E.4.2. Descripción Técnica de los nuevos diseños de producto personalizado validado analíticamente

Transcripción

1 - Desarrollo de técnicas productivas, materiales y soluciones de diseño innovadoras orientadas a generar restituciones de estructuras corporales personalizadas y sistemas de guiado para su implantación E.4.2. Descripción Técnica de los nuevos diseños de producto personalizado validado analíticamente

2 Proyectos de I+D El contenido de este documento ha sido generado por AIMME como resultado del proyecto GENCOR (IMDECA/2015/24) en el marco de la convocatoria de ayudas dirigidas a centros tecnológicos de la Comunitat Valenciana para el ejercicio 2015 cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) en un porcentaje del 50% a través del Programa Operativo FEDER de la Comunitat Valenciana , dentro del Eje Prioritario 1.

3 2015 Entregable GENCOR IMDECA/2015/24 E.4.2. Descripción Técnica de los nuevos diseños de producto personalizado validado analíticamente Se realiza la evaluación analítica de los demostradores diseñados previamente, que implica el estudio del análisis de comportamiento de los modelos bajo condiciones específicas de carga y de contorno. AIMME 23/12/2015

4 E.4.2. Descripción Técnica de los nuevos diseños de producto personalizado validado analíticamente Contenido Contenido 2 1. Objetivos 3 2. Actividades realizadas Hipótesis de cálculo y datos utilizados. Modelo de cálculo utilizado Descripción de hipótesis de cálculo y condiciones de contorno utilizadas Descripción del modelo de elementos utilizado Propiedades de los materiales Tipo de fallo estudiado Resultados Diagramas de cálculo Resumen. Conclusiones Referencias 30 2 de 30

5 E.4.2. Descripción Técnica de los nuevos diseños de producto personalizado validado analíticamente 1. Objetivos El presente entregable E.4.2. Descripción Técnica de los nuevos diseños de producto personalizado validado analíticamente se encuentra dentro del Paquete de Trabajo 4, Diseño y fabricación de demostradores innovadores del proyecto GENCOR. El proyecto consiste en definir la metodología de diseño, desarrollo, evaluación analítica y fabricación de una generación innovadora de restituciones de estructuras corporales y sistemas de guiado que sirvan como demostradores desarrollados en el proyecto. En el presente entregable se documenta el desarrollo de la parte relativa a la evaluación analítica, que tiene por objeto el estudio del análisis de comportamiento de los siguientes demostradores diseñados previamente: - Plastia craneal integra de cemento óseo - Plastia craneal integra de titanio - Pieza de substitución sacra El análisis a realizar los casos de estudio se va a centrar en comprobar si los modelos resisten bajo las condiciones de carga especificadas en la tarea previa. 2. Actividades realizadas En la realización de los diseños que cumplen con los requisitos definidos previamente en los productos objeto de estudio, se ha trabajado con el equipo multidisciplinar con el que se ha trabajado en la tarea previa del presente proyecto: - los ingenieros y técnicos de AIMME y del IBV: Desde el IBV han participado: - Arturo Gómez y José Luis Peris: Expertos en el campo de los implantes en traumatología y cirugía maxilofacial. - Juan Giménez: Expertos en diseño personalizado de implantes a partir de imagen médica y fabricación aditiva. - Fernando Gómez Sendra: Experto en evaluación de producto Desde AIMME han participado: - Luís Portolés Griñán: Experto en aplicaciones industriales orientadas al mercado. - José Ramón Blasco: Experto en fabricación aditiva orientada hacia aplicaciones industriales. 3 de 30

6 - Olga Jordá Ferrando y David Cuesta: Como expertos en diseño de producto orientado a fabricación aditiva y aplicaciones CAE. - Luís Marín: Como experto en diseño de producto orientado a fabricación aditiva. - Pedro Tomás Luján y Amable Juárez: Expertos en materiales, en el uso de CAD/CAM y en la validación de las piezas mediante ensayos. - Marisa Hernández Llorens: Experta en análisis Químico de aleaciones metálicas. - expertos en diferentes ámbitos de los productos: Empresas del sector: - Z-Vit y Synimed empresas dedicadas a la fabricación en el campo maxilofacial y craneal. Profesionales del sector sanitario: - Miguel Puche: Jefe de Servicio de Maxilofacial del H.Clínico de Valencia. - Antonio Martí: Jefe de Servicio de Trauma del H. Pesset de Valencia. - Vicente Banaclocha: Jefe de Servicio de Neurocirugía del H. General de Valencia. - Teresa Bas: Jefa de la Unidad de Raquis del H. La Fe de Valencia. - Diego López: Miembro fundador del IVOT (Instituto veterinario de ortopedia y traumatología) 4 de 30

7 Descripción de los estudios analíticos realizados Para realizar el cálculo se ha utilizado el método de los elementos finitos. Las hipótesis de análisis, los modelos utilizados, materiales, condiciones de contorno y resultados obtenidos, son descritas en este apartado. 2.1 Hipótesis de cálculo y datos utilizados. Modelo de cálculo utilizado. Las hipótesis de cálculo utilizadas son las siguientes: Se ha utilizado un análisis lineal, es decir, comportamiento del material lineal, condiciones de contorno lineales y pequeños desplazamientos. Análisis de tensiones estático. Comportamiento del material isótropo y homogéneo. Los criterios de fallo utilizados para la obtención de tensiones de comparación serán descritos posteriormente. Se aportó la siguiente información necesaria para la realización de los análisis: 1. Los modelos CAD 3D en formato STL, de los demostradores diseñados. 2. Las características mecánicas de los materiales utilizados para la fabricación de cada uno de los demostradores. 3. Las hipótesis de cálculo y las condiciones de contorno fueron definidas por los técnicos de IBV. Se han analizado los modelos teniendo en cuenta la geometría de la pieza que se considera sólida, no la geometría de la pieza que correspondería a su parte porosa. Ya que incluir este parte de la geometría añadiría una complejidad adicional a la realización del mallado que no se considera relevante para el estudio. 2.2 Descripción de hipótesis de cálculo y condiciones de contorno utilizadas. Plastias craneales. Introducción Los tipos de plastias diseñadas se han ensayado bajo las mismas condiciones, restricciones y con el mismo montaje, con el objetivo de comparar el comportamiento mecánico de ellas y ver si cumplen con los requisitos de diseño definidos en la tarea 4.1. (1) El objetivo de los análisis en las plastias craneales es comprobar el comportamiento de las mismas frente a cargas que pueden provocar traumatismos craneoencefálicos. Se pretende comprobar que las plastias soportan como mínimo el mismo nivel de cargas que el cráneo intacto para asegurarse de que no son más frágiles que el hueso original. 5 de 30

8 Se han realizado análisis estáticos ya que pretenden representar cargas frente a impactos que no se producen de forma habitual en los pacientes. Debido a problemas de compatibilidad de lectura de los ficheros de CAD 3D, entre el software de diseño utilizado para la generación de los modelos, y el software de evaluación mediante elementos finitos, no se ha podido realizar el análisis del modelo correspondiente a la plastia craneal compuesta por pestañas de titanio y plastia craneal de cemento óseo. La complejidad de la geometría generada con el software de diseño, no ha permitido la realización del mallado correspondiente para poder realizar un análisis del modelo. Método La condición inicial del análisis ha sido la aplicación de una carga de N (Figuras 2 y 5). (2) La carga se ha aplicado mediante un aplicador plano, de un Ø de 50 mm. El punto de aplicación de la carga se sitúa en el centro de la plastia, que coincide con el punto con mayor altura. Fijación de las plastias mediante el asentamiento de las mismas sobre las pestañas definidas en cada uno de los diseños, así como de los agujeros pasantes practicados en cada una de las pestañas, por donde se une la plastia a la base del cráneo humano mediante tornillos de titanio (Figuras 1 y 4). (2) Debido a las tensiones producidas en los análisis planteados con la condición inicial de carga, en la plastia de cemento óseo, se realizan unos segundos análisis modificando la hipótesis de carga a N (Figuras 3 y 6), que según estudios realizados previamente en cráneos humanos cadavéricos, es el nivel de carga medio que soporta el cráneo antes de la rotura (Leathaus et al (2012); Yoganandan (1995, 2003). 6 de 30

9 Resumen gráfico Plastia craneal (Cemento Óseo) Fig. 1. Restricciones aplicadas al modelo - Plastia craneal (Cemento Óseo) Fig. 2. Aplicación de la carga (20 kn) - Plastia craneal (Cemento Óseo) 7 de 30

10 Fig. 3. Aplicación de la carga (5 kn) - Plastia craneal (Cemento Óseo) Plastia craneal (Titanio) Fig. 4. Restricciones aplicadas al modelo - Plastia craneal (Titanio) 8 de 30

11 Fig. 5. Aplicación de la carga (20 kn) - Plastia craneal (Titanio) Fig. 6. Aplicación de la carga (5 kn) - Plastia craneal (Titanio) 9 de 30

12 2.3 Descripción del modelo de elementos utilizado. Para discretizar las diferentes partes de los modelos, se han utilizado elementos 3-D de alto orden del tipo tetraedro parabólico, los cuales nos permitirán obtener una distribución de tensiones detallada a lo largo de los elementos. Para el estudio de los elementos comentados se ha utilizado el software ANSYS PROFESIONAL v16. El programa considera un comportamiento elástico y lineal de los materiales. 10 de 30

13 2.4 Propiedades de los materiales. Por indicación de los requerimientos de diseño establecidos previamente, los materiales utilizados y sus características se relatan a continuación. Material Titanio - TI6Al4V-Grado 5 Límite elástico: 920 MPa Límite de tensión a la rotura: 1015 MPa Modulo elástico: 114,6 GPa Coeficiente de Poisson: 0,36 Curva S-N de fatiga: Material Cemento Óseo - PMMA patrón (no acondicionado) Límite elástico: 44 MPa Límite de tensión a la rotura: 44 MPa Modulo elástico: 4,5 GPa Coeficiente de Poisson: 0,18 Material Co28Cr6Mo Límite elástico: 925 MPa Límite de tensión a la rotura: 1200 MPa Modulo elástico: 220 GPa Coeficiente de Poisson: 0,45 Material Titanio Poroso Límite elástico: 180 MPa Límite de tensión a la rotura: 230 MPa Modulo elástico: 3 GPa Coeficiente de Poisson: 0,33 Material Poliamida6 Límite elástico: 58 MPa Límite de tensión a la rotura: 85 MPa Modulo elástico: 2,3 GPa Coeficiente de Poisson: 0,34 11 de 30

14 2.5 Tipo de fallo estudiado. El objetivo del análisis será determinar las tensiones y desplazamientos en nodos y elementos del modelo mallado correspondiente. De este modo se podrá comprobar la distribución de tensiones y si en algún punto se superan las tensiones límite características de cada material, la tensión elástica y de rotura. El objetivo del análisis será determinar tensiones en nodos y elementos, comparando los resultados con el criterio de fallo de von Mises para determinar la validez del diseño. El criterio de tensión máxima de Von Mises está basado en la teoría de von Mises-Hencky (también conocida como teoría del esfuerzo cortante o teoría de máxima distorsión de energía). Esta teoría afirma que el fallo en materiales dúctiles ocurre cuando la energía de distorsión por unidad de volumen del material iguala o supera la energía de distorsión por unidad de volumen del mismo material cuando este es sometido al ensayo de tracción. Esta teoría tiene en cuenta la energía asociada a los cambios de forma del material. El fallo está previsto que ocurra cuando: σ VON MISES = σ LIMITE La tensión equivalente de Von Mises puede ser expresada en términos de tensiones principales como sigue: σ VON MISES La tensión límite σ LIMITE puede ser expresada como un factor del límite elástico del material, por lo tanto: Factor de seguridad: σ LIMITE / σ VON MISES 12 de 30

15 3. Resultados 3.1 Diagramas de cálculo A continuación se recoge un resumen de los análisis de tensiones y deformaciones observadas en los distintos elementos estudiados. Para la comparativa de tensiones se ha tomado el límite elástico del material utilizados para la fabricación de las plastias, para Titanio con un límite elástico de 920 MPa y para el Cemento Óseo un límite elástico de 44 MPa. Se recogen, las tensiones equivalentes de VON MISES basadas en las tensiones principales, que nos indican los puntos con mayor probabilidad de ser críticos y que se pueden comparar directamente con el límite elástico del material, en Newtons por milímetro cuadrado (N/mm2 ó MPa). Plastia craneal (Cemento Óseo) Fig. 9. Deformaciones producidas sobre el modelo (mm) / Carga de 20kN 13 de 30

16 Fig. 10. Deformaciones producidas sobre el modelo (mm) / Carga de 20kN 14 de 30

17 Fig. 11. Tensiones Von Misses soportadas por el modelo (MPa) / Carga de 20kN 15 de 30

18 Fig. 12. Tensiones Von Misses soportadas por el modelo (MPa) / Carga de 20kN 16 de 30

19 Fig. 13. Deformaciones producidas sobre el modelo (mm) / Carga de 5kN 17 de 30

20 Fig. 14. Deformaciones producidas sobre el modelo (mm) / Carga de 5kN 18 de 30

21 Fig. 15. Tensiones Von Misses soportadas por el modelo (MPa) / Carga de 5kN 19 de 30

22 Fig. 16. Tensiones Von Misses soportadas por el modelo (MPa) / Carga de 5kN 20 de 30

23 Plastia craneal (Titanio) Fig. 17. Deformaciones producidas sobre el modelo (mm) / Carga de 20kN 21 de 30

24 Fig. 18. Deformaciones producidas sobre el modelo (mm) / Carga de 20kN 22 de 30

25 Fig. 19. Tensiones Von Misses soportadas por el modelo / Carga de 20kN 23 de 30

26 Fig. 20. Tensiones Von Misses soportadas por el modelo (MPa) / Carga de 20kN 24 de 30

27 Fig. 21. Deformaciones producidas sobre el modelo (mm) / Carga de 5kN 25 de 30

28 Fig. 22. Deformaciones producidas sobre el modelo (mm) / Carga de 5kN 26 de 30

29 Fig. 23. Tensiones Von Misses soportadas por el modelo / Carga de 5kN 27 de 30

30 Fig. 24. Tensiones Von Misses soportadas por el modelo / Carga de 5kN 28 de 30

31 Resumen. Conclusiones Se han cumplido los objetivos previstos en la tarea 4.2 al realizar el estudio de la evaluación analítica de cada demostrador, permitiendo llevar a cabo el análisis de tensiones y desplazamientos, con las cargas y condiciones de contorno, materiales y restricciones, indicadas en el entregable. Del análisis de los resultados obtenidos, se procede a resumir las conclusiones observadas para cada uno de los demostradores evaluados. Plastia craneal (Cemento Óseo) Para el demostrador inicial de plastia craneal fabricada completamente en cemento óseo, se han evaluado las siguientes hipótesis de carga: Hipótesis de carga de 20 kn, considerando las imágenes obtenidas del análisis, se observan importantes deformaciones a lo largo de la pieza (Fig. 9 y 10), que en el punto de aplicación de la carga podrían alcanzar valores de hasta 4,4 mm, estas deformaciones podrían considerarse como muy elevadas, si tenemos en consideración la tipología de pieza y los requerimientos que se le exigen de trabajo. Si tenemos en cuenta las tensiones que se producen (Fig. 11 y 12), siguiendo el criterio de fallo de Von Misses, observamos que aparecen zonas de tensiones superiores al límite elástico muy amplias, y se extienden en un porcentaje muy elevado por toda la pieza, podríamos decir que aproximadamente se extienden entre un 70-80% de la pieza, lo que nos indica que los riesgos de deformaciones permanentes en la pieza y de colapso de la pieza por rotura son muy elevados. Hipótesis de carga de 5 kn, considerando las imágenes obtenidas del análisis, se observan importantes deformaciones a lo largo de la pieza (Fig. 13 y 14), que en el punto de aplicación de la carga podrían alcanzar valores de hasta 1,1 mm, estas deformaciones podrían considerarse como relativamente elevadas, si tenemos en consideración la tipología de pieza y los requerimientos que se le exigen de trabajo. Si tenemos en cuenta las tensiones que se producen (Fig. 15 y 16), siguiendo el criterio de fallo de Von Misses, observamos que aparecen zonas de tensiones superiores al límite elástico importantes, y aunque lógicamente no son tan amplias como en la hipótesis anterior, se concentran en zonas específicas de la pieza que tienen una importancia estructural importante, como es en la zona de aplicación de la carga, así como en las pestañas de unión de la plastia al cráneo. Esto nos indica que los riesgos de deformaciones permanentes en la pieza y de colapso de la pieza por rotura son de relativa consideración, y sería muy recomendable realizar ensayos mecánicos para verificar los resultados del análisis. Plastia craneal (Titanio) Para el demostrador de plastia craneal fabricada completamente en titanio, se han evaluado las siguientes hipótesis de carga: Hipótesis de carga de 20 kn, considerando las imágenes obtenidas del análisis, se observan relevantes deformaciones a lo largo de la pieza (Fig. 17 y 18), que en el punto de aplicación de la carga podrían alcanzar valores de hasta 0,6 mm, estas deformaciones 29 de 30

32 podrían considerarse como ligeramente elevadas, si tenemos en consideración la tipología de pieza y los requerimientos que se le exigen de trabajo. Si tenemos en cuenta las tensiones que se producen (Fig. 19 y 20), siguiendo el criterio de fallo de Von Misses, observamos que aparecen zonas de tensiones superiores al límite elástico, se concentran en zonas específicas de la pieza que tienen una importancia estructural importante, como es en la zona de aplicación de la carga, así como en las pestañas de unión de la plastia al cráneo. Podríamos decir que aproximadamente se extienden sobre un 5 a un 10% de la pieza. Lo que nos indicaría que los riesgos de deformaciones permanentes en la pieza y de colapso de la pieza por rotura podrían producirse, y por lo tanto sería muy recomendable realizar ensayos mecánicos para verificar los resultados del análisis. Hipótesis de carga de 5 kn, considerando las imágenes obtenidas del análisis, se observan deformaciones a lo largo de la pieza (Fig. 21 y 22), que en el punto de aplicación de la carga podrían alcanzar valores de hasta 0,15 mm, estas deformaciones podrían considerarse como aceptables, si tenemos en consideración la tipología de pieza y los requerimientos que se le exigen de trabajo. Si tenemos en cuenta las tensiones que se producen (Fig. 23 y 24), siguiendo el criterio de fallo de Von Misses, observamos que aparecen muy pocas zonas de tensiones superiores al límite elástico. Se concentran principalmente en la zona de aplicación de la carga. Esto nos indica que los riesgos de deformaciones permanentes en la pieza y de colapso de la pieza por rotura son de baja consideración, aunque sería muy recomendable realizar ensayos mecánicos para verificar los resultados del análisis. 4. Referencias 1 Boudrieau RJ: Tibial Plateau Leveling Osteotomy or Tibial Tuberosity Advancement. Vet Surg 38:1-22, Bernd Lethaus, Yara Safi, Mariel ter Laak-Poort, Anita Kloss-Branstätter, Frans Banki, Christian Robbgenmenke, Ulrich Steinseifer, Peter Kessler. Cranioplasty with customized titanium and PEEK implants in a mechanical stress model. Journal of neurotrauma Vol 29, pp Walker. P. Canine Tendon Studies. II. Biomechanical evaluation of normal and regrown canine tendons J. Biomed. Mater. Res. Vol 10, pp Narayan Yoganandan, Frank A. Pintar, Anthony Sances, JR., Patrick R. Walsh, Channing L. Ewing, Daniel J. Thomas, Richard G. Snyder. Biomechanics of skull fracture Journal of neurotrauma, vol 12, number 4, pp Narayan Yoganandan, Frank A. Pintar. Biomechanics of temporo-parietal skull fracture Clinical Biomechanics, vol 19. Pp de 30