Thesis Estudio numérico de espumas metálicas de una aleación (β+γ)-TiNbTa con porosidad funcionalmente dirigida fabricadas por la técnica pulvimetalúrgica de espaciadores para aplicaciones biomédicas
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Date
2023-03
Authors
Campillo Canto, Mauricio Alejandro
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Abstract
El hueso es un tejido cuya estructura y densidad son dinámicas, las que varían en base a los estímulos externos. Cuando un elemento de fijación metálico (i.e: prótesis) es incorporado como refuerzo, la diferencia de rigidez entre el implante y el hueso produce un desbalance en la trasferencia de cargas sobre la zona afectada, transfiriendo casi la totalidad de la carga mecánica al elemento de refuerzo, fenómeno conocido como stress shielding. En las zonas donde el hueso posee baja estimulación mecánica se produce reabsorción ósea, a la vez que en aquellos puntos donde se concentran las carga se produce una hiperdensidad ósea no deseada. Para mejorar el desempeño de nuevos implantes y mitigar los efectos del stress shielding, gran parte de los esfuerzos en investigación a nivel mundial están orientados hacia el desarrollo de nuevas aleaciones en base a titanio que posean baja rigidez y alta resistencia. Con ello, nuevos materiales en base a titanio que incorporan elementos que estabilizan la fase _-Ti (BCC), como el Nb y Ta, permiten reducir el módulo elástico, respecto del titanio en fase _ (HCP). Un novedoso método para la producción de aleaciones metálicas a baja temperatura es la Aleación Mecánica (AM). Este proceso permite que parte de la fase _ de la aleación se transforme alotrópicamente en fase -Ti (FCC), obteniendo una aleación (β+γ)-TiNbTacon una menor rigidez. Un segundo foco de investigación para este objetivo se centra en el desarrollo de estructuras e incorporación de porosidad para así controlar de forma precisa las propiedades (físicas y/o mecánicas) resultantes. La utilización de materiales que combinan el uso de aleaciones de baja rigidez con estructuras con porosidad orientada, para obtener un comportamiento específico similar al del tejido óseo, ofrecen una alternativa para alcanzar una respuesta mecánica que permita mitigar aún más los efectos del stress shielding. El objetivo principal de este trabajo es desarrollar la extensión de una metodología numérica basada en la utilización conjunta del Método de Elementos Finitos (FEM) y el Método de los Elementos Discretos (DEM), como herramienta para determinar la respuesta mecánica compresiva en régimen lineal elástico de espumas metálicas fabricadas por pulvimetalurgia de espaciadores en una aleación (β+γ)-TiNbTa con porosidad funcionalmente dirigida. Esta etodología utiliza la simulación DEM para la generación de un modelo CAD con porosidad homogénea que se utiliza como dominio en un análisis mediante FEM con un esquema de homogeneización de dos escalas bajo una condición de borde aproximadamente periódica modificada y una pequeña perturbación lineal para calcular las constantes elásticas aparentes, las que posteriormente son transferidas a un modelo FEM con porosidad funcionalmente dirigida como un modelo constitutivo elástico-lineal homogéneo por zonas o estratos. Los resultados obtenidos son consistentes con otras metodologías, y muestran que espumas de (β+γ)-TiNbTacon porosidad funcionalmente dirigida en forma radial que posean porosidades promedio del orden de 35% son capaces de exhibir módulos elásticos aparentes similares al del hueso cortical, ofreciendo características que cumplen con los requerimientos de biocompatibilidad y mayor reducción del stress shielding que aquellas con porosidad homogénea
Description
Keywords
Espumas Metálicas , Método Elementos Finitos , Método Elementos Discretos
