Kortikal Kemik Üzerinde Delme Sürecinin Sonlu Elemanlar Yöntemiyle İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, kemik delme işlemi sırasında meydana gelen termal etkiler ve mekanik gerilmeler, Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) kullanılarak simüle edilmiştir. Analizlerde, paslanmaz çelikten (4Cr13) üretilmiş matkap ucu ve kortikal kemik modelleri kullanılmıştır. Söz konusu modeller, Autodesk Fusion 360 yazılımında tasarlanmış ve ardından ABAQUS ortamına aktarılmıştır. Simülasyonda ilerleme hızı, dönme hızı ve başlangıç sıcaklığı gibi parametreler tanımlanmış, başlangıç sıcaklığı hem matkap ucu hem de kortikal kemik için 25 °C olarak kabul edilmiştir. Çıktı parametreleri ise sıcaklık ve Von Mises gerilmesi olarak belirlenmiştir. Delme işlemi sırasında ortaya çıkan sıcaklık artışı, biyolojik dokuların bütünlüğünü tehdit edebilir. Özellikle sıcaklığın 47 °C eşiğini aşması durumunda termal nekroz riski ortaya çıkmaktadır. Simülasyon bulguları, delme parametrelerinin sıcaklık ve gerilme dağılımlarına etkilerini ortaya koymuştur. Delme sırasında iş parçasındaki maksimum sıcaklık ve Von Mises gerilmesi sırasıyla 34,73 °C ve 160,8 MPa olarak bulunmuştur. Hava film tabakası ile basit bir soğutma kullanıldığında ise bu değerler sırasıyla 27,32 °C ve 148,1 MPa’dır. Bu tür çalışmalar, kemik yapısı üzerindeki operasyonlarda nekroz bölgesinden uzaklaşarak güvenli kesme parametrelerinin tespiti, bu parametrelerin nekroza etkilerinin simülasyon analizleri ile incelenmesi ve soğutma stratejilerinin geliştirilmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışma, delme sırasında oluşabilecek termal nekroz riskini en aza indirmek için soğutmanın ve kesme parametrelerinin önemini vurgulamakta ve işlem parametrelerinin optimize edilmesi yoluyla termal hasar riskinin azaltılabileceğini ortaya koymaktadır.

Keywords

• Sonlu elemanlar analizi
• paslanmaz çelik(4cr13)
• kortikal kemik

Investigation of Drilling Process on Cortical Bone Using Finite Element Method

Abstract

In this study, thermal effects and mechanical stresses occurring during bone drilling were simulated using the Finite Element Method (FEM). Stainless steel (4Cr13) drill bit and cortical bone models were used in the analyses. These models were designed in Autodesk Fusion 360 software and then transferred to ABAQUS environment. In the simulation, parameters such as feed rate, rotational speed and initial temperature were defined, and the initial temperature was accepted as 25 °C for both drill bit and cortical bone. The output parameters were determined as temperature and Von Mises stress. The temperature increase during the drilling process can threaten the integrity of biological tissues. Especially if the temperature exceeds the threshold of 47 °C, the risk of thermal necrosis arises. Simulation results revealed the effects of drilling parameters on temperature and stress distributions. The maximum temperature and Von Mises stress at the workpiece during drilling were found to be 34,73 °C and 160,8 MPa, respectively. When simple cooling with air film layer is used these values are 27,32 °C and 148,1 MPa. Such studies are of great importance in terms of determining safe cutting parameters away from the necrosis zone in operations on bone structure, investigating the effects of these parameters on necrosis by simulation analyses and developing cooling strategies. This study highlights the importance of cooling and cutting parameters to minimize the risk of thermal necrosis during drilling and shows that the risk of thermal damage can be reduced by optimizing process parameters.

Keywords

• Finite element analysis
• stainless steel (4cr13)
• cortical bone

References

1. Gürgül, S., Uzun, C., & Erdal, N. (2016). Kemik biyomekaniği. Gaziosmanpaşa Üniversitesi Tıp Fakültesi Dergisi, 8(1), 18-34.
2. Topaloğlu, U., Ketani, M. A., & Saruhan, B. G. (2017). Kemik doku ve kemikleşme çeşitleri. Dicle Üniversitesi Veteriner Fakültesi Dergisi, 10(1), 62-71.
3. Reis, A., Aslantaş, K., & Özkaya, E. (2021). Kemik Delme İşlemlerinde Farklı Kesme Koşullarının ve Kesme Parametrelerinin Kesme Sıcaklığı Üzerindeki Etkisinin Araştırılması.PoliteknikDergisi,24(4),1567-1577.
4. Alam, K., Qamar, S. Z., Iqbal, M., Piya, S., Al-Kindi, M., Qureshi, A., ... & Silberschmidt, V. V. (2023). Effect of drill quality on biological damage in bone drilling. Scientific Reports, 13(1), 6234.
5. Yıldırım, S., (2021). Nekroz VE GANGREN. Veteriner GENEL PATOLOJİ (pp.36-53), Erzurum: Atatürk Araştırma Merkezi.
6. Alam K, Piya S, Al-Ghaithi A, Silberschmidth V. Experimental investigation on the effect of drill quality on the performance of bone drilling. Biomed Tech (Berl). 2020 Jan 28;65(1):113-120. doi: 10.1515/bmt-2018-0184. PMID: 31437122.
7. Effatparvar MR, Jamshidi N, Mosavar A. Appraising efficiency of OpSite as coolant in drilling of bone. J Orthop Surg Res. 2020 May 29;15(1):197. doi: 10.1186/s13018-020-01710- w. PMID: 32471512; PMCID: PM7257170.
8. Yıldız, A. (2021). Delik delme işleminin sümülasyonu ve delik delme işlemlerinde kesme parametrelerine bağlı mekanik gerilmelerin incelenmesi. Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 124s, Ankara.

9. İlgün, A., Korkmaz, H. H., Malkoç, S., & Başçiftçi, F. A. (2004). İnsan Mandibulasinda Sonlu Elemanlar Metodu Kullanilarak Gerilme Analizi Yapilmasi. Selçuk Üniversitesi Mühendislik, Bilim ve Teknoloji Dergisi, 19(1), 29-38.
10. Wang, H., Gao, X., Wang, B., Wang, M., Liu, Y., Zan, T., ... & Liu, C. (2022). Evaluation of temperature distribution for bone drilling considering aging factor. Medicine in Novel Technology and Devices, 16, 100174.
11. Günay, M., Meral, T., & Korkmaz, M. E. (2018). AISI 420 Martenzitik paslanmaz çeliğin delinebilirliğinin sonlu elemanlar yöntemiyle analizi. Gazi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 4(3), 223-229.
12. Gümrükçü, Z., & Kurt, S. (2019). Sonlu Elemanlar Stres Analizi Yönteminin Implant Cerrahisinde Kullanimi. Atatürk Üniversitesi Diş Hekimliği Fakültesi Dergisi, 29(3), 534-541.
13. Güler, M., & Şen, S. (2016). Sonlu Elemanlar Yöntemi Hakkinda Genel Bilgiler. Ordu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 5(1), 56-66.
14. Gholampour S, Hassanalideh HH, Gholampour M, Frim D. Thermal and physical damage in skull base drilling using gas cooling modes: FEM simulation and experimental evaluation. Comput Methods Programs Biomed. 2021 Nov;212:106463. doi: 10.1016/j.cmpb.2021.106463. Epub 2021 Oct 12. PMID: 34688175.
15. Umer, U., Abidi, M. H., & Alkhalefah, H. (2024). Analyses and optimization for cortical bone drilling via finite element models and MOGA-II. Journal of Engineering Research.
16. Nam, H. S., Kim, J. S., Han, J. J., Kim, J. W., & Kim, Y. J. (2015, February). Ductile fracture simulation for A106 Gr. B carbon steel under high strain rate loading condition. In Recent Advances in Structural Integrity Analysis-Proceedings of the International Congress (APCF/SIF-2014):(APCFS/SIF 2014) (p. 37). Woodhead Publishing.
17. Li, L., Zhang, Y., Cui, X., Said, Z., Sharma, S., Liu, M., ... & Li, C. (2023). Mechanical behavior and modeling of grinding force: a comparative analysis. Journal of Manufacturing Processes, 102, 921-954. Erişim adresi: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.07.074.
18. Chen, C., Tu, Y., Chen, J., & Tang, E. (2023). Dynamic constitutive relationship of TiZrHfCu0. 5 high entropy alloy based on Johnson-Cook model. Journal of Materials Research and Technology, 27, 3729-3740.
19. Angın, D. (2012). Isı ve kütle aktarımı ders notları. Sakarya Üniversitesi. Retrieved from https://www.foodelphi.com/isi-ve-kutle-aktarimi-ders-notlari-1-yrd-doc-dr-dilek-angin/
20. DassaultSystèmes.(2024).Abaqus Documentation.Dassault-Systèmes.; https://www.3ds.com/products/simulia/abaqus/cae
21. Liu, Z., Yao, Z., Jiang, W., & Wang, J. (2023). Analysis of the influence of surgical robot drilling parameters on the temperature of skull drilling based on Box–Behnken design. Science Progress, 106(2), 00368504231180027.