Ortopedik implantlar için eklemeli imalat yöntemi ile çoklu katmanlı 316l malzeme geliştirilmesi: Mekanik özellikleri açısından deneysel/sayısal analizi ve karakterizasyonu
Development of multi-layered 316l material by additive manufacturing method for orthopedic implants: Experimental/numerical analysis and characterization in terms of mechanical properties
- Tez No: 938356
- Danışmanlar: PROF. DR. ÜMRAN ESENDEMİR, DOÇ. DR. MEHMET FAHRİ SARAÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Süleyman Demirel Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mühendislik ve Doğa Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Bu tez çalışmasında mevcut olarak kullanılan ortopedik implant bileşenlerinin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla geliştirilen kemik dokuyu temsil edebilecek poroz yapıların mekanik özellikleri üzerine sayısal analizler ve deneysel çalışmalar yapılmıştır. Gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda kemik dokuyu temsil edebilecek poroziteli yapılar belirlenmiştir. Mekanik testlerin yanında implant malzemesi olarak kullanılacak yapıların kaplanabilirliğini ortaya koymak ve korozyon dirençlerini test etmek amacıyla farklı tür kaplamalar yapılmıştır. Poroziteli yapıların mekanik özelliklerini anlamak adına farklı poroziteli polimer yapıların basma, kayma ve burulma testleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan testler neticesinde oktahedron yapının pillar oktahedron yapıya göre daha esnek fakat dayanımının düşük olduğu görülmüştür. Kemik doku modellerinin analiz edilebilmesi için kullanılacak olan ANSYS 2018 paket programının etkinliğini test etmek amacıyla mekanik testleri gerçekleştirilen poroziteli polimer malzemelerin testleri simüle edilmiştir. Mekanik test ve simülasyonlar ile elde edilen elastisite modülleri arasında %16, basmadaki akma dayanımları arasında %14, kayma modülleri arasında %3 ve burulma rijitlikleri arasında %11 oranında farklılık görülmüştür. Yapılan test ve analizler sonucunda kullanılan ANSYS 2018 paket programının“Static Structural”modülünün elastisite modülü, kayma modülü, akma dayanımları ve burulma rijitliğini elde etmek için gerçekleştirilecek sayısal analizlerde kullanılabileceği görülmüştür. Poroziteli polimer malzeme analizlerinde etkinliği görülen paket program kemik dokunun kortikal (sıkı) ve trabeküler (süngerimsi) kısmı için belirlenecek olan poroz yapıların sayısal analizinde kullanılmıştır. Yapılan analizler sonucu 316L çeliği kullanılarak Seçici Lazer Ergitme yöntemi ile farklı yapılar üretilerek basma testine tabii tutulmuştur. Yapılan testler sonucunda oktahedron yapının 275 µm destek kalınlığı kalınlığa sahip birim hücresinin süngerimsi, pillar oktahedron yapının 475 µm destek kalınlığı kalınlığına sahip birim hücrenin de sıkı kemik dokuyu temsil edebileceği görülmüştür. Belirlenen sıkı ve süngerimsi kemik doku arası yük transferini sağlayacak birim hücre için bir, iki ve dört ara elemanlı yapıların gerilme analizleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan analizler neticesinde tek ara elemanlı pillar oktahedron yapının diğer yapıalra göre gerilme dağılımını daha iyi sağladığı görülmüştür. Bu nedenle ara eleman olarak tekli pillar oktahedron yapı kullanılmıştır. 316L çeliği kadar biyouyumlu olsa da kemik oluşumunu teşvik etmek, biyouyumluluğu, aşınma ve korozyon direncini arttırmak adına çeşitli kaplamalar yapılmıştır. Seçici Lazer Ergitme yöntemi ile üretilen numunelere saf polipirol (PPY), saf Hidroksiapatit (HAp), ikili ve dörtlü kaplama yapılmıştır. XRD analizi ile PPY kaplamanın 316L üzerinde amorf bir yapı oluştururken, HAp kaplama kararlı bir kristal yapı olarak görülmüştür. Saf HAp, PPY+Hap ve PPY+HAp+ PPY+HAp kaplama için yapılan EDS analizi ile herbir kaplama yüzeyindeki Ca/P oranının stabil olduğu ve kaplamaların homojen olarak dağıldığı sonucuna ulaşılmıştır. Ringer solüsyonu ile yapılan aşınma testlerinde PPY, HAp ve ikili kaplamanın saf 316L'ye göre korozyon direncinin yüksek, ancak dörtlü kaplamanın ise düşük olduğu tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, numerical analyzes and experimental studies were carried out on the mechanical properties of porous structures that can represent bone tissue developed in order to improve the mechanical properties of currently used orthopedic implant components. As a result of the studies, porous structures that can represent bone tissue were determined. In addition to mechanical tests, different types of coatings were made in order to reveal the coatability of the structures to be used as implant materials and to test their corrosion resistance. In order to understand the mechanical properties of porous structures, compression, shear and torsion tests of different porous polymer structures were carried out. As a result of the tests, it was seen that the octahedron structure was more flexible than the pillar octahedron structure but its strength was lower. In order to test the effectiveness of the ANSYS 2018 package program to be used for analyzing bone tissue models, the tests of porous polymer materials, whose mechanical tests were carried out, were simulated. A difference of 16% was observed between the elasticity modules obtained with mechanical tests and simulations, 14% between the yield strengths in compression, 3% between the shear modules and 11% between the torsional rigidities. As a result of the tests and analyzes, it was seen that the“Static Structural”module of the ANSYS 2018 package program used can be used in numerical analyzes to obtain the elasticity modulus, shear modulus, yield strength and torsional rigidity. The package program, which was seen to be effective in porous polymer material analyzes, was used in the numerical analysis of porous structures to be determined for the cortical (tight) and trabecular (spongy) parts of the bone tissue. As a result of the analyzes, different structures were produced using the Selective Laser Melting method using 316L steel and subjected to compression tests. As a result of the tests, it was seen that the unit cell of the octahedron structure with a support thickness of 275 µm could represent spongy, and the unit cell of the pillar octahedron structure with a support thickness of 475 µm could represent tight bone tissue. Tensile analyzes of structures with one, two and four intermediate elements were performed for the unit cell that would provide load transfer between the determined tight and spongy bone tissue. As a result of the analysis, it was seen that the pillar octahedron structure with a single intermediate element provided better stress distribution compared to other structures. For this reason, the single pillar octahedron structure was used as the intermediate element. Although it is as biocompatible as 316L steel, various coatings were applied in order to promote bone formation, increase biocompatibility, wear and corrosion resistance. Pure polypyrrole (PPY), pure Hydroxyapatite (HAp), double and quadruple coatings were applied to the samples produced with the Selective Laser Melting method. With XRD analysis, it was seen that the PPY coating formed an amorphous structure on 316L, while the HAp coating was a stable crystal structure. With the EDS analysis performed for pure HAp, PPY+Hap and PPY+HAp+ PPY+HAp coating, it was concluded that the Ca/P ratio on each coating surface was stable and the coatings were distributed homogeneously. In the abrasion tests performed with Ringer solution, it was determined that the corrosion resistance of PPY, HAp and dual coating was higher than that of pure 316L, but the quaternary coating was lower.
Benzer Tezler
- Eklemeli imalat ile elde edilen implant yüzeylerinde biyoaktif kaplamaların gerçekleştirilmesi
Achieving bioactive coating on implant surfaces obtained by additive manufacturing
DORUK GÜRKAN
Doktora
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİNNUR SAĞBAŞ
- Eklemeli imalat teknolojileri ile köpekler için biyomimetik tasarımlı kalça implant sistemi geliştirilmesi
Development of a biomimetic hip implant system for dogs using additive manufacturing technologies
MAHMUT ONUR DEMİRAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilim ve TeknolojiAnkara ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. PINAR YILGÖR HURİ
PROF. DR. KAAN ORHAN
- Seçici lazer ergitme yöntemi ile üretilen CoCr alaşımlıgözenekli yapıların sol-jel yöntemi kullanarak HAp ile kaplanması ve karakterizasyonu
HAp coating and characterization of CoCr alloyed lattice structures manufactured by selective laser melting using the sol-gel method
GÖZDE ERENER
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİnönü ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM GEZER
- Eklemeli imalat için farklı kafes yapılara sahip PLA yapay kemik iskelelerinin tasarımı ve analizi
Design and analysis of PLA artificial bone scaffolds with different lattice structures for additive manufacturing
ESRA ÖZMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
BiyomühendislikSivas Cumhuriyet Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CEM ERTEK
- Üç yönlü periyodik minimal yüzeylerle (ÜYPMY) tasarlanan kalça implantlarının yapısal analizi
Structural analysis of hip implants designed with triply periodic minimal surfaces (TPMS)
TAHA ENİS TUNCA
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiTrakya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NİLHAN ÜRKMEZ TAŞKIN