İmplant tasarımında eklemeli üretim kriterlerini dikkate alan bir topoloji optimizasyon yaklaşımının geliştirilmesi
Developing of a topology optimization approach considering additive manufacturing criteria in implant design
- Tez No: 900457
- Danışmanlar: PROF. DR. İRFAN KAYMAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Erzurum Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 152
Özet
Topoloji optimizasyonu, belirli kısıtlar ve hedefler altında bir yapının malzeme dağılımını optimize ederek, minimum malzeme kullanımı ile maksimum performans elde etmeyi amaçlayan bir mühendislik yaklaşımıdır. Malzeme kullanımı optimize edilirken destek yapılarını en aza indirmek, üretim maliyetlerini ve çevresel etkileri önemli düzeyde azaltmaktadır. Bu çalışmada, topoloji optimizasyonu ile tasarlanan titanyum alaşımı, polietereterketon (PEEK) ve polikaprolakton (PCL) malzemelerinden eklemeli imalat yöntemleri ile üretilen gözenekli spinal implantların, mekanik performansları ve biyolojik davranışları kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. İmplant tasarımında kullanılan topoloji optimizasyonu için, eklemeli imalatta üretim yönü kısıtlamasını dikkate alarak destek yapılarını ortadan kaldıran bir algoritma geliştirilmiştir. Elde edilen tasarımlar, sonlu elemanlar analizi ile sayısal olarak değerlendirilmiş ve mekanik testlerle deneysel olarak doğrulanmıştır. Eklemeli üretim parametrelerinin optimizasyonu için yanıt yüzeyi metodolojisi kullanılarak, lazer üretim parametrelerinin ürün performansı üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Çalışma sonucunda, çekme dayanımı için optimum parametre dağılımı belirlenerek optimize edilen titanyum implant tasarımları bu doğrultuda üretilmiştir. Mekanik testler ile implant yüzeylerinde ortaya çıkan deformasyon ölçümleri, iki boyutlu dijital görüntü korelasyon tekniği ile değerlendirilmiştir. Biyolojik testler sonucunda optimize edilmiş spinal implantların biyouyumluluk ve biyobozunurluk kapasitesi değerlendirilmiştir. Sonuçta, eklemeli üretim filtresi ile %19 oranında üretim süresi ve %22 oranında malzeme kazancı sağlanmıştır. Ayrıca polikaprolakton malzemede 90. gün sonunda PCL malzemesinde %1,26 oranında biyobozunma izlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Topology optimization is an engineering approach that aims to achieve maximum performance with minimal material usage by optimizing the material distribution of a structure under specific constraints and objectives. By minimizing support structures during material utilization, production costs and environmental impacts can be significantly reduced. In this study, the mechanical performance and biological behavior of porous spinal implants, designed using topology optimization and manufactured via additive manufacturing methods from titanium alloy, polyetheretherketone (PEEK), and polycaprolactone (PCL) materials, were comprehensively investigated. For topology optimization used in implant design, an algorithm was developed that eliminates support structures by considering the manufacturing direction constraint in additive manufacturing. The obtained designs were numerically evaluated using finite element analysis and experimentally validated through mechanical testing. Response surface methodology was employed to optimize the additive manufacturing parameters, and the effects of printing parameters on product performance were thoroughly analyzed. As a result of the study, the optimal parameter distribution for tensile strength was determined, and optimized titanium implant designs were produced accordingly. Deformation measurements observed on implant surfaces during mechanical tests were evaluated using the two-dimensional digital image correlation technique. The biocompatibility and biodegradability capacities of the optimized spinal implants were evaluated through biological tests. Consequently, a 19% reduction in printing time and a 22% material saving were achieved with the additive manufacturing filter. Additionally, a biodegradation rate of 1.26% was observed in the PCL material at the end of the 90th day.
Benzer Tezler
- Kişiselleştirilebilir ve çok kullanımlık glenoid komponent cerrahi kılavuzu geliştirilmesi; kadavra uygulamalı çalışma
Development of a customizable and reusable glenoid guide for glenoid component implantation accuracy in total shoulder arthroplasty; a cadaveric study
BATUHAN BAHADIR
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2023
BiyomühendislikGazi ÜniversitesiOrtopedi ve Travmatoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ULUNAY KANATLI
- Kişiye özel kafatası implant tasarımı ve prototip üretimi
Custom made skull implant design and production of prototype
MUSTAFA KARAGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiErciyes ÜniversitesiEndüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AFŞIN ALPER CERİT
- Seçici lazer ergitme yöntemiyle üretilen geçişli gözenekli yapılarda tasarım değişkenlerinin fiziksel ve mekanik özelliklere etkilerinin araştırılması
Investigation of effects of design variables on physical and mechanical properties in graded porous structures produced by selective laser melting
MEHMET ÇAĞRI TÜZEMEN
Doktora
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ELMAS SALAMCİ
- Development of an open-architecture process control system for the direct metal laser sintering (DMLS)
Başlık çevirisi yok
SYED SHAHİD MUSTAFA
Doktora
Türkçe
2021
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Eklemeli imalat yöntemine uygun dental implant tasarımı ve sonlu elemanlar analizi
Dental implant design with additive manufacturing method and finite element analysis
YILDIZ ALTINBAY ESENTÜRK
Diş Hekimliği Uzmanlık
Türkçe
2023
Diş HekimliğiMarmara ÜniversitesiAğız Diş ve Çene Cerrahisi Ana Bilim Dalı
PROF. HASAN GARİP