket bonded by the nano-composite adhesive. Comparing the orthodontic bond strength values obtained from nano-indentation and micro-indentation experiments with the corresponding values measured from the meso-scale tests indicates considerable difference which means that nano-indentation and micro-indentation experiments are not appropriate for determination of orthodontic bond strength. A direct test method is developed to determine the damage behavior of the orthodontic bonding in single modes. The results of these tests are used to adapt a cohesive zone model (CZM) and cohesive parameters for the bracket/nano-composite adhesive/tooth bonding. Then, the CZM is applied in the finite element (FE) simulation of the 3-dimensional model of the tests in the single and mixed mode conditions. Results of all simulations are examined well in order to validate the CZM, cohesive parameters and simulation process. The FE results are used to determine the orthodontic bond strength in various loading conditions and also for different shapes of the bracket base. It is concluded that, the FE simulation processes using the CZM could be applied to reduce the amount of required tests in order to determine the orthodontic bond strength in different quasi-static loads and boundary conditions.