ANÁLISIS NO LINEAL POR ELMENTO FINITO PARA MEJORAR LA VIDA ÚTIL EN INSERTOSPARA MEJORAR LA VIDA ÚTIL EN INSERTOS DE PRÓTESIS DE ARTICULACIÓN DE RODILLA

Instituto Tecnológico de Celaya

M.C. AGUSTÍN VIDAL LESSO RAÚL LESSO ARROYODepto. Ingeniería MecatrónicaInstituto Tecnológico de Celaya J. SANTOS GARCIA MIRANDA

Depto. Ingeniería MecánicaInstituto Tecnológico de CelayaInstituto Tecnológico de Celaya

agusvile@yahoo.com.mx, rlesso@itc.mx, santosg@itc.mx.

08/08/08ITC

01-461 6117575 ext. 320 y 207

CONTENIDOCONTENIDOINTRODUCCIÓN

OBJETIVO

METODOLOGÍA

RESULTADOSRESULTADOS

CONCLUSIONES

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INTRODUCCIÓNCASOS DE DESGASTE DE CARTÍLAGO DE RODILLA (OSTEOARTRITIS)

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Año 2010PRÓTESIS DE RODILLAPRÓTESIS DE RODILLA

Aprox. 3.5 millones depersonas con osteoartritisde rodillade rodilla.

DesgasteDesgaste del inserto

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OBJETIVO

Aumentar la vida útil de los insertos de prótesis de articulación deprodilla

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METODOLOGÍAAnálisis mediante el Método de

Elemento Finito (MEF)

MATERIALES

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Modelo analítico de profundidad deFischer-Cripps et al.2 Modelo analítico de profundidad de penetración en prueba Berkovich

( )⎪⎧ ( ) ⎪⎫⎤⎡( )⎪⎩

⎪⎨⎧

=− 212tan33 HHht θ ( )

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

+*2

22E

Hβπ

ππ

,correccióndegeométricofactorβdureza,H aplicada,cargaP n,penetraciódedprofundidaht

====

corregidoYoungdemóduloE,correccióndegeométricofactorβ dureza,H

* =

Oliver W. C. et al.1 Módulo elástico corregido

'111 22 vv −−

Módulo elástico corregido

'11

*1

Ev

Ev

E+=

E*= módulo elástico corregido E v= módulo elástico y relación

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E*= módulo elástico corregido, E, v= módulo elástico y relaciónde Poisson del material penetrado, E’ , v’= módulo elástico yrelación de Poisson del material del indentador

Modelos simplificados de nanoindentación y prótesis de rodilla•Indentador tipo Berkovich con un semiángulo de 65.27º

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RESULTADOS

Distribución de esfuerzos de vonDistribución de esfuerzos de von Mises en prueba de

nanoindentación

Desplazamientos

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6 00E+00

4.00E+00

5.00E+00

6.00E+00tr

ació

n (n

m)

Comparación de la curva depenetración experimental y

1 00E+00

2.00E+00

3.00E+00

fund

idad

pen

et ht anal. sim.

ht exp.

penetración experimental yanalítica-simulación.

0.00E+00

1.00E+00

0.00E+00 2.00E+01 4.00E+01 6.00E+01 8.00E+01

Carga (microN)

Prof

g ( )

2.00E+08

2.50E+08

H exp (Pa)

1.00E+08

1.50E+08

Dure

za (P

a) H sim (Pa)

Comparación de la curvade dureza experimental y

0.00E+00

5.00E+07

0.00E+00 1.00E+01 2.00E+01 3.00E+01 4.00E+01 5.00E+01 6.00E+01 7.00E+01 8.00E+01

analítica-simulación.

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Carga (microN)

Esfuerzos de von Mises (MPa) enEsfuerzos de von Mises (MPa) enUHMWPE sin recubrimiento.

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3000

2000

2500

3000is

es (M

Pa)

Comportamiento del esfuerzode von Mises del

500

1000

1500

fuer

zo v

on M recubrimiento versus su

espesor.

0

500

0 100 200 300 400 500 600 700

Espesor (micras)

Esf

Espesor (micras)

2 50E+01

3.00E+01

da

1.50E+01

2.00E+01

2.50E+01e

cicl

os d

e vi

Comportamiento del número deciclos de vida del recubrimientoversus su espesor.

0 00E+00

5.00E+00

1.00E+01

Num

ero

de

p

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0.00E+000 100 200 300 400 500 600 700

Espesor recubrimiento

CONCLUSIONES

Se logró reproducir satisfactoriamente la prueba de nanoindentación demanera virtual.

Los resultados obtenidos en la prueba de nanoindentación porsimulación, presentan una buena correlación con los resultadosexperimentales.

El recubrimiento genera esfuerzos menores en el substrato y produceuna distribución mas uniforme de esfuerzos en éste.

El espesor del recubrimiento influye en su magnitud de esfuerzo,encontrándose un decremento de hasta 50.84% al mayor espesoranalizado; produciendo con ello un aumento de vida útil del inserto

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analizado; produciendo con ello, un aumento de vida útil del inserto.

Á

[1] Oliver W C Pharr G M An improved technique for determining hardness and

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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4to Verano Estatal de Investigación. Agosto 2007.

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