Zastanawiam się, jak podejść do problemu protez kości opartych na włóknie węglowym. Biorąc pod uwagę kość udową, jakie wady miałoby włókno węglowe pod wpływem skręcania, ściskania, zużycia itp. Doświadczanych przez biologiczną kość udową?
Byłoby wspaniale, gdybyś pomyślał o metodach przeciwdziałania wadom, jeśli takie istnieją. Pytanie zakłada, że produkcja nie jest problemem, ale projekt.
A więc niech spójrz na fakty. Kości w twoim ciele są wykonane z materiału o wytrzymałości na rozciąganie 150 MPa, odkształceniu do zerwania 2% i odporności na pękanie 4 MPa (m) ½. Jak na materiał konstrukcyjny, który nie jest dobry. Możemy wytwarzać stale stopowe, które są dziesięciokrotnie lepsze we wszystkich trzech z tych właściwości. Ale oczywiście istnieje kilka innych czynników, które musimy wziąć pod uwagę, aby dokonać ważnego porównania. Kość jest mniej gęsta niż metale i jest to ważne, ponieważ waga naszych kości silnie wpływa na energię potrzebną do poruszania się. Aby przeprowadzić analizę ilościową, musimy wziąć pod uwagę geometrię i obciążenie konstrukcji. Kości główne mają przeważnie kształt rurkowaty, obciążone ściskaniem i zginaniem. Zatem racjonalnym porównaniem jest wyobrażenie sobie rur wykonanych z różnych materiałów, z których wszystkie mają tę samą długość i średnicę, a ich grubość jest dostosowana tak, aby nadać im taką samą wagę. Biorąc pod uwagę typowe wymiary i właściwości materiału, stwierdzamy, że naprężenia w kości wykonanej na przykład ze stopu tytanu byłyby około 1,3 razy większe niż w kości o tej samej wadze, wykonanej z kości. Ale stop tytanu jest 5 razy mocniejszy, więc oczywiście jego współczynnik bezpieczeństwa jest znacznie wyższy.
Komentarze
- Cześć Garet, zagłosowałbym negatywnie, ponieważ nie ma konkretnego pytania z fizyki lub, jak na ironię, niektórzy mogą twierdzić, że jest ich zbyt wiele na te pytania i odpowiedzi. Przepraszam.
- np. możliwość ograniczenia zakresu pytań? Próbowałem to zrobić, zawężając rzeczy do kształtu i zakresu zastosowania, jakiego doświadcza kość udowa. głównie na skręcanie i ściskanie – nie spodziewano się takich rzeczy, jak chemiczne skutki biomu.
Odpowiedź
Prosta pytanie dotyczące tak szerokiego zakresu problemów.
Zakłada się, że zostaną użyte bio-kompatybilne / elastyczne systemy żywic. Ponieważ wytrzymałość CFRP jest czymś więcej niż naturalnym naprężeniem kości przy ściskaniu / zginaniu, jego działanie byłoby o wiele lepsze, gdybyśmy rozważali je oddzielnie.
Ta reszta jest trudna do spełnienia. 1) kierunek włókien jest ważny, jeśli Funkcja Natury rozwinęła się po tylu tysiącach lat ewolucji, jeśli sztucznie próbuje się „inżynierii odwrotnej”. 2) Należy dokładnie wiedzieć, że lokalna zmienność sztywności jest powielana w rozmieszczeniu włókien.
Schemat kości struktura & orientacja pokazuje rozmieszczenie (pustej kanapki) materii kostnej. Włókna kostne biegną wzdłuż $ \ pm 45 ^ 0 $ pośrodku trzonu kości udowej, jak również w okolicy szyi powyżej. Siła wchodzi normalnie na obu końcach w obszarach beleczkowatych i kłykciowych. Wynikowa siła rozdziału powinna być normalna do przenoszonej siły, aby nie wywoływać pęknięcia / rozwarstwienia przez osłabienie naprężenia międzywarstwowe i skutki naprężenia krawędzi w konstrukcji laminowanej.
Jak by to zrobili zawodowcy? element teoretyczny? .. to jest ważniejsze pytanie. Diabeł tkwi w szczegółach… a przynajmniej tak patrzy się na projekt z kompozytów. Żadne nadbudowy / nieprojektowanie nie jest dozwolone. Materiał nie powinien znajdować się tam, gdzie nie jest wymagany bez wymagań funkcjonalnych. Materiał należy umieścić w odpowiedniej ilości i we właściwym kierunku.
Jedną z możliwości jest tkanina węglowa z większą liczbą warstw na końcach, która powinna być zwinięta i włożona do metalowego gniazda formy i utwardzona żywicą na gorąco. Analiza projektu / MES jest potrzebna po rozważeniu FMECA, które są dobrze znane medycznie. Należy znać obciążenia i ich kombinację w stawie kulowym / panewkowym / miednicznym. Wymagana wytrzymałość na skręcanie w nakolanniku może wymagać Kieszenie bogate w silikon do pochłaniania wstrząsów w pobliżu dwóch stawów.
Wady z kompozytem z włókna węglowo-grafitowego zależą od stopnia sztywności przy wieloosiowym rozkładzie naprężeń.
Może to być druk 3D ceramiki, który zapewnia lepszą ścieżkę przewodzenia naprężeń niż stosowanie formowania wtryskowego lub formowania tkanin z węgla / grafitu w celu uzyskania elastyczności sztywności i kontroli kierunku ziarna.
Komentarze
- dziękuję za szczegółową odpowiedź! Zostawiam pytania na kilka dni na miarę, zaznaczone jako prawidłowe. dla odniesienia, ' byłem zafascynowany, że zaproponowałeś początek metody produkcji – dzięki.' Zwrócę uwagę, że tam, gdzie wspominasz o wieloosiowym stresie, niektóre artykuły sugerują wprowadzenie żył o dużym zanieczyszczeniu i małym rozmiarze ziarna. Być może zanurzyć część tkanin w jakimś dodatkowym roztworze.
- [Chunni] [2] Zastanawiałem się, jak kombinacja tkanin wielokrotnie skręcona .. zwinięte liny stalowe) odpowiada wymaganiom design / fabn [2] : google.co.in/… :