89-91 - Polskie Stowarzyszenie Biomateriałów

96 o średnicy d 1=1,0mm i kącie 2κ 2=120°
na krawędziach tnących w obszarze
ścinu przy maksymalnym obciążeniu
siłą F=100N. Wartości te wynosiły odpowiednio
ε max=1,49% i σ max=3253MPa
– TABELA 1, RyS. 3 .
wyniki analizy stanu odkształceń i naprężeń
zredukowanych - wariant ii
Wyniki analizy wytrzymałościowej dla
trzech wartości średnic wiertła o zróżnicowanej
geometrii ostrza (2κ 1=90°
i 2κ 2=120 o ) i wytypowanych wartości
obciążeń F zestawiono w TABELI 2. W
tej części pracy skoncentrowano się
głównie na analizie wytrzymałościowej
części wiertła w obszarze kontaktu łysinki
w zamodelowanym otworze w tkance
korowej – RyS 2b. Wyniki przeprowadzonych
obliczeń wskazują na zróżnicowany
rozkład wartości odkształceń i naprężeń
w tej części wiertła. Spośród wszystkich
analizowanych wariantów obliczeń największe
wartości odkształceń i naprężeń zredukowanych
występowały w wiertle o średnicy d 1=1,0mm i kącie 2κ 2=120 o
przy obciążeniu siłą F=100N w części narzędzia kontaktującego
się z uprzednio zamodelowanym otworem w kości
udowej. Wartości te wynosiły odpowiednio ε max=1,27% i
σ max=795MPa – TABELA 2, RyS.4.
podsumowanie
średnica wiertła
Diameter of he drill,
d [mm]
Kśt wierzchołkowy
Point angle
2k, [º]
W pracy przeprowadzono analizę wytrzymałościową
wiertła chirurgicznego w warunkach symulujących proces
wiercenia w kości. Analizę przeprowadzono dla dwóch
wariantów procesu wiercenia. Wariant I przeprowadzonej
analizy, obejmujący proces wiercenia w obrębie pojedynczej
warstwy tkanki korowej kości udowej, miał na celu określenie
prawidłowej wartości kąta wierzchołkowego 2κ. Na
podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że niezależnie
od analizowanej średnicy wiertła d i wartości obciążenia F
największe wartości odkształceń i naprężeń zredukowanych
występują dla kąta wierzchołkowego 2κ 2=120 o - TABELA 1,
RyS.3. Zatem korzystniejszym rozwiązaniem jest stosowanie
wierteł o kącie wierzchołkowym 2κ 1=90 o . Mniejsze wartości
odkształceń i naprężeń występujące w tym przypadku
mogą decydować o poprawie trwałości użytkowej wierteł
chirurgicznych. Ponadto stwierdzono, że maksymalne
wartości naprężeń zredukowanych w wiertle o średnicy
d 1=1,0mm dla obydwu wartości kąta 2κ przy obciążeniu siłą
F>20N przekraczają wartość granicy plastyczności materiału
metalowego stosowanego do wytwarzania tej postaci
narzędzi (R p0,2=650MPa). Zatem konsekwencją stosowania
większych obciążeń w procesie wiercenia z wykorzystaniem
tej postaci wiertła może być jego zniszczenie.
kolejny etap pracy (wariant II), z uwagi na występujące
przypadki łamania się wierteł w obszarze pierwszej warstwy
tkanki korowej kości, miał na celu wyznaczenie rozkładu
odkształceń i naprężeń w części narzędzia kontaktującej się
z uprzednio zamodelowanym otworem w kości – RyS.2b.
Spośród wszystkich analizowanych wariantów obliczeń
największe wartości odkształceń i naprężeń zredukowanych
dla obydwu wartości kąta 2κ występowały w przypadku
wiertła o średnicy d 1=1,0mm przy obciążeniu siłą F=100N
w obszarze znajdującym się powyżej warstwy korowej
kości udowej – TABELA 2, RyS.4. Dla wyznaczonego w
wariancie I dopuszczalnego obciążenia F=20N wierteł
o średnicy d 1=1,0mm maksymalne wartości naprężeń
Odkształcenia
zredukowane
Strain
śmax , [%]
Siła / Force
F, [N]
point angle 2κ 2=120°.
The maximum values
of strains and stresses
were observed in drill for
diameter d 1=1,0mm and
point angle 2κ 2=120°
in cutting edge, nearly
to chisel edge for
maximum loaded with
the force F=100N for
every variants of calculations.
The values were
equal to ε max=149% and
σ max=3253MPa respectively
– TAB.1, FIG.3.
results of analysis
of strain and stress
determination - variant
ii
Results of strength
analysis for three values
of drill diameter and different
geometry of the edge (2κ 1=90° and 2κ 2=120 o ) as well
as load values F are presented in TABLE 2. In this part of
the work one has been concentrated mainly on the strength
analysis of the part of drill in the area of drill margin contact
in the simulated hole of cortical bone - FIG.2b. Results of
the analysis indicate different values of strains and stresses
in the this part of the tool. The maximum values of strains
and stresses were observed in drill for diameter d 1=1,0mm
and point angle 2κ 2=120° loaded with the force F=100N
in part of tool being in the contact with the hole simulated
previously in the femur. The values were equal to ε max=1,27%
and σ max=795MPa respectively – TAB.2, FIG.4.
Conclusions
Naprśśenia zredukowane
Stress
śmax , [MPa]
Siła / Force
F, [N]
20 60 100 20 60 100
1,0 90 0,21 0,64 1,07 156 470 784
120 0,25 0,76 1,27 159 477 795
4,5 90 0,02 0,08 0,13 39 110 182
120 0,03 0,09 0,15 43 124 204
9,0 90 0,01 0,05 0,09 22 63 104
120 0,02 0,06 0,10 42 119 197
tabela 2. wyniki analizy numerycznej-wariant ii.
table 2. results of numerical analysis-variant ii.
The work presents results of the strength analysis of a
surgical drill during bone drilling. The analysis for two variants
of drilling was carried out. The aim of the first variant
of the analysis concerning the drilling in the single cortical
bone of femur was to determine the correct values of point
angle 2κ. On the basis of the analysis it was affirmed that
independently of the drill diameter d and load values F the
maximum values of strains and stresses were observed
in tools for point angle 2κ 2=120 - TAB.1, FIG.3. The best
resolution is applied of the drill for point angle 2κ 1=90 o . The
lower values of strains and stresses can decide about the
improvement of usage durability of surgical drills. Additionally
it was affirmed that maximum values of the stresses in
drill for diameter d 1=1,0mm for both values of point angle 2κ
loaded with the force F>20N, exceed the yield point of the
metallic material of the tool (R p0,2=650MPa). So the consequence
of the use of higher loading in the drilling process
with this type of drill can be its destruction.
The next stage of the work (variant II), due to often
cases breaking of drills in the area of first layer of cortical
bone was to determine the strains and stresses distribution
in the part of tool being in the contact with the hole
simulated previously in the bone – FIG.2b. The maximum
values of strains and stresses for both values of point
angle 2κ were observed in drill for diameter d 1=1,0mm
loaded with the force F=100N in place localized above
the cortical bone for every variants of calculations –
TAB.2, FIG.4. For the maximum loading F=20N of drills
d 1=1,0mm determined in variant I the maximum values of
the stresses were equal to σ max=156MPa (for point angle