طراحي و مشخصه‌يابي رفتار مكانيكي كيج فلزي ناحيه‌ي كمري، توليد شده به روش ساخت افزودني ذوب گزينشي با ليزر

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

يكي از آسيب‌هاي بسيار متداول ستون مهره، بيماري ديسك بين مهره‌اي است. در اين بيماري، ديسك فرسوده شده قابليت خود را در جذب انرژي و ضربه از دست داده و ارتفاع آن كاهش مي‌يابد. روش درماني اين بيماري در صورت پيشرفت، عمدتا به صورت عمل جراحي همجوشي مهره‌اي است. در اين عمل، ديسك آسيب ديده از ميان دو مهره خارج شده و يك كيج فلزي يا پليمري جايگزين آن مي‌گردد. در سال‌هاي اخير، كاربرد آلياژ تيتانيوم به واسطه‌ي زيست‌سازگاري و خواص مكانيكي مطلوب، در كاشتني‌هاي پزشكي و به خصوص كيج‌هاي بين مهره‌اي افزايش پيدا كرده است. با اين‌حال، اين آلياژ به واسطه‌ي سفتي بسيار بالاتر نسبت به استخوان، موجب ايجاد تمركز تنش و وقوع پديده‌ي سپر تنشي مي‌‌گردد. از اين‌رو براي حل اين مشكل، از ساختارهاي سلولي در كيج‌ها از جنس آلياژ تيتانيوم استفاده شده تا سفتي آن‌ها كاهش پيدا كرده و به سفتي استخوان انسان نزديك گردد. با توجه به قابليت روش ساخت افزودني در توليد ساختارهاي متخلخل، از اين روش براي ساخت كيج با ساختارهاي سلولي و ميزان تخلخل‌هاي مختلف مي‌توان استفاده كرد. در پژوهش حاضر، به طراحي و مشخصه‌يابي رفتار مكانيكي كيج‌هاي ناحيه‌ي كمري، توليد شده به روش ذوب گزينشي با ليزر، پرداخته مي‌شود. در گام نخست، ساختار و ميزان تخلخل مناسب براي كيج شناسايي مي‌گردد. ساختارهاي TPMS به واسطه‌ي نسبت استحكام به وزن و همچنين نسبت سطح به حجم بسيار بالا، خواص مكانيكي و زيستي بسيار خوبي از خود نشان داده و به همين دليل در پژوهش حاضر از اين ساختارها در طراحي كيج استفاده مي‌گردد. براي شناسايي ساختار و ميزان تخلخل مناسب، ساختارهاي مشبك جيرويد، دايموند و شوارتز صفحه‌اي با ميزان تخلخل‌هاي مختلف از 45 تا 80 درصد و اندازه حفره‌ي 720 ميكرومتر، در نرم‌افزار nTopology طراحي شده و سپس به نرم‌افزار آباكوس انتقال داده مي‌شوند. در اين نرم‌افزار رفتار نمونه‌‌هاي متخلخل، در فشار ساده شبيه‌سازي شده و ميدان تنش، جابجايي و مدول الاستيك آن‌ها پيش‌بيني مي‌گردد. همچنين اين ساختارها به روش ذوب گزينشي با ليزر ساخته شده، تحت آزمون فشار قرار گرفته و مدول الاستيك آن‌ها در فشار اندازه‌گيري مي‌شود. نتايج شبيه‌سازي و آزمون‌هاي تجربي با يكديگر حدود 10 درصد اختلاف داشته كه مقدار قابل قبولي مي‌باشد. در نهايت با جمع‌بندي نتايج به دست آمده از شبيه‌سازي و آزمون‌هاي تجربي، مشاهده گرديد دو ساختار دايموند و جيرويد با تخلخل 70 و 75 درصد مدول الاستيك نزديكي (حدود 9 تا 16 گيگاپاسكال) به مدول الاستيك استخوان (7 تا 22 گيگاپاسكال) داشته و در نتيجه در صورت استفاده از اين دو ساختار در كيج، از وقوع پديده‌ي سپر تنشي جلوگيري مي‌شود. در صورتي كه براي ساختار شوارتز به دليل محدوديت ساخت، بيشينه تخلخل قابل دست‌يابي 60 درصد بوده و از اين‌رو در اين ساختار نمي‌توان به نسبت‌هاي سطح به حجم بالا دست پيدا كرد. از اين‌رو ساختار شوارتز كنار گذاشته شده و دو ساختار جيرويد و دايموند با تخلخل 70 و 75 درصد به عنوان 4 ساختار سلولي مناسب براي طراحي كيج ناحيه‌ي كمري پيشنهاد مي‌گردند. بنابراين از اين 4 ساختار سلولي در طراحي هندسه‌ي كيج استفاده شده و سپس رفتار كيج‌هاي طراحي شده مطابق استاندارد ASTM F2077 در فشار، فشار- برش و پيچش شبيه‌سازي و ميدان تنش و جابجايي ايجاد شده در آن‌ها ارزيابي مي‌گردد. نتايج شبيه‌سازي رفتار كيج‌ها در اين سه بارگذاري نشان داد كه ميدان تنش ايجاد شده در ساختار سلولي هر 4 نوع كيج، بسيار كم‌تر از حد استحكام تسليم ماده بوده و همچنين ميدان جابجايي ايجاد شده در كيج‌ها از مرتبه‌ي ميكرومتر مي‌باشد.

224666

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان