ANÁLISIS DEL EFECTO DE LA POROSIDAD GRADIENTE SOBRE EL MÓDULO ELÁSTICO EN ESPUMAS DE ALEACIONES BASE TITANIO CON ESTRUCTURA FCC MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS

Abstract

Las espumas metálicas presentan interesantes propiedades físicas y químicas para uso ingenieril, permitiendo nuevas oportunidades en aplicaciones con materiales biomédicos. La porosidad añadida en estos materiales, que en general es homogénea, afecta a sus propiedades físicas tales como su densidad relativa y módulo elástico. Más aún, materiales con un gradiente de porosidad son capaces de balancear propiedades mecánicas con propiedades biocompatibles; ambos requisitos necesarios para ser considerados biomateriales. Este trabajo de título está enmarcado en un proyecto de investigación, FONDECYT 1190797, en el cual se desarrollan espumas metálicas de aleaciones de Titanio. En base a esto, se requieren soluciones robustas y eficientes para evaluar y predecir el módulo elástico de espumas metálicas con distribución de porosidad gradiente; diseñadas con nuevas aleaciones base Ti que poseen estructura cristalina cubica centrada en las caras (“FCC”). En este estudio se desarrollan 4 modelos RVE de espumas con porosidad gradiente, que son simulados a través del método de elementos finitos (MEF). Mediante los resultados de las simulaciones es posible analizar el efecto que produce la porosidad gradiente sobre el módulo elástico de 3 espumas distintas de aleaciones base Titanio (Ti-33Nb 4Mn, Ti-30Nb-13Ta, Ti-13Ta-6Sn), y una de Titanio comercialmente puro. Se diseñan 4 configuraciones de distribución de porosidad gradiente para cada material donde la porosidad promedio varía de 30% a 40%v/v. Estos modelos sirven para analizar la evolución de porosidad y su morfología. Los modelos son transferidos al software de elementos finitos ANSYS Mechanical (2019, R2), donde se aplica el mallado y se determinan las condiciones de contorno para un ensayo de compresión, que consisten en una carga uniaxial con nodos acoplados en la cara superior del modelo. Con la respuesta al estímulo aplicado sobre los modelos es posible simular y obtener el módulo de Young. Los resultados indican que al aumentar progresivamente la porosidad promedio en los modelos, aumenta la irregularidad y complejidad en su morfología; producto de la coalescencia de los poros, que generan finalmente un tamaño mayor de poro. Se estima que la porosidad mínima para que haya interconexión es de al menos 30%. La aleación que cumple con los valores de hueso humano tanto de módulo elástico (~30 GPa) y porosidad (30-40%) es la aleación Ti-13Ta-6Sn, la cual obtiene un módulo elástico simulado de 30.7 (GPa). Las aleaciones restantes requieren de una porosidad promedio sobre 40% para obtener un módulo elástico cercano a la del hueso cortical. Los valores de módulo de elasticidad simulados a 40% de porosidad promedio son: 43, 35, 30.7 y 67.6 (GPa) para las aleaciones Ti-33Nb-4Mn, Ti-30Nb-13Ta, Ti-13Ta-6Sn y Ti comercial puro respectivamente. Para analizar el efecto de la porosidad gradiente sobre el módulo de Young, se relacionaron los valores de módulo elástico en función de la porosidad promedio. La porosidad gradiente produce un cambio en el comportamiento elástico, donde las capas externas de la espuma (de 20% de porosidad) actúan como soportes de la espuma, y donde el ajuste no lineal de la curva, entrega un exponente de 0.87 para todas las aleaciones, el cual se estima que es indicativo del tipo de geometría de porosidad (porosidad gradiente con soportes externos).