Analisi FEM per la valutazione meccanica di placche per osteotomia tibiale

Vanetti, Stefano (2016) Analisi FEM per la valutazione meccanica di placche per osteotomia tibiale. Bachelor thesis, Scuola Universitaria professionale della Svizzera italiana (SUPSI).

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Abstract

Il seguente lavoro di tesi riguarda lo studio ed il confronto tra le diverse soluzioni biomeccaniche di osteotomia tibiale con diverse configurazioni di fissaggio. Il committente, Medacta International SA, con sede a Castel San Pietro, intende sviluppare un nuovo design di placca e sistema di fissaggio innovativi. Attraverso l’analisi ad elementi finiti si vogliono ottenere informazioni riguardanti i differenti aspetti quali indici del regime di sollecitazione sull’osso e sulle componenti degli impianti, indice di stabilità strutturale e di rigidezza del sistema osso piú placca. Viene quindi richiesta l’individuazione della soluzione mesh piú efficace in termini di accuratezza dei risultati delle simulazioni e degli indici di confronto. Inoltre un nuovo design di placca e sistemi di fissaggio dovrà essere analizzato e confrontato con i modelli in produzione ad oggi quali Tomofix® e Puddu®. In primo approccio è stato necessario eseguire un’attenta analisi riguardo la biomeccanica e l’anatomia dell’arto libero inferiore, ricavandone dati rilevanti i punti di applicazione del carico e alle aree di contatto, fornendo una panoramica sull’operazione di osteotomia tibiale e confrontando i differenti metodi di fissazione fin ora utilizzati (Tomofix®, Puddu® iBalance®). Eseguita un’analisi bibliografica sulle differenti tecniche di modellazione ad elementi finiti, si definiscono i carichi, le boundary conditions e i contatti idonei alle simulazioni. Viene quindi deciso di fissare in tutti i suoi gradi di libertà la parte distale della tibia, applicando un carico di 2750 N sui piatti tibiali distribuiti per il 60% nel comparto mediale e il restante sul comparto laterale. Il sostituto osseo sarà trascurato e i contatti tra viti e regione corticale saranno modellati come contatti di tipo glue. L’interfaccia tra placca e superficie ossea sarà modellata senza compenetrazione normale e con attrito tangenziale pari a 0.3. L’osso sarà modellato come composito costituito da osso trabecolare (interno) e corticale (esterno) considerando i seguenti moduli elastici e coefficienti di Poisson: ����� = 17 ��, ���� = 0.33 e ����� = 5 ��, ���� = 0.33. Una volta strutturato il modello ad elementi finiti è stato necessario redigere degli indici di sensitività della mesh al fine di garantire un adeguata accuratezza degli indici di confronto estratti. Per quanto riguarda le tensioni agenti sulle placche, il modello Puddu® ottiene i minor valori rilevati con 575 MPa; al contrario per i sistemi di fissaggio, elemento causa di fallimento del suddetto impianto nel 21% dei casi, subiscono i massimi valori di tensione rispetto a tutte le altre placche con 718 MPa. Inoltre sono la miglior soluzione in termini di stabilità strutturale della sezione dell’osteotomia e in termini di rigidezza del sistema osso piú placca. Anche il modello con fissatore Tomofix® ha ottenuto buoni risultati riguardanti le tensioni sulla placca, la rigidezza del sistema e la stabilità strutturale. I sistemi di fissaggio sono comunque l’elemento maggiormente sollecitato, probabilmente anche a causa dell’assenza del wedge. Tensioni piú elevate rispetto agli altri impianti sono state invece rilevate sulla superficie delle placche a doppia T; anche le rigidezze e la stabilità strutturale sono inferiori. Nonostante ciò i risultati ottenuti dalle analisi effettuate denotano elevati margini di miglioramento dei differenti design di placca a doppia T, applicando modifiche legate alla geometria della sezione centrale e dello spaziatore. Inoltre, i design di placche fin ora analizzati garantiscono una riduzione delle tensioni agenti sui sistemi di fissazione e sui fori, zone particolarmente critiche e causa di fallimento degli impianti.

Item Type: Thesis (Bachelor)
Subjects: Meccanica
Divisions: Dipartimento tecnologie innovative > Ingegneria meccanica
URI: http://tesi.supsi.ch/id/eprint/1042

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