Fracture analysis in artroplastic bioengineering materials and optimization in design geometries

YÖK Tez No: 651755 Diz protezleri, çeşitli sağlık problemleri sebebiyle kıkırdak dokunun zarar görmesi sonucunda insan vücudu ile uyumlu biyo-malzemelerden üretimi yapılmaktadır. Bu protezler; kaval kemiği bağlantı elemanı (Tibial Komponent), uyluk kemiği bağlantı elemanı (Femoral Komponent) ve her iki elemanın arasında yer alan UHMWPE (Ultra Yüksek Moleküler Ağırlıklı Polietilen) meydana gelmektedir. Bu protezlerin kullanım ömrü 15–20 yıldır. Hasta durum vakalarında hasta kilo artışı, metalurijik zayıflık ve tasarım hataları yüzünden çok daha erken sürelerde kırıldığı da rapor edilmiştir. Hasta durum raporları bu tezin temellerini oluşturmuştur. Tez çalışmasında yapılan araştırmalar her bir montaj parçası için ayrı ayrı olmak üzere 3 bölümden oluşmaktadır. Her bir bölümde optimum tasarım parametreleri elde edilmiştir. Bununla birlikte Taguchi Metodu ile optimizasyon ve metalurijik özelliklerin emniyet katsayısına etkileri öncelikli olarak incelenmiştir. Bu çalışmalarda elde edilen olumlu sonuçlar ROSVOS ve DMROVAS olmak üzere iki farklı endüstiriyel tasarım geliştirme yönteminin ortaya çıkmasını sağlamıştır. ROSVOS yöntemiyle literatürde ilk defa; tasarım parametrelerinin mukavemet ve hacim değişimlerine etkilerini inceleyen ve klasik analiz hesaplamalarından farklı olarak gerilme dağılımını inceleyerek tasarımda optimizasyon sağlayan bir proses geliştirilmiştir. Ayrıca yazarlar protezlerde gözlenen problemleri yüksek doğruluk, uygulanabilir ve pratik yöntemle çözmek için parametrik bir tasarım yöntemi önermişlerdir. Tibial bir bileşenin optimum tasarım parametrelerini bulmak için yeni bir evrensel tasarım yöntemi (DMROVAS) geliştirilmiştir. Bu önerilen optimum tasarım geliştirme yöntemi yeni bir metot olup ve birçok biyomekanik ürün ve evrensel endüstriyel tasarım için kullanılabilecek bir yöntemdir. Bu çalışmada önerilen parametrik tasarım modeli, güvenlik katsayısı değerlerini %89,9 ve maksimum gerilme hesaplamalarını %95,6 doğruluk oranıyla hesaplayabilmektedir. Knee prostheses are produced from bio-materials compatible with the human body as a result of damage to cartilage tissue due to various health problems. These prostheses are; The shinbone connectors (Tibial Component), the thigh bone connectors (Femoral Component) and UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene) located between the two elements. The usage life of these prostheses is 15-20 years. It has been reported that in patient cases, the patient was broken much earlier due to weight gain, metallurgical weakness and design errors. Patient status reports formed the basis of this thesis. The researches carried out in the thesis work consist of 3 parts, one for each assembly part. Optimum design parameters were obtained in each section. However, only the Taguchi Method optimization, the effects of metallurgical properties on the safety coefficient were first investigated. The positive results obtained in these studies led to the emergence of two different industrial design development methods, ROSVOS and DMROVAS. For the first time in the literature with the ROSVOS method; A process that provides optimization in design has been developed by examining the effects of design parameters on strength and volume changes and by analyzing the stress distribution unlike conventional analysis calculations. In addition, the authors proposed a parametric design method to solve the problems observed in dentures with high accuracy, feasible and practical method. A new universal design method (DMROVAS) has been developed to find the optimum design parameters of a tibial component. This proposed optimal design development method is new and can be used for many biomechanical products and universal industrial design. The parametric design model proposed in this study was able to calculate safety coefficient values with 89,9% accuracy and maximum stress calculations with 95,6% accuracy.