Jag undrar hur man ska ta itu med problemet med kolfiberbaserade benersättningar. Med tanke på en lårben, vilka nackdelar skulle kolfiber ha under de typer av vridning, kompression, slitage osv … som en biologisk lårben upplever?
Det skulle vara bra om du råkar överväga några metoder för att motverka nackdelar, om några. Frågan förutsätter att produktion inte är ett problem men design är.
Så låt oss titta på fakta. Benen i din kropp är gjorda av material som har en draghållfasthet på 150MPa, en belastning till fel på 2% och en fraktur seghet på 4MPa (m) ½. För ett strukturellt material som inte är bra. Vi kan tillverka legerade stål som är tio gånger bättre i alla dessa tre egenskaper. Men naturligtvis finns det några andra faktorer som vi måste ta hänsyn till för att göra en giltig jämförelse. Ben är mindre tät än metaller och detta är viktigt eftersom vikten av våra ben påverkar kraftigt den energi som behövs för att röra sig. För att göra en kvantitativ analys måste vi ta hänsyn till geometrin och belastningen på strukturen. De viktigaste benen är oftast rörformade, belastade i kompression och böjning. Så en rationell jämförelse är att föreställa sig rör tillverkade av olika material, alla med samma längd och diameter, med deras tjocklekar justerade för att ge dem alla samma vikt. Genom att lägga in några typiska dimensioner och materialegenskaper finner vi att spänningarna i ett ben tillverkat av exempelvis titanlegering skulle vara ungefär 1,3 gånger högre än i ett ben av samma vikt, tillverkat av ben. Men titanlegeringen är fem gånger starkare så uppenbarligen är säkerhetsfaktorn mycket högre.
Kommentarer
- Hej Garet, jag skulle nedrösta eftersom det inte finns någon specifik fysikfråga, eller ironiskt nog, vissa kan hävda att det finns alldeles för många av dem för denna fråga och A. Tyvärr
- np, kan du kanske föreslå en utrymme för att minska antalet frågor? Jag försökte göra det genom att begränsa saker till formen och användningsområdet som en lårben upplever. mestadels torsion och kompression – saker som biomens kemiska effekter förväntades inte.
Svar
Ett enkelt fråga för att ta itu med ett så brett spektrum av frågor.
Det antas att biokompatibla / flexibla hartssystem skulle användas. Eftersom CFRP-styrka är mer än naturlig benstress vid kompression / böjning skulle det vara mycket bättre i funktion om man betraktar det separat ..
Att vila är svårt att tillfredsställa..1) fiberriktningen är viktig om Naturens funktion utvecklades efter så tusentals år av utveckling om ”omvänd-teknik” försöks på ett konstgjort sätt. 2) Lokal styvhetsvariation bör vara exakt känd för att dupliceras i fiberplacering.
Diagrammet över ben struktur & orientering visar disposition av (ihålig sandwich) benmaterial. Benfilament löper längs $ \ pm 45 ^ 0 $ i mitten av femuraxeln såväl som i nackeområdet ovan. Kraften går normalt i vardera änden i de trabekulära och kondylområdena. Gränssnittskraften som resulterar bör vara normal för den överförda kraften för att inte inducera sprickor / delaminering genom svaghet interlaminära spänningar och kantspänningseffekter i laminerad konstruktion.
Hur skulle proffsen det teetiska elementet görs? .. det är den viktigaste frågan. Djävulen är i detalj .. eller så ser man design med kompositer. Ingen över / undesign är tillåten. Material bör inte vara där det inte krävs utan ett funktionskrav. Material ska placeras i rätt mängd och i rätt riktning.
Som en möjlighet bör en kolduk med fler lager i extremiteter rullas och sättas in i en metallformhålighet och härdas med hett harts. En design / FEM-analys behövs efter att FMECA har beaktats som är medicinskt kända. Belastningar och deras kombination vid kulan / uttaget / bäckenförbandet ska vara känt. Torsionsstyrka som krävs vid knäskyddet kan behöva silikonrika fickor för stötdämpning i närheten av de två fogarna.
Nackdelar med komposit av kolfiber / grafitfiber beror på överensstämmelsen av styvhetsgraden vid multiaxiell spänningsfördelning. / p>
Kan vara 3D-tryckning av keramik ger en bättre spänningsledningsväg än att använda formsprutning eller tygformning kol / grafit för styvhetsflexibilitet och kornriktningskontroll.
Kommentarer
- tack för det detaljerade svaret! Jag lämnar frågor upp för ett par dagar för gott mått, markerade korrekt. som referens, jag ' jag fascinerade att du erbjöd en tillverkningsmetod – tack.Jag ' Observera att när du nämner multiaxiell stress, föreslår vissa papper att man introducerar vener med hög förorening och liten kornstorlek. Doppa kanske en del av dukarna i en extra lösning av något slag. : google.co.in/… :