Determinación mediante simulación computacional del comportamiento mecánico de piezas impresas por FDM con diferentes estructuras en celosía

En la actualidad, los métodos convencionales de manufactura se han visto bastante influenciados por la tecnología de impresión 3D, debido a sus ventajas económicas, funcionales y sus innumerables aplicaciones. De igual manera la simulación computacional de piezas obtenidas por manufactura aditiva re...

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Autores:: Reyes López, Jean Paul

Tipo de recurso:: Trabajo de grado de pregrado

Fecha de publicación:: 2021

Institución:: Universidad Santo Tomás

Repositorio:: Repositorio Institucional USTA

Idioma:: spa

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Materiales, técnicas y modelado mediante sistemas de reacción-difusión Scaffolds implants for the bone regeneration. Materials, techniques and modeling by means of reaction-diffusion systems,” pp. 1–11, 2016. P. O. V. Y. Ferrer Lozano, J. Vergara Pages, “Hidroxiapatita como sustituto del tejido óseo,” 2008. [Online]. Available: https://www.portalesmedicos.com/publicaciones/articles/1054/1/Hidroxiapatita-como-sustituto-del-tejido-oseo.html. C. V. Rosa, “Implantes dentales, precio 2018,” 2017. Y. Shikinami and M. Okuno, “Bioresorbable devices made of forged composites of hydroxyapatite (HA) particles and poly L-lactide (PLLA). Part II: Practical properties of miniscrews and miniplates,” Biomaterials, vol. 22, no. 23, pp. 3197–3211, 2001. L. Bruno, “Mechanical characterization of composite materials by optical techniques: A review,” Opt. Lasers Eng., vol. 104, no. April 2017, pp. 192–203, 2017. S. Gutierrez, “Analisis de Choques En Materiales Compuestos,” Universidad EAFIT, 2007. J. Torres, “Caracterización de la resistencia mecánica a tensión del Ácido Poliláctico/Hidroxiapatita por manufactura aditiva mediante Fabricación por Filamento Fundido (FFF),” 2019. M. Meng, H. R. Le, M. J. Rizvi, and S. M. Grove, “3D FEA modelling of laminated composites in bending and their failure mechanisms,” Compos. Struct., vol. 119, pp. 693–708, 2015. ASTM International, “Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics,” 2019. J. J. Del Coz Díaz, P. J. García Nieto, J. A. Vilán Vilán, and J. L. Suárez Sierra, “Non-linear analysis and calculation of the performance of a shelving protection system by FEM,” Appl. Math. Comput., vol. 218, no. 6, pp. 2365–2376, 2011. J.N. Ready, An Introduction to Nonlinear Finite Element Analysis. 2005. ANSYS Inc, “ANSYS HELP.” 2020. A. A. Soufivand, N. Abolfathi, S. A. Hashemi, and S. J. Lee, “Prediction of mechanical behavior of 3D bioprinted tissue-engineered scaffolds using finite element method (FEM) analysis,” Addit. Manuf., vol. 33, no. February, 2020. A. M. Abdullah, D. Mohamad, T. N. A. T. Rahim, H. M. Akil, and Z. A. Rajion, “Effect of narrow infill density gap on the compressive properties of 3D printed carbon fibre reinforced acrylonitrile butadiene styrene,” J. Mech. Sci. Technol., vol. 33, no. 5, pp. 2339–2343, 2019. K. Leksakul and M. Phuendee, “Development of hydroxyapatite-polylactic acid composite bone fixation plate,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 25, no. 5, pp. 903–914, 2018. C. Faldini et al., “A new ligament ‑ compatible patient ‑ specific 3D ‑ printed implant and instrumentation for total ankle arthroplasty : from biomechanical studies to clinical cases,” J. Orthop. Traumatol., 2020. J.-H. Park, M. Odkhuu, S. Cho, J. Li, B.-Y. Park, and J.-W. Kim, “3D-printed titanium implant with pre-mounted dental implants for mandible reconstruction: a case report,” Maxillofac. Plast. Reconstr. Surg., vol. 42, no. 1, pp. 0–3, 2020. C. Márquez and R. Rodríguez, “Simulación Y Análisis Tridimensional Por Elementos Finitos De La Tibia Humana Sometida a Reemplazo,” 2001. Y. S. Lai, W. C. Chen, C. H. Huang, C. K. Cheng, K. K. Chan, and T. K. Chang, “The effect of graft strength on knee laxity and graft in-situ forces after posterior cruciate ligament reconstruction,” PLoS One, vol. 10, no. 5, pp. 1–11, 2015. C. SEMPERE, “Estudio de las características mecánicas de aleaciones de Ti conformadas mediante pulvimetalurgia,” 2009. S. Eberle and P. Augat, “Preventing Contact Convergence Problems in Bone- Implant Contact Models,” pp. 21–25. V. Pulido Bargsten, “Estudio por el método de elementos finitos diferentes estados de carga presentes en la tibia humana,” p. 98, 2015. L. A. Zambrano and C. Müller-Karger, “Estudio del efecto de placas de fijación en fracturas de tibia proximal utilizando el método de elementos finitos,” Bol. Tec. Bull., vol. 46, no. 3, pp. 43–60, 2008. F. Chen et al., “Finite element analysis of intramedullary nailing and double locking plate for treating extra-articular proximal tibial fractures,” J. Orthop. Surg. Res., vol. 13, no. 1, pp. 1–8, 2018. S. Mondal et al., “Hydroxyapatite nano bioceramics optimized 3D printed poly lactic acid scaffold for bone tissue engineering application,” Ceram. Int., vol. 46, no. 3, pp. 3443–3455, 2020.
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(2021) Determinación mediante simulación computacional del comportamiento mecánico de piezas impresas por FDM con diferentes estructuras en celosía [Tesis de Pregrado en Ingeniería Mecánica, Universidad Santo Tomás] Repositorio Institucionalhttp://hdl.handle.net/11634/32274reponame:Repositorio Institucional Universidad Santo Tomásinstname:Universidad Santo Tomásrepourl:https://repository.usta.edu.coEn la actualidad, los métodos convencionales de manufactura se han visto bastante influenciados por la tecnología de impresión 3D, debido a sus ventajas económicas, funcionales y sus innumerables aplicaciones. De igual manera la simulación computacional de piezas obtenidas por manufactura aditiva representa un gran avance para diversas industrias. En ese sentido, este trabajo pretende determinar a través de FEA el comportamiento mecánico de piezas de Ácido Poliláctico / Hidroxiapatita (PLA/HA) obtenidas por impresión 3D con diferentes estructuras en celosía. Para esto, se parte del estudio de un ensayo de tensión experimental según la norma ASTM D638, el cual es replicado computacionalmente. Posteriormente se prueban diferentes estructuras en celosía por medio del mismo ensayo para luego ser aplicadas a un elemento mecánico. En efecto, al llevar a cabo una simulación, se deben contrastar los resultados obtenidos con situaciones reales o reportes registrados en literatura científica o ingeniería especializada, ya que, por sí misma, esta no garantiza una representación correcta de la realidad. Esto, con el fin de validar que el comportamiento obtenido con la simulación tenga lógica bajo un punto de vista físico y sea posible extrapolar el modelo a nuevas y más complejas condiciones. Por esta razón, el desarrollo del modelo computacional que prueba las diferentes estructuras en celosía en las probetas y su posterior aplicación a un injerto de PLA/HA en la zona metafisaria distal de la tibia derecha de un hombre adulto, se llevó a cabo a partir del estudio y la réplica mediante FEA del ensayo de tensión experimental. Esto, no solo dio validez a los resultados obtenidos en la simulación, sino que también permitió extrapolar los conceptos aplicados a una probeta, a un modelo real mucho más complejo (tratamiento de una fractura). Teniendo en cuenta lo anterior, el presente estudio realizado para optar al título de Ingeniero Mecánico de la Universidad Santo Tomás, aporta conocimientos en el área de la manufactura aditiva, sus materiales, su simulación computacional mediante elementos finitos, sus diversas aplicaciones y sus métodos de estudio, dando pie a futuras investigaciones sobre el tema.Nowadays, conventional methods of manufacturing have been seen quite influenced by 3D printing technology, due to its economic advantages, functional and its innumerable applications. In the same way, computational simulation of parts obtained by additive manufacturing represents a great advance for various industries. In this sense, this work aims to determine through FEA the mechanical behavior of Polylactic Acid / Hydroxyapatite (PLA / HA) parts obtained by 3D printing with different lattice structures. For this, it starts from the study of an experimental tension test according to the ASTM standard D638, which is computationally replicated. Later they are tested different lattice structures through the same test and then applied to an element mechanical. Indeed, when carrying out a simulation, the results obtained must be contrasted with real situations or reports registered in scientific literature or specialized engineering, already that, by itself, it does not guarantee a correct representation of reality. This, with the in order to validate that the behavior obtained with the simulation has logic under a point of physical view and it is possible to extrapolate the model to new and more complex conditions. For this reason, the development of the computational model that tests the different structures in lattice on the specimens and their subsequent application to a PLA / HA graft in the area distal metaphyseal of the right tibia of an adult man, was carried out from the study and FEA replication of the experimental stress test. This not only gave validity to the results obtained in the simulation, but also allowed to extrapolate the concepts applied to a specimen, to a much more complex real model (treatment of a fracture). Taking into account the above, the present study carried out to qualify for the title of Engineer Mechanic from the Santo Tomás University, contributes knowledge in the manufacturing area additive, its materials, its computational simulation using finite elements, its various applications and their study methods, giving rise to future research on the subject.Ingeniero Mecánicohttp://unidadinvestigacion.usta.edu.coPregradoapplication/pdfspaUniversidad Santo TomásPregrado Ingeniería MecánicaFacultad de Ingeniería MecánicaAtribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaAtribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Determinación mediante simulación computacional del comportamiento mecánico de piezas impresas por FDM con diferentes estructuras en celosíaFDMFEM3D printLattice structuresHydroxyapatiteComputer simulationImpresión 3DHidroxiapatitaSimulación por computadorFDMFEMEstructuras en celosíaTrabajo de gradoinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionFormación de Recurso Humano para la Ctel: Trabajo de grado de Pregradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisCRAI-USTA BogotáT. Archana et al., “Fracture toughness and fatigue behavior of spider silk and S-glass epoxy composites: An FEM approach,” Mater. Today Proc., vol. 5, no. 1, pp. 2627– 2634, 2018.A. M. Alvarado, “Obtención y caracterización mecánica de material compuesto resina poliéster - fibra de piña.,” p. 59, 2017Kalorama Information, “Dental Implant and Bone Graft Markets to Approach $3.5 Billion in 2010.” [Online]. Available:N. Shetty, S. M. Shahabaz, S. S. Sharma, and S. Divakara Shetty, “A review on finite element method for machining of composite materials,” Compos. Struct., vol. 176, pp. 790–802, Sep. 2017.O. A. Cort, “Materiales compuestos para la arquitectura recursos e impacto ambiental Materiales compuestos para la arquitectura recursos e impacto ambiental,” no. April, 2015.M. Antonio, V. Peña, D. Alexander, and G. Alvarado, “ARTÍCULO DE REVISIÓN Implantes Scaffolds para regeneración ósea. Materiales, técnicas y modelado mediante sistemas de reacción-difusión Scaffolds implants for the bone regeneration. Materials, techniques and modeling by means of reaction-diffusion systems,” pp. 1–11, 2016.P. O. V. Y. Ferrer Lozano, J. Vergara Pages, “Hidroxiapatita como sustituto del tejido óseo,” 2008. [Online]. Available: https://www.portalesmedicos.com/publicaciones/articles/1054/1/Hidroxiapatita-como-sustituto-del-tejido-oseo.html.C. V. Rosa, “Implantes dentales, precio 2018,” 2017.Y. Shikinami and M. Okuno, “Bioresorbable devices made of forged composites of hydroxyapatite (HA) particles and poly L-lactide (PLLA). Part II: Practical properties of miniscrews and miniplates,” Biomaterials, vol. 22, no. 23, pp. 3197–3211, 2001.L. Bruno, “Mechanical characterization of composite materials by optical techniques: A review,” Opt. Lasers Eng., vol. 104, no. April 2017, pp. 192–203, 2017.S. Gutierrez, “Analisis de Choques En Materiales Compuestos,” Universidad EAFIT, 2007.J. Torres, “Caracterización de la resistencia mecánica a tensión del Ácido Poliláctico/Hidroxiapatita por manufactura aditiva mediante Fabricación por Filamento Fundido (FFF),” 2019.M. Meng, H. R. Le, M. J. Rizvi, and S. M. Grove, “3D FEA modelling of laminated composites in bending and their failure mechanisms,” Compos. Struct., vol. 119, pp. 693–708, 2015.ASTM International, “Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics,” 2019.J. J. Del Coz Díaz, P. J. García Nieto, J. A. Vilán Vilán, and J. L. Suárez Sierra, “Non-linear analysis and calculation of the performance of a shelving protection system by FEM,” Appl. Math. Comput., vol. 218, no. 6, pp. 2365–2376, 2011.J.N. Ready, An Introduction to Nonlinear Finite Element Analysis. 2005.ANSYS Inc, “ANSYS HELP.” 2020.A. A. Soufivand, N. Abolfathi, S. A. Hashemi, and S. J. Lee, “Prediction of mechanical behavior of 3D bioprinted tissue-engineered scaffolds using finite element method (FEM) analysis,” Addit. Manuf., vol. 33, no. February, 2020.A. M. Abdullah, D. Mohamad, T. N. A. T. Rahim, H. M. Akil, and Z. A. Rajion, “Effect of narrow infill density gap on the compressive properties of 3D printed carbon fibre reinforced acrylonitrile butadiene styrene,” J. Mech. Sci. Technol., vol. 33, no. 5, pp. 2339–2343, 2019.K. Leksakul and M. Phuendee, “Development of hydroxyapatite-polylactic acid composite bone fixation plate,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 25, no. 5, pp. 903–914, 2018.C. Faldini et al., “A new ligament ‑ compatible patient ‑ specific 3D ‑ printed implant and instrumentation for total ankle arthroplasty : from biomechanical studies to clinical cases,” J. Orthop. Traumatol., 2020.J.-H. Park, M. Odkhuu, S. Cho, J. Li, B.-Y. Park, and J.-W. Kim, “3D-printed titanium implant with pre-mounted dental implants for mandible reconstruction: a case report,” Maxillofac. Plast. Reconstr. Surg., vol. 42, no. 1, pp. 0–3, 2020.C. Márquez and R. 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Chen et al., “Finite element analysis of intramedullary nailing and double locking plate for treating extra-articular proximal tibial fractures,” J. Orthop. Surg. Res., vol. 13, no. 1, pp. 1–8, 2018.S. Mondal et al., “Hydroxyapatite nano bioceramics optimized 3D printed poly lactic acid scaffold for bone tissue engineering application,” Ceram. 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Determinación mediante simulación computacional del comportamiento mecánico de piezas impresas por FDM con diferentes estructuras en celosía

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