Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακρίβειας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου

Abstract

The present thesis has the aim of presentation and research of the manufacturing of hip joint implant and also tools for their construction, through precision and ultra precision manufacturing and specifically high speed machining. The methodology presents the way that the femoral heads are manufactured, not only for metallic, but also for ceramic ones, the cutting parameters that must be taken into consideration and also the factors that affect the process and play a tremendous role for its success, like cutting forces. These specific were measured during the process of manufacturing of metallic heads, and the results were compared to numerical results from calculating models, and also with the results of finite elements analysis. Furthermore it is presented the designing and manufacturing of a die for the construction of a stem. Afterwards, there are presented the methods of checking the accuracy of the implants. In the first part investigated the accuracy of the implants, which were constructed in the laboratory, metallic and ceramic, and also there will be exported some numerical models, which will predict the surface roughness, in reference to the cutting parameters, and also the accuracy of the die construction as it plays a specific role in the manufacturing of the stem. In the second part it is presented the testing of the resistance in static load of the femoral heads not only experimentally but also with the use of finite element analysis for the better comparison of the results. Generally for the manufacturing of the implants, there were done full researches of the cutting forces which act on the system tool - workpiece during the manufacturing process. This procedure presents difficulties due to the spherical shape of the manufactured parts; the tool needs to follow a cyclic route, resulting in the cutting depth to continually change during the process. These changes must be taken under consideration, as they play tremendous role in the calculation of forces especially in high speed machining. The equation that exported for forces calculation can predict values of cutting forces were found close to the real ones, varying in the range ±3%, and the deflection of FEM results from real are not higher than 25%. For surface roughness and the predicted model can conclude that the established equations clearly show that the depth of cut was a main influencing factor on the surface roughness. Furthermore the predicted values and the measured values are fairly close, which indicates that the developed surface roughness prediction model can be effectively used to predict the surface roughness from the cutting process, within a 95% confident interval for both cases. Also the roughness results for the ceramic femoral heads, shows that the high speed machining with the use of CBN tools produce better surface quality. For the advantages of the modelling through FEM analysis of the static test, has to do with the results’ accuracy. Although the modelling can be proved sometimes suboptimal, its results can give helpful conclusions. ..

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει σκοπό την παρουσίαση και τη μελέτη της κατεργασίας εμφυτευμάτων ισχίου καθώς και εργαλείων για την κατασκευή αυτών με βάση τις κατεργασίες λίαν υψηλής ακριβείας και συγκεκριμένα κατεργασίες υψηλών ταχυτήτων. Η μεθοδολογία παρουσιάζει τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η κατεργασία των μηριαίων κεφαλών, τόσο μεταλλικών όσο και κεραμικών, τις παραμέτρους που πρέπει να ληφθούν υπόψη καθώς και οι παράγοντες εκείνοι που λαμβάνουν χώρα κατά τη διεργασία και επηρεάζουν την επιτυχή ή όχι έκβαση της μεθόδου, όπως πχ. οι δυνάμεις κοπής. Οι συγκεκριμένες μετρήθηκαν, κατά τη διάρκεια κατεργασίας των μεταλλικών κεφαλών, και συγκρίνονται τόσο με υπολογιστικά μοντέλα, όσο και με τα αποτελέσματα από πακέτα πεπερασμένων στοιχείων. Παράλληλα παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η κατεργασία ενός καλουπιού κατασκευής μηριαίου προθέματος. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η μεθόδος ελέγχου της ακρίβειας των εμφυτευμάτων και της αντοχής τους. Στο πρώτο κομμάτι μελετήθηκε η ακρίβεια των εμφυτευμάτων που κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο, μεταλλικά και κεραμικά, και εξάχθηκαν αριθμητικά μοντέλα που περιγράφουν την ποιότητα επιφάνειας σε σχέση με τις παραμέτρους κατεργασίας, καθώς επίσης και ο έλεγχος ακρίβειας κατασκευής του καλουπιού μιας και παίζει σημαντικότατο ρόλο στην κατασκευή του προθέματος ισχίου. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται ο έλεγχος στατικής αντοχής των μηριαίων κεφαλών εμφυτευμάτων ισχίου τόσο πειραματικά όσο και αριθμητικά με τη χρήση πακέτου πεπερασμένων στοιχείων, για την καλύτερη συσχέτιση και σύγκριση των τιμών. Γενικά για την κατεργασία των εμφυτευμάτων έγινε μια πλήρης μελέτη των δυνάμεων κοπής που ασκούνται πάνω στο σύστημα τεμάχιο - εργαλείο κατά τη διάρκεια της μορφοποίησης. Η διαδικασία αυτή παρουσιάζει δυσκολίες λόγω της αλλαγής του βάθους κοπής κατά τη διάρκεια της κατεργασίας, κάτι σημαντικό που πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά τον υπολογισμό των δυνάμεων που φυσικά παίζουν σπουδαίο ρόλο στην κατεργασία με υψηλές ταχύτητες κοπής. Η εξίσωση που αναπτύχθηκε για τον υπολογισμό των δυνάμεων μπορεί να δώσει αποτελέσματα που είναι κοντά με τα πειραματικά και η απόκλισή τους δεν είναι μεγαλύτερη από 3%, ενώ η απόκλιση των αριθμητικών αποτελεσμάτων από τα πεπερασμένα στοιχεία δεν ξεπερνά το 25%. Για την ποιότητα της επιφάνειας και το μοντέλο τραχύτητας που αναπτύχθηκε μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι οι δυο εξισώσεις που αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο της ανταπόκρισης της επιφάνειας δείχνουν καθαρά ότι το βάθος κοπής είναι ο κύριος παράγοντας επιρροής της επιφανειακής τραχύτητας. Επιπλέον οι προβλεπόμενες τιμές είναι σχεδόν κοντά με τις μετρούμενες τιμές κάτι που δείχνει ότι το μοντέλο πρόβλεψης της τραχύτητας μπορεί να υπολογίσει τη τιμή της τραχύτητας από τις συνθήκες κατεργασίας με 95% εμπιστοσύνη. Επιπλέον από τα αποτελέσματα των τραχυτήτων των κεραμικών κεφαλών φαίνεται ότι η κατεργασία των κεραμικών υλικών μέσω υψηλών ταχυτήτων με τη βοήθεια αδαμαντοφόρων εργαλείων ή κοπτικών πλακιδίων από κυβικό βόρειο νιτρίτη επιτυγχάνει τα καλύτερα αποτελέσματα ποιότητας επιφάνειας...