تحليل رفتار مكانيكي كاشتني (كيج) فلزي ستون مهره، توليد شده به روش ساخت افزودني ذوب گزينشي با ليزر

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

بيماري ديسك بين‌مهره‌اي از جمله آسيب‌هاي رايج ستون مهره محسوب مي‌شود كه در آن ديسك دچار تخريب تدريجي شده و به مرور ارتفاع آن كاهش مي‌يابد و درنتيجه قابليت جذب ضربه خود را از دست مي‌دهد. در صورت پيشرفت اين عارضه، درمان غالباً از طريق جراحي همجوشي مهره‌اي صورت مي‌گيرد. بدين ترتيب كه ديسك آسيب‌ديده برداشته شده و يك كيج فلزي يا پليمري در فضاي بين دو مهره قرار داده مي‌شود. در سال‌هاي اخير، آلياژ تيتانيوم (Ti-6Al-4V) به دليل زيست‌سازگاري مناسب و ويژگي‌هاي مكانيكي مطلوب، كاربرد گسترده‌اي در ساخت كاشتني‌هاي پزشكي و به‌ويژه كيج‌هاي بين‌مهره‌اي يافته است. با اين وجود، مدول الاستيك بالاتر اين آلياژ نسبت به استخوان مي‌تواند باعث ايجاد پديده‌ي سپر تنشي گردد. به همين منظور، استفاده از ساختارهاي سلولي در كيج‌هاي تيتانيومي به‌منظور كاهش مدول الاستيك و تطبيق بهتر با استخوان مورد توجه قرار گرفته است. فناوري ساخت افزودني، به دليل قابليت توليد هندسه‌هاي متخلخل پيچيده، امكان ساخت كيج‌هايي با درصدهاي مختلف تخلخل را فراهم مي‌كند. در پژوهش حاضر و در ادامه‌ي پژوهش‌هاي پيشين، كيج‌هاي كمري با ساختارهاي سلولي جايرويد (G) و دايموند (D) با درصد تخلخل 75 درصد به روش ذوب گزينشي با ليزر ساخته شده و بررسي رفتار مكانيكي آن‌ها، انجام شده است. كيج‌ها مطابق با استاندارد ASTM F2077 تحت آزمون فشار و فشار-برش قرار گرفتند. سپس مقادير سفتي، نيروي تسليم و نيروي بيشينه‌ي آن‌ها استخراج شده و با مقايسه با حداقل مقادير قابل پذيرش در استاندارد ISO 23089، مشاهده شد كه اين كيج‌ها از نظر استاندارد، عملكرد مكانيكي قابل قبولي دارند. همچنين به منظور محاسبه دقيق مدول الاستيك كيج‌ها، از كرنش‌سنج استفاده شد. سپس مشخص شد كه مدول الاستيك كيج‌ها براي ساختار G75 در حدود گيگاپاسكال و براي ساختار D75 در حدود گيگاپاسكال است كه هر دو مقدار در محدوده مدول الاستيك استخوان بوده و در نتيجه پديده سپر تنشي رخ نخواهد داد. در ادامه ساختارهاي مورد استفاده در كيج‌ها مورد آزمون خستگي خمشي دوار قرار گرفتند تا از عملكرد خستگي آن‌ها نيز اطمينان حاصل شود. هر دو ساختار در تنش‌هاي اسمي 10 و 20 مگاپاسكال، بيش از 5 ميليون سيكل را تحمل كردند. از آنجايي كه تنش 10 مگاپاسكال معادل نيروي متناظر با عدم گسيختگي در استاندارد ISO 23089 است، مي‌توان نتيجه گرفت كه هر دو ساختار جايرويد و دايموند از نظر خستگي نيز داراي عملكرد مناسبي براي استفاده در كيج‌هاي بين مهره‌اي هستند. در نهايت براي پيش‌بيني عمر خستگي نمونه‌ها از نرم‌افزار fe-safe استفاده شد. نتايج حاصل از اين نرم‌افزار، عمر بيشتري را پيش‌بيني كرده و اختلاف 20 تا 30 درصدي با مقادير آزمون تجربي داشتند كه از علت‌هاي اصلي آن مي‌توان به درنظر نگرفتن عواملي مانند زبري سطح و عيوب داخلي قطعه در شبيه‌سازي اشاره كرد. پس از آنكه در اين پژوهش، كيج‌ها از نظر مكانيكي مورد ارزيابي قرار گرفته و تاييد شدند؛ در ادامه، با انجام آزمون‌هايي مانند رشد سلولي و بررسي عملكرد زيستي كيج‌ها، امكان تجاري‌سازي آن‌ها وجود دارد.

237800

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان