Uticaj koncentracije napona i pojave prsline na preostali radni vek biomaterijala za rekonstruktivne pločice : doktorska disertacija
Vučetić, Filip, 1990-, 23261031
Sedmak, Aleksandar, 1955-, 12447079
Radaković, Zoran, 1961-, 14087271
Grbović, Aleksandar, 1970-, 12800359
Čolić, Katarina, 1977-, 31933543
Milošević, Miloš, 1984-, 14060135
Biomaterijali namenjeni za izradu ortopedskih rekonstruktivnih pločica su boljih mehaničkih karakteristika u odnosu na kosti, a ipak u velikom broju slučajeva dolazi do otkaza pločica usled zamornog oštećenja. Jasno je da otkazi pločica za fiksaciju preloma dovode do problema u procesu lečenja i potrebe za ponovnom operacijom pacijenata. Pored materijala i geometrije, iskustvo i znanje ortopedskog hirurga su jedan od najbitnijih faktora koji doprinose učestalosti zamornih otkaza pločica. U slučaju neadekvatne ugradnje pločice će biti podvrgnute preopterećenju od samog početka eksploatacije, što pogoduje inicijaciji prsline. Jedan od najčešće korišćenih biokompatibilnih materijala za unutrašnju fiksaciju preloma kostiju je dvofazna alfa-beta legura titana Ti-6Al-4V. Cilj istraživanja doktorske disertacije je da se utvrdi ponašanje rekonstruktivnih biomedicinskih pločica u prisustvu prslina na mestima koncentracije napona i da se utvrdi brzina rasta prslina za različite geometrije, na osnovu čega im je moguće proceniti integritet i preostali radni vek. U tu svrhu, eksperimentalno su određene zatezne karakteristike i parametri mehanike loma legure Ti-6Al-4V u cilju korišćenja podataka u numeričkim simulacijama, dok su udarne karakteristike ispitane na instrumentiranom klatnu u cilju boljeg razumevanja ponašanja samog materijala. Umesto komplikovanih eksperimentalnih ispitivanja, primenjeni su postupci numeričkih simulacija ponašanja ortopedskih pločica od Ti-6Al-4V legure titana u prisustvu zamornih prslina, opterećenih na savijanje u četiri tačke, prvenstveno zbog nemogućnosti primene mernih folija na geometrijama pločica. Takođe, numeričke simulacije predstavljaju bržu i jeftiniju alternativu eksperimentalnim ispitivanjima. Geometrija i modeli pločica rađeni su u programu CATIA, a simulacija rasta prsline proširenom metodom konačnih elemenata (PMKE) u programu ANSYS. U simulacijama je korišćeno opterećenje (moment savijanja) koje se javlja na čovekovoj potkolenici tokom hoda, a uzete su u obzir i različite telesne mase pacijenta: 60, 90 i 120 kg. Analiza je rađena za 5 različitih geometrija pločica. Analiza je rađena isključivo sa mehaničkog aspekta, dok uticaj korozivne sredine čovekovog organizma i biokompatibilnost materijala nisu uzeti u razmatranje. Postoji više metoda za tretiranje materijala u cilju poboljšanja njegovih određenih karakteristika. Jedan od načina za poboljšanje površinskih karakteristika materijala je lasersko ojačavanje materijala (LSP). Razlog za primenu laserskog ojačavanja na leguri titana je istraživanje mogućnosti lokalnog poboljšanja mehaničkih karakteristika i mikrogeometrijskih karakteristika površine, kao i unošenja pritisnih zaostalih napona koji bi doprineli otpornosti na iniciranje prslina, naročito na mestima koncentracije napona. Ispitivanja su rađena na tri grupe uzoraka i pod tri različita tretmana pikosekundnim laserom Nd:YAG. Analiza je rađena sa aspekta mikrostrukture, površinske hrapavosti i mikrotvrdoće.
mašinstvo - tehnologija materijala – mašinski materijali / mechanical engineering- materials technology – engineering materials Datum odbrane: 11.02.2021.
Biomaterials intended for orthopaedic plates manufacturing are of much higher mechanical properties relative to the bone itself and still there are many cases where those plates fracture in service with fatigue as the main failure mode. This causes the problem with healing process and requires that the patients undergo another surgery. Apart from materials and geometry, experience and knowledge of the orthopaedic surgeon is one of the important factors contributing to the frequency of fatigue failures. If incorrectly implanted, plates will be subjected to overloading from the start, which is convenient for crack initiation. One of the most commonly used biocompatible materials for internal bone fixation is two phase alpha-beta titanium alloy Ti-6Al-4V. Focus of this doctoral dissertation is to determine the behaviour of reconstructive biomedical plates in the presence of cracks at the stress concentration locations and to obtain crack growth rates for different plate geometries which are to be used as a basis for structural integrity and life assessment. Experimental investigations of tensile and fracture mechanics parameters of Ti-6Al-4V alloy were conducted to be used in numerical simulations, while impact characteristics, tested on instrumented Charpy pendulum, were investigated for the purpose of better understanding of the material. Instead of complicated experimental four point bend testing of orthopaedic plates in the presence of cracks, numerical simulations were employed, mainly due to inability of measurement foils to be used on given plate geometries. Also, numerical simulations are time and cost efficient when compared to experimental testing. Geometries and models of plates are defined in CATIA software, while extended finite element method (XFEM) crack growth simulations were made in ANSYS. Loads (bending moments) correspond to the ones occurring in human tibia during gait cycle for different body weights: 60, 90 and 120 kg. Analysis was conducted on 5 different plate geometries. Analysis was done only from the mechanical aspect and the influence of corrosive environment of the human body was not taken into consideration. There are many methods for treatment of materials for the purpose of improving its certain characteristics. One of the methods for surface characteristics improvement is laser shock peening. Reason for utilising the laser shock peening on titanium alloy is to research the possibilities of local improvement of mechanical and micro-geometrical properties, as well as inducing the compressive residual stresses which should contribute to the crack initiation resistance, especially at the stress concentration locations. Testing was conducted on three types of samples under three different treatments with picosecond laser Nd:YAG. Analysis was made from the aspect of microstructure, surface roughness and microhardness.
srpski
2020
Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY-NC-ND 2.0 AT - Creative Commons Autorstvo - Nekomercijalno - Bez prerada 2.0 Austria License.
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/at/legalcode
OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Biomedicinska tehnika
OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Elastomehanika. Deformacije. Čvrstoća
orthopaedic reconstructive plates, extended finite element method (XFEM), biomaterials,Ti-6Al-4V, numerical simulations, experimental analysis of mechanical properties, fracturemechanics parameters, laser shock peening (LSP), microstructure, microhardness
OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Biomedicinska tehnika
OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Elastomehanika. Deformacije. Čvrstoća
ortopedske rekonstruktivne pločice, biomaterijali, Ti-6Al-4V, proširena metodakonačnih elemenata (PMKE), numeričke simulacije, eksperimentalna analiza mehaničkihkarakteristika, parametri mehanike loma, lasersko ojačavanje materijala (LSP), mikrostruktura,mikrotvrdoća