Conceptual development of a knee simulating device for friction and wear testing of biomaterials

Over the past decades, the field of knee joint simulating devices has been constantly evolving. Different kinds of experimental simulators offered valuable insight over kinematic and loading behavior of a natural or artificial knee joint. However, as human life expectancy constantly increases, p...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Μωραΐτης, Κωνσταντίνος
Άλλοι συγγραφείς: Moraitis, Konstantinos
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/16026
id nemertes-10889-16026
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Knee simulators
Biomechanics
Conceptual design
Static structural analysis
Modal analysis
Εξομοιωτές γονάτου
Εμβιομηχανική
Θεωρητικός σχεδιασμός
Στατική δομική ακεραιότητα
Μελέτη ιδιοσυχνοτήτων
spellingShingle Knee simulators
Biomechanics
Conceptual design
Static structural analysis
Modal analysis
Εξομοιωτές γονάτου
Εμβιομηχανική
Θεωρητικός σχεδιασμός
Στατική δομική ακεραιότητα
Μελέτη ιδιοσυχνοτήτων
Μωραΐτης, Κωνσταντίνος
Conceptual development of a knee simulating device for friction and wear testing of biomaterials
description Over the past decades, the field of knee joint simulating devices has been constantly evolving. Different kinds of experimental simulators offered valuable insight over kinematic and loading behavior of a natural or artificial knee joint. However, as human life expectancy constantly increases, people tend to experience more and more fatigue around their knee joint, resulting in intense wear and pain, thus experiments over the new prosthetic technologies introduced have to accommodate accelerated and more demanding testing regimes of variant daily and sport activities. The main objective of this study was to develop a novel dynamic knee simulator that not only abide to but surpassed the requirements of the ISO 14243 Standard [1, 2], including the operating frequency,specimen mounting, positioning & alignment, range of motion and in-vitro conditions such as the incorporation of lubrication, temperature, and pH control systems. The first development step included the conceptual design of the simulator and its optimization using CATIA (Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, France) designing software, where factors such as design for assembly (DFA), design for manufacturing (DFM), ease of maintenance, safety measures and modularity determined the final result. Some of the key characteristics of the apparatus were the 6 degrees of freedom permitted between the two articulating bones with five controlled axes, the option to mount and investigate the performance of specimens regardless of their size, as well as a custom fluid test medium enclosing capsule that did not interfere with the outgoing procedure, even at the maximum flexion angle of 120 degrees. The next step was to investigate the structural integrity of the conceptual design introduced, by imposing severe static loading conditions to replicate complex daily activities by using the ANSYS Static structural software. Finally, through a modal analysis, vibration characteristics were inspected to ensure that the machine operated at a frequency different from its natural ones, so resonance could be avoided. Throughout the simulations, a mesh independence study in conjunction with non-linearities were included, to obtain more realistic and accurate results. According to the findings of this study, the introduced conceptual design of the knee simulating device was functional and reliable.
author2 Moraitis, Konstantinos
author_facet Moraitis, Konstantinos
Μωραΐτης, Κωνσταντίνος
author Μωραΐτης, Κωνσταντίνος
author_sort Μωραΐτης, Κωνσταντίνος
title Conceptual development of a knee simulating device for friction and wear testing of biomaterials
title_short Conceptual development of a knee simulating device for friction and wear testing of biomaterials
title_full Conceptual development of a knee simulating device for friction and wear testing of biomaterials
title_fullStr Conceptual development of a knee simulating device for friction and wear testing of biomaterials
title_full_unstemmed Conceptual development of a knee simulating device for friction and wear testing of biomaterials
title_sort conceptual development of a knee simulating device for friction and wear testing of biomaterials
publishDate 2022
url http://hdl.handle.net/10889/16026
work_keys_str_mv AT mōraïtēskōnstantinos conceptualdevelopmentofakneesimulatingdeviceforfrictionandweartestingofbiomaterials
AT mōraïtēskōnstantinos schediasmossyskeuēsprosomoiōsēskinēsēsarthrōsēsgonatougiametrēsētribēskaiphthorasbioülikōn
_version_ 1771297264792240128
spelling nemertes-10889-160262022-09-05T14:04:55Z Conceptual development of a knee simulating device for friction and wear testing of biomaterials Σχεδιασμός συσκευής προσομοίωσης κίνησης άρθρωσης γονατου για μέτρηση τριβής και φθοράς βιοϋλικών Μωραΐτης, Κωνσταντίνος Moraitis, Konstantinos Knee simulators Biomechanics Conceptual design Static structural analysis Modal analysis Εξομοιωτές γονάτου Εμβιομηχανική Θεωρητικός σχεδιασμός Στατική δομική ακεραιότητα Μελέτη ιδιοσυχνοτήτων Over the past decades, the field of knee joint simulating devices has been constantly evolving. Different kinds of experimental simulators offered valuable insight over kinematic and loading behavior of a natural or artificial knee joint. However, as human life expectancy constantly increases, people tend to experience more and more fatigue around their knee joint, resulting in intense wear and pain, thus experiments over the new prosthetic technologies introduced have to accommodate accelerated and more demanding testing regimes of variant daily and sport activities. The main objective of this study was to develop a novel dynamic knee simulator that not only abide to but surpassed the requirements of the ISO 14243 Standard [1, 2], including the operating frequency,specimen mounting, positioning & alignment, range of motion and in-vitro conditions such as the incorporation of lubrication, temperature, and pH control systems. The first development step included the conceptual design of the simulator and its optimization using CATIA (Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, France) designing software, where factors such as design for assembly (DFA), design for manufacturing (DFM), ease of maintenance, safety measures and modularity determined the final result. Some of the key characteristics of the apparatus were the 6 degrees of freedom permitted between the two articulating bones with five controlled axes, the option to mount and investigate the performance of specimens regardless of their size, as well as a custom fluid test medium enclosing capsule that did not interfere with the outgoing procedure, even at the maximum flexion angle of 120 degrees. The next step was to investigate the structural integrity of the conceptual design introduced, by imposing severe static loading conditions to replicate complex daily activities by using the ANSYS Static structural software. Finally, through a modal analysis, vibration characteristics were inspected to ensure that the machine operated at a frequency different from its natural ones, so resonance could be avoided. Throughout the simulations, a mesh independence study in conjunction with non-linearities were included, to obtain more realistic and accurate results. According to the findings of this study, the introduced conceptual design of the knee simulating device was functional and reliable. Τις τελευταίες δεκαετίες, ο τομέας των συσκευών προσομοίωσης της κίνησης της άρθρωσης του γονάτου συνεχώς εξελίσσεται. Διάφορα είδη πειραματικών διατάξεων προσέφεραν πολύτιμες γνώσεις σχετικά με την κινηματική συμπεριφορά και φόρτιση μιας φυσικής ή τεχνητής άρθρωσης γονάτου. Ωστόσο, ταυτόχρονα με το ολοένα και αυξανόμενο προσδόκιμο ζωής του ανθρώπου, αυξάνεται και η κόπωση γύρω από την άρθρωση του γονάτου που προκαλεί μεγαλύτερη φθορά και ενόχληση. Επομένως, τα πειράματα σχετικά με τις νέες τεχνολογίες προσθετικής που εισάγονται πρέπει να δοκιμάζονται υπό πιο απαιτητικά περιβάλλοντα με σύνθετες ρουτίνες φόρτισης, εξομοιώνοντας συγκεκριμένες αθλητικές δραστηριότητες. Ο βασικός στόχος της συγκεκριμένης μελέτης ήταν η ανάπτυξη ενός καινοτόμου δυναμικού εξομοιωτή γονάτου που όχι μόνο θα ανταποκρινόταν αλλά θα ξεπερνούσε τις απαιτήσεις του προτύπου ISO 14243 [1, 2], συμπεριλαμβανομένης της συχνότητας λειτουργίας, του εύρους κινήσεων, της τοποθέτησης και ευθυγράμμισης των οστών, τις συνθήκες in-vitro όπως και την ενσωμάτωση συστημάτων λίπανσης, θερμοκρασίας και ελέγχου του pH. Το πρώτο στάδιο ανάπτυξης περιλάμβανε τον θεωρητικό σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση του προσομοιωτή, χρησιμοποιώντας το λογισμικό σχεδίασης CATIA (Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, France). Οι παράγοντες που καθόρισαν το τελικό αποτέλεσμα ήταν ο σχεδιασμός για συναρμολόγηση (Design for Assembly, DFA), ο σχεδιασμός για την κατασκευή (Design for Manufacturing, DFM), η ευκολία συντήρησης, το κόστος, η εργονομία, όπως και τα μέτρα ασφαλείας κατά την χρήση. Μερικά από τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά της συσκευής ήταν η δυνατότητα για κίνηση στους 6 βαθμούς ελευθερίας στον χώρο, η κατάλληλη προσαρμογή και ευθυγράμμιση των δοκιμίων ανεξαρτήτως του μεγέθους τους, καθώς και η παρουσία ενός περιβλήματος εγκλεισμού του δοκιμίου με την προσθήκη κατάλληλου μέσου λίπανσης, που δεν παρεμπόδιζε την διεξαγωγή του πειράματος, ακόμα και στην μέγιστη γωνία κάμψης – έκτασης στις 120 μοίρες. Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διερεύνηση της δομικής ακεραιότητας του μοντέλου, επιβάλλοντας τις μέγιστες τιμές στατικών φορτίων που συλλέχθηκαν από την βιβλιογραφία, μέσω του λογισμικού ANSYS Static Structural. Τέλος, μέσω μιας ανάλυσης ιδιοσυχνοτήτων, εξετάστηκε η δυναμική συμπεριφορά του μοντέλου, έτσι ώστε να αποφευχθεί ο συντονισμός, δηλαδή η ταύτιση με την συχνότητα λειτουργίας. Πριν την εκπόνηση των αναλύσεων, προηγήθηκε μια μελέτη ανεξαρτησίας από την πυκνότητα του πλέγματος, όπως και λήφθηκαν υπόψιν οι μη γραμμικότητες, με σκοπό να εξαχθούν πιο ρεαλιστικά και ακριβή αποτελέσματα. Σύμφωνα με τα ευρήματα της μελέτης, ο θεωρητικός σχεδιασμός του εξομοιωτή γονάτου που εισήχθη, κρίθηκε λειτουργικός και αξιόπιστος. 2022-03-14T06:57:57Z 2022-03-14T06:57:57Z 2022-02-25 http://hdl.handle.net/10889/16026 en application/pdf