Estou pensando em como abordar o problema das substituições ósseas à base de fibra de carbono. Considerando um fêmur, quais desvantagens a fibra de carbono teria sob os tipos de torção, compressão, desgaste e rasgamento, etc. experimentados por um fêmur biológico?
Seria ótimo se você considerasse quaisquer métodos para combater as desvantagens, se houver. A questão assume que a produção não é um problema, mas o design é.
Então vamos “s veja os factos. Os ossos do seu corpo são feitos de material com uma resistência à tracção de 150 MPa, uma tensão até à falha de 2% e uma resistência à fractura de 4 MPa (m) ½. Para um material estrutural que não é bom. Podemos fazer ligas de aço dez vezes melhores em todas as três propriedades. Mas é claro que há alguns outros fatores que precisamos levar em consideração para fazer uma comparação válida. O osso é menos denso do que os metais e isso é importante porque o peso dos ossos afeta fortemente a energia necessária para se mover. Para fazer uma análise quantitativa, precisamos considerar a geometria e o carregamento na estrutura. Os principais ossos são em sua maioria tubulares, carregados de compressão e flexão. Portanto, uma comparação racional é imaginar tubos feitos de materiais diferentes, todos com o mesmo comprimento e diâmetro, com suas espessuras ajustadas para dar a todos o mesmo peso. Colocando em algumas dimensões e propriedades do material típicas, descobrimos que as tensões em um osso feito de liga de titânio, por exemplo, seriam cerca de 1,3 vezes maiores do que em um osso do mesmo peso, feito de osso. Mas a liga de titânio é 5 vezes mais forte, então obviamente seu fator de segurança é muito maior.
Comentários
- Oi Garet, eu votaria negativamente porque não há nenhuma pergunta específica de física ou, ironicamente, alguns podem argumentar que há muitas delas para esta pergunta e resposta. Desculpe
- np, você poderia sugerir uma escopo para reduzir o leque de perguntas? Tentei fazer isso restringindo as coisas à forma e ao alcance do uso que um fêmur experimenta. principalmente torção e compressão – coisas como efeitos químicos do bioma não eram esperadas.
Resposta
Um simples questão para abordar uma ampla gama de questões.
Presume-se que sistemas de resina biocompatível / flexível seriam usados. Como a resistência CFRP é mais do que a tensão óssea natural na compressão / flexão, seria muito melhor em função se considerada separadamente.
Esse descanso é difícil de satisfazer … 1) a direção da fibra é importante se a função da Natureza desenvolvida após tantos milhares de anos de evolução se a “engenharia reversa” for tentada artificialmente. 2) A variação local de rigidez deve ser conhecida com precisão por ser duplicada na colocação da fibra.
O diagrama do osso estrutura & orientação mostra a disposição da matéria óssea (sanduíche oca). Filamentos ósseos correm ao longo de $ \ pm 45 ^ 0 $ no meio da haste do fêmur, bem como na região do pescoço acima. A força entra no normal em qualquer extremidade nas regiões trabecular e côndilo. A força de interface resultante deve ser normal à força transmitida de modo a não induzir rachadura / delaminação por fraqueza de tensões interlaminares e efeitos de tensões de borda em construção laminada.
Como os profissionais elemento tético ser feito? .. essa é a questão mais importante. O diabo está nos detalhes … ou então vemos o design com os compostos. Nenhum over / undesign é permitido. O material não deve estar onde não é necessário, sem um requisito funcional. O material deve ser colocado na quantidade certa e na direção certa.
Como uma possibilidade, um pano de carbono com mais camadas nas extremidades deve ser enrolado e inserido em uma cavidade de molde de metal e curado com resina a quente. Uma análise de projeto / FEM é necessária após considerar FMECA que são clinicamente bem conhecidos. As cargas e suas combinações no colo da articulação da esfera / encaixe / pelve devem ser conhecidas. A força de torção necessária na rótula pode precisar de bolsos ricos em silicone para absorção de choque nas proximidades das duas articulações.
As desvantagens do composto de fibra de carbono / grafite dependem da conformidade com o grau de rigidez na distribuição de tensão multiaxial.
Pode ser que a impressão 3D de cerâmica forneça um caminho de condução de tensão melhor do que usar moldagem por injeção ou carbono / grafite de moldagem de tecido para flexibilidade de rigidez e controle de direção de grão.
Comentários
- obrigado pela resposta detalhada! Eu deixo perguntas por alguns dias para uma boa medida, marcadas como corretas. para referência, eu ' estou fascinado por você ter oferecido um método de início de fabricação – obrigado.Eu ' observarei que, onde você menciona estresse multiaxial, alguns artigos sugerem a introdução de veias com alta impureza e tamanho de grão pequeno. Talvez mergulhe alguns dos panos em uma solução extra de algum tipo.
- [Chunni] [2] Eu costumava imaginar combinação de tecido multi-torcido … cordas de aço em espiral) aborda reqd design / fabn [2] : google.co.in/… :