Master in Bioingineria protezarii de curs/Facultatea de... · Principalele aplicatii ale...

Master in Bioingineria protezarii

• Cursul: TEHNICI CAD/CAM

• Facultatea de Bioinginerie medicala,

UMF Iasi

Cursul 1

Introducere in tehnicile CAD/CAM

Defintii

Terminologie

Exemple

Definitii

CAD este un termen care descrie utilizarea

calculatorului in desenare si proiectare

CAM este un termen care descrie utilizarea

calculatorului in fabricarea produselor

Principalele aplicatii ale

tehnologiilor CAD/CAM

Industrie, transporturi, constructii,

arhitectura, medicina etc

Medicina:

stomatologie, ortopedie, (protezare, ortezare),

fabricarea dispozitivelor medicale si a

dispozitivelor assistive etc.

Fabricarea protezelor

Cele mai raspandite tipuri de proteze

Proteze cosmetice

Mansoane

Dispozitive exoscheletale

Mana mecanica Otto Bock- C leg

Implanturi ortopedice

Proteza de genunchi

Proteza de sold

Cauzele amputatiilor

Boli vasculare, diabet and si situatii derivate – Peste 60 ani

Accidente: de automobil sau motocicleta, cancer (cancer osos si tumori) – Traume prin taiere (roti de vehicule,, masini unelte)

– Membre rupte

– Osteomielita sau alte infectii

– Boli congentitale sau deficiente ale membrelor

– Razboi sau dezastre naturale

PARTICIPA la protezare: pacient, chirurg, asistent, fizioterapeut, protezist si bioinginer

Obiectivele principale la fabricarea

unei proteze

Stabilirea caracteristicilor: Caietul de sarcini;

Proiectarea modelului 2D sau 3D cu mijloace de

tip CAD;

Fabricarea unui ptototip si testarea (validarea)

modelului;

Fabricarea cu mijloace clasice sau de tip

CAD/CAM

Fabricarea dispozitivelor protetice

Clasificarea modului de fabricare

dupa marimea productiei

Proteze si componente fabricate ca unicate (prototipuri sau personalizate)

Fabricatie manuala

Fabricatie cu tehnologii CAD/CAM

Fabricatie cu tehnologii de fabricare rapida (prototipare rapida)

Proteze si componente fabricate in serie mare

Fabricatie cu tehnologii clasice (masini unelte clasice)

Fabricatie cu tehnologii CAD/CAM

Fabricatie cu tehnologii de fabricare rapida (prototipare rapida)

Fabricarea de proteze unicate

(personalizate)

Fabricarea manuala:

Cu mijloace CAD/CAM:

Cu mijloace de fabricare rapida (prototipare rapida):

Fabricarea de proteze si componente

in serie mare

• Cu mijloace CAD/CAM:

Cu mijloace de fabricare rapida (prototipare rapida):

Procedee de fabricare a dispozitivelor

protetice

Realizarea unei proteze personalizate in varianta manuala (ex: rproducerea unui manson)

Realizarea unei proteze personalizate in varianta CAD/CAM (ex: producerea unui

manson

Realizarea unor dispozitive medical in serie mare in varianta CAD/CAM

Realizarea unei proteze personalizate prin fabricarea rapida

Fabricarea unui manson in varianta

clasica - principalele faze

Mulajul negativ Mulajul pozitiv Mansonul final

Confortul protezelor intre acceptare si respingere

I. Caietul de sarcini in protezare

Cerinte clinice: necesitatea refacerii

functionale sau estetice a unui segment

anatomic

Conceptul de implant: modelul poate proveni

de la un model existent sau se pleaca de la

pricipiile de concepere teoretice

Norme de functionare, fabricare si omologare:

Genunchi VARUM Deformarea cea mai frecventa

Uzura compartimentului

intern

Genunchi VALGUM

Uzura compartimentului

extern

Caietul de sarcini

Exemplu de cerinte si caracteristici clinice

Uzura cartilajului femuro-tibial

diagnostic

Stadiul 1 Stadiul 2 Stadiul 3 Stadiul 4

Introducerea

GonartrozaGonartrozaGonartrozaGonartroza: : : : uzurauzurauzurauzura cartilajelorcartilajelorcartilajelorcartilajelor genunchiuluigenunchiuluigenunchiuluigenunchiului

Caietul de sarcini

Exemplu de caracteristici clinice

Caietul de sarcini


CoxartrozaCoxartrozaCoxartrozaCoxartroza: : : : uzurauzurauzurauzura cartilajelorcartilajelorcartilajelorcartilajelor solduluisolduluisolduluisoldului

Caietul de sarcini


OsteonecrozaOsteonecrozaOsteonecrozaOsteonecroza: : : : mmmmoarteaoarteaoarteaoartea osuluiosuluiosuluiosului prinprinprinprin oprireaoprireaoprireaoprirea vascularizariivascularizariivascularizariivascularizarii

Exemple de conditii in caietul de sarcini

Materiale permise: numai materiale biocompatibile

Rezistenta mecanica:

- Proteza de sold: solicitari (sarcini) care ajung la

de 4x greutatea corpului

- Proteza de genunchi: solicitari (sarcini) care ajung 8x greutatea corpului

Rezistenta la oboseala: peste un milion de cicluri !

Rezistenta la uzura: indicare coeficient de frecare

Rezistenta la coroziune: functionare in mediu biologic

Caietul de sarcini

Conceptul implantului (modelul)

Exemple:

Tija dreapta fara cimentare: Tija cu cimentare:

Caietul de sarcini

Norme si standarde

Uniunea Europeana: (Marcaje CE)

Directiva 93/42/CEE a Consiliului Europei, din 14 iunie 1993, despre dispozitivele medicale

ISO 13485: dispozitive medicale : Sisteme de calitate - Exigente

ISO 9001: Sisteme de managementul calitatii – Exigente

ISO 14971: dispozitive medicale : Gestionarea riscurilor dispozitivelor medicale

In SUA: Omologare prin FDA (Food and Drug Administration)

Principalele tendinte in dezvoltarea

laboratoarelor de protezare

Laboratoare de protezare manuala.

Nu au echipamente moderne de fabricare.

2. Laboratoare care colaboreaza cu centre regionale de

protezare.

Au eventual dispozitive de scanare si masurare. Pentru

fabricarea protezelor se apeleaza la un centru de

protezare dotat cu tehnologii moderne.

3. Laboratoare echipate complet cu tehnologii de

Etape in proiectarea si fabricarea cu mijloace

de tip CAD/CAM

I. Etape in proiectarea si fabricarea

protezelor cu mijloace CAD/CAM 1. Stabilirea rolului functional

2. Alegerea materialului

3. Masurari antropometrice

4. Calcule de dimensionare si rezistenta

5. Stabilirea formei geometrice si a dimensiunilor

6. Realizarea desenului sau a modelului CAD

7. Optimizari (evaluari cu programe de Elemente finite, finisaje mecanice si finisaje ergonomice

8. Stabilirea procedeelor de fabricare

9. Elaborarea programului obiectului de fabricat

10. Fabricarea pe masini unelte cu comenzi numerice

11. Testarea sau evaluarea produsului final

1.1. Interdependenta etapelor de

proiectare (exemplu)

CALCULE

Rezistenta

Rigiditate

Vibratii

Incalzire

Durabilitate

Calcul economic

Calcule speciale

Stabilirea rolului

functional

Stabilirea materialului

Stabilirea formei

Stabilirea formei

geometrice si a

dimensiunilor

Stabilirea procedeelor

de fabricare

1. Stabilirea rolului functional al

protezei La stabilirea rolului functional se analizeaza:

• Functiile si gradele de libertate ale segmentului

anatomic inlocuit;

• Modul de utilizare : Static sau dinamic (cu frecare);

• Pozitia de functionare si modul de ancorare a

protezei;

• Tipul tensiunilor (incovoiere, compresie, intindere,

tractiune, oboseala) si nivelul tensiunilor

• Nivelul de biocompatibilitate necesar;

• Calcule economice.

TA6V – grade ELI (ISO 5832-3)

Exemplu: TitanulExemplu: TitanulExemplu: TitanulExemplu: Titanul

ELI = Extra Low Interstitial

= faible teneur en oxygène et en fer.

Element Procentaj (%)

Aluminiu 5.5 - 6.75

Vanadiu 3.5 - 4.5

Fier 0.3 max.

Oxigen 0.2 max.

Carbon 0.08 max.

Azot 0.05 max.

Proprietati:

Densitate: 4.42 g/cm3

Modulul de elasticitate (E): 110 000 MPa

Résistenta la rupere (Rm): 860 MPa

Limita de elasticitate (Re): 795 MPa

Alungirea relativa A%: 10%

Compozitia chimica:

2. Alegerea materialului

1. Foarte buna rezistenta la oboseala

2. Biocompatibilitate perfecta

3. Corodare foarte slaba

4. Durabilitate clinica: mai mare de 50 ani

Avantajele titanului ca material

2 tipuri principale :

Exemplu: Otelul inoxidabilExemplu: Otelul inoxidabilExemplu: Otelul inoxidabilExemplu: Otelul inoxidabil

Elément Procentajul (%)

316L M30NW

Carbon < 0.03 < 0.06

Crom 17 21

Nichel 14 9

Manganeziu - 4

Molibden 3 2.5

Compositia chimica:

M30NW (conform ISO 5832-9)

316L (sau M25NW)

(conform ISO 5832-1)

Materiale biocompatibile

• Biocompatibilitate demonstrata

• Compatibilitate la cimentari

• Coeficient de frecare corespunzator

• Rezistenta mecanica buna (M30NW)

• Prelucrabilitate(Forjare, turnare, aschiere…)

• Pret moderat:

Otelul simplu : 3 € /Kg

Otelul inox M30 NW: 25 € /Kg

Avantajele otelului inoxidabil

Exemplu: Aliajul CromExemplu: Aliajul CromExemplu: Aliajul CromExemplu: Aliajul Crom----cobalt (Crcobalt (Crcobalt (Crcobalt (Cr----Co)Co)Co)Co)

KC 28 DN (Cr Co28 Mo) (Conform ISO 5832-4)

Elément Procentajul (%)

Chrome 26.5 - 30

Molybdène 4.5 - 7

Nickel 2.5 max.

Fer 1 max.

Carbone 0.35 max.

Manganèse 1 max

Silicium 1 max.

Compozitia chimica Proprietati


Modulul de elasticitate (E): 230 000 MPa

Rezistenta la rupere (Rm): 1000 MPa


Alungirea relativa A%: 20%

Pretul: 110 € / Kg

Aliaje

Avantajele aliajului Avantajele aliajului Avantajele aliajului Avantajele aliajului CromCromCromCrom----cobaltcobaltcobaltcobalt

• Coeficient de frecare foarte bun • Rezistenta mecanica foarte buna

• Compatibilitate la cimentari

• Dezavantaje:

• Prelucrare dificila

• Pret ridicat : 110 € /kg


Exemplu: CeramicaExemplu: CeramicaExemplu: CeramicaExemplu: Ceramica

Proprietati Alumina:


Modul de elasticitate (E): 380 000 Mpa

Zirconiu = Oxid de Zirconiu (Zr02)

Alumina = Oxid de Aluminiu (Al203)

Element Procentajul (%)

Al2O3 >99.5

Compositia chimica Alumina:

Proprietati Zirconiu:

Densitate: 6 g/cm3

Modul de elasticitate (E): 220 000 Mpa

Rezistenta la incovoiere: 1200 MPa

Compositia chimica Zirconiu:

Element Procentajul (%)

ZrO2 >93.5

HfO3 <2

Y203 5.1

Al203 <0.5

Altele <0.5


Polietilena (PE)Polietilena (PE)Polietilena (PE)Polietilena (PE)

UHMW PE (Conform ISO 5834)

UHMW = Ultra High Molecular Weight

Proprietati:


Modulul de elasticitate (E): ? MPa

Rezistenta la rupere (Rm): 45 MPa


Alungirea A%: 399 %

Element Cantitatea mg / Kg

Cenusa 125

Titan 40

Calciu 5

Clor 30

Compozitia chimica:

Cuple de frecare din diverse materiale

Cuple de frecare Coefficient de frecare

Uzura in mm (pe an)

Uzura in mg (pe an)

Inox / PE 0.04 - 0.06 0.15 mm 20 mg

Cr-Co / PE 0.03 - 0.05 0.15 mm 20 mg

Alumina / PE 0.01 – 0.04 0.1 mm 30 mg

Zirconiu / PE 0.01 – 0.04 0.05 mm < 10 mg

Alumina / Alumina 0.04 – 0.1 necuantificabil 0.5 - 1 mm3

Metal / Metal 0.02 – 0.04 necuantificabil 1 - 2 mm3 / milion cicli

Comportarea materialelor la frecare

3. Masurari antropometrice

2. Calcule: Modulul lui Young E se masoara in N / mm2 (sau Mpa)

E =

σ = tensiunea ε = alungirea relativa (deformarea) s = sectiunea

σ ε

Titan : 110 000 Mpa

4. Calcule de dimensionare si rezistenta

σ =

F (N)

S (mm2) ε =

L – L0

L0

1. Masurari anatomice: cu instrumente sau dispozitive optoelectronice

Exemple de module de elasticitate

Limita de elasticitate

Calcule de rezistenta

Titan TA6V: 795 Mpa

Otel inoxidabil M30 NW : 850 à 1200MPa

Aliaj Crom- cobalt : 700 Mpa

Zona de elasticitate Zona de plasticitate

ε

σ

Limita de elasticitate (Re)

Rezistenta la rupere (Rm)

Rezistenta la rupere

Titan TA6V: 860 Mpa

Otel inoxidabil M30 NW : 900 à 1500 Mpa

Aliaj Crom- cobalt : 1000 Mpa

5. Stabilirea formei geometrice si a

dimensiunilor

Forma si dimensiunile se obtin in doua moduri:

1. Prin calcule in cazul protezelor de tip nou: In urma calculelor de

rezistenta se obtine sectiunea minima la care se adauga formele

corespunzatoare adaptarii la un anumit segment anatomic cu anumite

dimensiuni standard

2. Prin masurarea unei proteze existente (si a dimensiunilor anatomice), in

cazul conceperii protezelor personalizate sau in cazul refacerii , repararii

sau modificarii unei proteze existente

Pentru a se potrivi cu constitutia pacientilor, firmele care fabrica proteze

au conceput atat o gama variata de tipodimensiuni pentru proteze cat si

posibilitatea efectuarii unor reglaje sau modificari.

6. Realizarea desenului sau a modelului CAD

Etape:

1. Determinarea dimensiunilor prin masurare sau calculare

2. Realizarea schitei implantului sau protezei (pentru toate

componentele);

3. Realizarea modelului 2D la scara cu mijloace CAD atat

pentru componente cat si pentru ansamblu;

4. Realizarea modelului 3D cu mijloace CAD;

5. Alegerea unui format de reprezentare grafica usor de

transferat in alte programe (dxf , wmrl sau iges)

7. Optimizari

Optimizarile se pot realiza prin:

• Simularea functionarii cu ajutorul pogramelor de analiza cu

elmente finite (se pot redimensiona si modifica formele unor

implanturi);

• Gasirea unor solutii noi de finisare mecanica si de acoperire;

• Gasirea unor solutii noi de proiectare ergonomica atat pentru

forma cat si pentru dimensiuni

8. Alegerea procedeelor (tehnologiilor) de

fabricare

Materiale metalice si materiale necasante

1. Debitare (taiere, decupare)

2. Turnare

3. Forjare la cald

4. Presare (ambutisare)

5. Prelucrare prin aschiere (pentru metale si materiale necasante)

• Strunjire;

• Frezare;

• Rabotare;

• Polizare, netezire

6. Prelucrare prin electroeroziune

7. Prelucrare prin metode neconventionale

Exemple de implanturi forjate Températura de forjare este cuprinsa intre

950°C pentru titan si 950 ° si 1150°C pentru

aliajul M30NW

Procesul de fabricare

Alegerea mijloacelor CAD/CAMde fabricare

1.CAD/CAM

Caracteristici:

• Serie mare;

•Precizie mare(de ordinul miimilor de milimetru)

•Prelucreaza orice material

•Implica utilizarea unor masini unelte cu comanda

numerica

2. Fabricare rapida (Rapid Prototyping);

Caracteristici:

•Fabricare rapida

•Precizie mica (de ordinul zecimilor de milimetru);

•Prelucreaza numai materiale usor fuzibile sau

pulberi

Fazele fabricarii unui implant

Turnare

Forjare

Aschiere

Aschiere Control

dimensional Polizare Tratamentul suprafetei

Gravare laser

Curatare si decontaminare

Conditionare Sterilizare

9. Elaborarea programului obiectului de fabricat

Maşinile cu comandă numerică sunt echipamente complexe dotate cu sisteme de

comandă şi control numeric a deplasărilor. Sistemele de comanda utilizează

calculatoare

Programul constă într-o succesiune de instrucţiuni care sunt interpretate de un

program din calculator destinat comenzii maşinii.

Maşinile pot fi conectate la alte calculatoare sau reţele de calculatoare.

Un program piesă pentru o maşină cu comandă numerică este o listă de comenzi şi de

date transmise echipamentului de comandă numerică al maşinii.

Limbajul folosit este standardizat (ISO - International Standard Organisation sau EIA -

lectronic Industries Association).

Programul se compune dintr-un program principal şi eventual un număr de subprograme.

Fiecare unitate de program se compune din blocuri sau fraze

Un bloc se compune dintr-o adresă şi o valoare numerică. Exemple:

cuvânt care defineşte o dimensiune: X-12.5

cuvânt care defineşte o funcţie pregătitoare: G01

cuvânt care defineşte o funcţie auxiliară: M8

COD Semnificaţie

G00 deplasare cu avans rapid

G01 deplasare cu avans de lucru

G02 deplasare circulara cu avans de lucru, sens orar

G03 deplasare circulara cu avans de lucru, sens antiorar

G04 Temporizare, mărimea indicată sub adresa F

G09 Oprire precisă la sfârşit de bloc

G33 Ciclu de filetare cu pas constant

G40 Anularea corecţiei de rază a sculei

G41 Corecţie de rază a sculei, scula plasată pe stânga traiectoriei

G42 Corecţie de rază a sculei, scula plasată pe dreapta traiectoriei

G53 Invalidarea decalării de origine

G54 Activare decalare de origine

G59 Decalare de origine programată

G80 Anularea unui ciclu de prelucrare

G81 Ciclu fix de burghiere

G84 Ciclu fix de filetare

G90 Programare absolută, dimensiuni faţă de originea programului

G91 Programare relativă, dimensiuni faţă de punctul iniţial

G94 Viteza de avans în mm/min.

G95 Viteza de avans în mm/rotaţie

G96 Viteză de aşchiere , în m/min.

G97 Turaţia broşei în rot./min.

Functiile din programul piesa

10. Fabricarea pe masini unelte cu comenzi numerice

Maşinile cu comandă numerică sunt echipamente complexe dotate cu sisteme de

comandă şi control numeric a deplasărilor. Sunt dotate cu memorie care permite

păstrarea programului. Sistemele actuale utilizează calculatoare compatibile IBM-PC

arbore principal (Z)

turel

a

Introducerea datelor in calculator si executarea obiectului

- Solicitare ciclica la o sarcina prestabilita

- Parametrii de testare: Incovoiere : de la -10° la +110°

- Frecvente reglabile

11. Testarea:

Fabricarea unui ptototip si testarea (validarea)

modelului Instalatie de testat uzura dinamica

Testare mecanica

Testarea dinamica pentr dterminaea proprietatilor de anduranta a tijei si a gatului

femural

- Solicitare ciclica

- Sarcina aplicata vertical

Instalatie de testare a discurilor vertebrale

Computer Integrated Manufacturing – (CIM)

Exemplu de diagrama a compartimentelor unei companii industriale

Ciclul de viata al unui produs

Spirala dezvoltarii reale a unui produs

Exemplu de companie producatoare de software si dispozitive protetice

cu mijloace CAD/CAM:

MATERIALISE (BELGIA)

http://www.materialise.com/

Bibliografie

O. Ciobanu STATE OF ART OF CAD/CAM IN PROSTHETICS, BUL. IPI, TOM LIII (LVII),

FASC.2 ,PP 273-280, 2007

O. Ciobanu CAD/CAM AND RAPID PROTOTYPING TECHNOLOGIES IN MEDICAL

ENGINEERING , BUL. IPI, TOM LIV, FASC.2 ,PP 123-131, 2011

Master in Bioingineria protezarii de curs/Facultatea de... · Principalele aplicatii ale...

Documents

Transcript of Master in Bioingineria protezarii de curs/Facultatea de... · Principalele aplicatii ale...