Me pregunto cómo abordar el problema de los reemplazos óseos a base de fibra de carbono. Considerando un fémur, ¿qué desventajas tendría la fibra de carbono bajo los tipos de torsión, compresión, desgaste, etc. que experimenta un fémur biológico?
Sería estupendo que considerase algún método para contrarrestar las desventajas, si las hay. La pregunta asume que la producción no es un problema, pero el diseño sí.
Así que «s Mire los hechos. Los huesos de su cuerpo están hechos de un material que tiene una resistencia a la tracción de 150MPa, una deformación hasta la rotura del 2% y una resistencia a la fractura de 4MPa (m) ½. Para un material estructural que no es bueno. Podemos fabricar aceros aleados que son diez veces mejores en estas tres propiedades. Pero, por supuesto, hay otros factores que debemos tener en cuenta para hacer una comparación válida. El hueso es menos denso que los metales y esto es importante porque el peso de nuestros huesos afecta fuertemente la energía necesaria para moverse. Para hacer un análisis cuantitativo, debemos considerar la geometría y la carga en la estructura. Los huesos principales son en su mayoría de forma tubular, cargados en compresión y flexión. Entonces, una comparación racional es imaginar tubos hechos de diferentes materiales, todos con la misma longitud y diámetro, con sus espesores ajustados para darles el mismo peso. Poniendo algunas dimensiones y propiedades del material típicas, encontramos que las tensiones en un hueso hecho de aleación de titanio, por ejemplo, serían aproximadamente 1,3 veces más altas que en un hueso del mismo peso, hecho de hueso. Pero la aleación de titanio es 5 veces más fuerte, por lo que obviamente su factor de seguridad es mucho mayor.
Comentarios
- Hola Garet, votaría negativamente porque no hay una pregunta específica de física, o irónicamente, algunos podrían argumentar que hay demasiadas para esta pregunta y respuesta. Lo siento
- np, ¿podrías sugerir una alcance para reducir la gama de preguntas? Intenté hacerlo reduciendo las cosas a la forma y el rango de uso que experimenta un fémur. principalmente torsión y compresión: no se esperaban cosas como los efectos químicos del bioma.
Respuesta
Un simple pregunta para abordar una gama tan amplia de cuestiones.
Se supone que se utilizarían sistemas de resinas biocompatibles / flexibles. Como la resistencia de CFRP es más que la tensión ósea natural en compresión / flexión, sería mucho mejor en función si se considerara por separado.
Que dicho descanso es difícil de satisfacer … 1) la dirección de la fibra es importante si La función de la Naturaleza se desarrolla después de tantos miles de años de evolución si se intenta artificialmente la «ingeniería inversa». 2) Se debe saber con precisión que la variación de la rigidez local está duplicada en la colocación de las fibras.
El diagrama de hueso estructura & orientación muestra la disposición de la materia ósea (sándwich hueco). Los filamentos óseos corren a lo largo de $ \ pm 45 ^ 0 $ en el medio de la diáfisis del fémur, así como en la región del cuello arriba. La fuerza entra normal en cualquier extremo en las regiones trabecular y cóndilo. La fuerza de interfaz resultante debe ser normal a la fuerza transmitida para no inducir grietas / delaminación por debilidad de tensiones interlaminares y efectos de tensión en los bordes en la construcción laminada.
¿Cómo pensarían los profesionales ¿Se hará el elemento tético? … esa es la pregunta más importante. El diablo está en los detalles … más o menos uno ve el diseño con materiales compuestos. No se permite ningún diseño excesivo o incorrecto. El material no debe estar donde no se requiera sin un requisito funcional. El material debe colocarse en la cantidad correcta y en la dirección correcta.
Como una posibilidad, se debe enrollar una tela de carbono con más capas en las extremidades e insertarla en una cavidad de molde de metal y curar con resina caliente. Se necesita un diseño / análisis FEM después de considerar FMECA que son médicamente bien conocidos. Deben conocerse las cargas y su combinación en el cuello de la articulación esférica / cavidad / pelvis. La resistencia a la torsión requerida en la rótula puede necesitar bolsillos ricos en silicona para la absorción de impactos en las proximidades de las dos articulaciones.
Las desventajas del compuesto de fibra de carbono / grafito dependen de la conformidad del grado de rigidez en la distribución de la tensión multiaxial.
Puede ser que la impresión 3D de cerámica proporcione una mejor ruta de conducción de tensión que el moldeo por inyección o el moldeo por tela de carbón / grafito para obtener rigidez, flexibilidad y control de la dirección de la veta.
Comentarios
- ¡gracias por la respuesta detallada! Dejo las preguntas durante un par de días por si acaso, marcadas como correctas. como referencia, ' estoy fascinado de que hayas ofrecido un comienzo en el método de fabricación. Gracias.' notaré que cuando mencionas estrés multiaxial, algunos artículos sugieren la introducción de venas con alta impureza y tamaño de grano pequeño. Tal vez sumerja algunas de las telas en una solución adicional de algún tipo.
- [Chunni] [2] Solía preguntarme la combinación de telas, cuerdas de acero enrolladas en espiral, múltiples y retorcidas) direcciones reqd design / fabn [2] : google.co.in/… :