TİBİAL KOMPONENT ÜRÜNLERİNİN FEM VE TAGUCHİ METODU TABANLI OPTİMİZASYONU

Year 2021, , 302 - 312, 31.08.2021

Burak Öztürk , Fehmi Erzincanlı

https://doi.org/10.46519/ij3dptdi.957419

Abstract

Çeşitli sağlık problemleri sebebiyle kıkırdak dokunun zarar görmesi sonucunda, insan vücudu ile uyumlu biyo-malzemelerden diz protezlerinin üretimi yapılmaktadır. Bu araştırmada, Tibial Komponent model geometrisi, tasarım yüzeylerinde gerilme değişimleri dikkate alınarak geliştirilmek istenmiştir. Bu nedenle, ilk olarak literatürde yapılan araştırmalar ve endüstride üretimi yapılan güncel ürünler incelenmiştir. Vidalı birleştirme ile montajı yapılan temel bir tasarım tipi analiz geometrisi olarak seçilmiştir. Bir tibial komponent CAD tasarımı için; model geometrisini oluşturan toplam 14 adet tasarım parametresi olduğu belirlenmiştir. Taguchi Metodu kullanılarak S/N oranları değişimlerini incelemek için, her bir tasarım parametresi dikkate alınarak farklı modeller L16 deney tasarımına göre modellenmiştir. Böylece tasarımı oluşturan 14 parametre ve seviyesinin analiz sonuçlarına etkisi incelenebilmiştir. Maksimum deformasyon, gerilme miktarı ve hacim değişimleri tüm geometri için tespit edilmiştir. Bununla birlikte tepsi üst yüzeyi en fazla kuvvete maruz kalacağı için bu yüzey alanında oluşan gerilme değişimleri de incelenmiştir. Ayrıca her bir tasarım parametresinin seviyelerinin % etkileri Varyans Analizi uygulanarak belirlenmiştir. 3974 mm3 hacim miktarına sahip bir geometri ile 6,2 emniyet katsayısına sahip bir tasarım geometrisi geliştirilmiştir. Bu sonuçlara göre, minimum ağırlık ve maksimum emniyet katsayısı dikkate alınarak her bir tasarım parametresinin seviyeleri seçilmiş sonuç olarak tasarımda optimizasyon sağlanmıştır. 

Keywords

Tibial Komponent, Tasarımda Optimizasyon, Sonlu Elemanlar Yöntemi, Taguchi Metodu

FEM AND TAGUCHI METHOD BASED OPTIMIZATION OF TIBIAL COMPONENT PRODUCTS

Abstract

As a result of damage to the cartilage tissue due to various health problems, knee prostheses are produced from bio-materials compatible with the human body. In this research, the Tibial Component model geometry was developed by taking into account the stress changes on the design surfaces. For this reason, firstly, the researches in the literature and the current products produced in the industry were examined. A basic design type assembled by screw coupling was chosen as the analysis geometry. For a tibial component CAD design; It has been determined that there are a total of 14 design parameters that make up the model geometry. In order to examine the changes in S/N ratios using the Taguchi Method, different models were modeled according to the L16 experimental design, taking into account each design parameter. Thus, the effect of 14 parameters and levels that make up the design on the analysis results could be examined. Maximum deformation, stress amount and volume changes were determined for the whole geometry. In addition, since the upper surface of the tray will be exposed to the most force, the stress changes in this surface area have also been examined. In addition, the % effects of the levels of each design parameter were determined by applying the Analysis of Variance. A geometry with a volume of 3974 mm3 and a design geometry with a factor of safety of 6.2 have been developed. According to these results, the levels of each design parameter were selected by considering the minimum weight and the maximum safety factor, and as a result, the design was optimized.

Keywords

Tibial Component, Optimization in Design, Finite Element Method, Taguchi Method

References

• 1. S. Boran C. Hurson K. Synnott P. Keogh, “Biomechanical analysis of tibial tray fractures post total knee Arthroplasty’’, Eur J Orthop Surg Traumatol, Vol 15, Pages 295–299, 2005.
• 2. C. Luring L. Perlick T. Schubert M. Tingart, ‘’A rare cause for knee pain: fracture of the femoral component after TKR. A case report’’, Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, Vol 15, Pages 756–757, 2007.
• 3. M. Wada , S. Imura, A. Bo, H. Baba, T. Miyazaki, “Stress fracture of the femoral component in total knee replacement’’, International Orthopaedics (SICOT ), Vol 21, Pages 54–55, 1997.
• 4. Cameron H., Welsh R. “Fracture of the femoral component in unicompartmental total knee arthroplasty’’, J Arthroplasty , Vol 5, Pages 31–317, 1990.
• 5. Moreland JR, “Fracture of a unicompartmental knee replacement femoral componen,’’ Clin Orthop Vol 206, Pages 166–168, 1986.
• 6. Sandborn P., Cook S., Kester M., Haddad R., “Fatigue failure of the femoral component of a unicompartmental knee’’, Clin Orthop,, Vol 222, Pages 249–254, 1987.
• 7. Konstantinos P., Claire M., Petra K., Peter G., “Fracture of the femoral component of a Brigham unicompartmental knee: a case report’’, Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, Vol 12, Pages 307–310, 2004.
• 8. M.Ermurat, F.Erzincanlı, M.A.Arslan, İ.Uzman, “Process Parameters Investigation of a Laser Generated Single Clad for Minimum Size Usign Design of Experiments”, Rapid Prototyping Journal, 2013.
• 9. Açıkgöz, H, Şekkeli, M, Gani, A, Keçecioğlu, Ö. “Simulation Study and Speed Control of Permanent Magnet Synchronous Motor By Using Self-Tuning Fuzzy-PID Controller”. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi Vol 18, Pages 17-22, 2015.
• 10. Akay, O , Gizlenci, Ö , Sönmez, K . “Bir Kurutma Sisteminde Kullanılan Zeolit Kurutma Yatağının Adsorpsiyon Performansının Deneysel Olarak İncelenmesi”. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi Sayı 21, Sayfa 100-106, 2018.
• 11. Öztürk, B, Uğur, L, Erzincanlı, F, Küçük, Ö. “Optimization of Polyethylene Inserts Design Geometry of Total Knee Prosthesis”. International Scientific and Vocational Studies Journal Vol 2, Pages 31-39, 2018.
• 12. Nas E., Öztürk B., “Optimization of surface roughness via the Taguchi method and investigation of energy consumption when milling spheroidal graphite cast iron materials’’, Materials Testing For Production Technologies, Vol 5, Pages 519-524, 2018
• 13. Öztürk B., ve Küçük Ö., “Bakır ve pirinç talaşı ile takviye edilmiş boru bağlantı elemanlarının iki farklı üretim türü için (SEC) Özel enerji tüketim modeli”, Politeknik Dergisi, Vol 23, Pages 27-35, 2020.
• 14. Küçük Ö., Öztürk B., Development Of Design Geometry Of Aluminum Fittings For Healthy And Safety Sanıtary Installatıons, Journal of Environmental Protectionand Ecology, Vol 18, Pages 776–787, 2017.
• 15. Küçük Ö., Öztürk B., Varhan S, “Investigation of the design parameters affecting the safety factor in fittings by using Taguchi method”, The Turkish Journal of Occupational / Environmental Medicine and Safety, Volume: The 2nd international Water and Health Congress -Issue: The 2nd international Water and Health Congress, , 0-10, 2017.
• 16. Mark L. Morrison, Shilesh J. and Amit P., “Design of an Advanced Bearing System for Total Knee Arthroplasty, Lubricants’’, Vol 3, Pages 475-492, 2015.
• 17. B.R. Rawala, Amit Y., Vinod P., “Life estimation of knee joint prosthesis by combined effect of fatigue and wear’’, Procedia Technology, Vol 23, Pages 60 – 67, 2016.
• 18. Tomaso V., Francesco M., Dario G., Maurizio C., Riccardo P., “Contact stresses and fatigue life in a knee prosthesis: comparison between in vitro measurements and computational simulations’’, Journal of Biomechanics, Vol 37, 45–53, 2004.