Ensayos de fatiga de dispositivos biomédicos fabricados aditivamente: por qué es importante la carga multiaxial
En los componentes biomédicos, los ensayos de fatiga representativos de la carga física son fundamentales para captar el efecto de los defectos, la anisotropía y otras variabilidades en la durabilidad, así como para obtener la aprobación reglamentaria.
Escrito por: Rebecca Reiff-Musgrove
La fabricación aditiva (AM) se adopta cada vez más para dispositivos biomédicos, especialmente cuando la geometría específica del paciente, las estructuras internas complejas y la iteración rápida ofrecen claros beneficios clínicos. Los implantes ortopédicos, los dispositivos espinales, el material de fijación y las herramientas quirúrgicas asociadas se fabrican ahora de forma rutinaria mediante procesos aditivos de metal y polímeros. Dado que estos componentes están destinados a aplicaciones de soporte de carga a largo plazo, el rendimiento a la fatiga se convierte en un factor crítico para garantizar la seguridad, la durabilidad y la aprobación reglamentaria.
Los dispositivos biomédicos rara vez experimentan una carga uniaxial simple en servicio. Están expuestos a historiales de carga multiaxiales y complejos impulsados por el movimiento humano. Para las piezas fabricadas aditivamente, que ya son sensibles a los defectos, la anisotropía y el estado de la superficie, esta complejidad de carga presenta desafíos únicos que deben abordarse mediante programas de ensayos de fatiga cuidadosamente diseñados.
Por qué es importante la fatiga para los dispositivos biomédicos fabricados aditivamente
El fallo por fatiga es un riesgo bien reconocido para los dispositivos biomédicos. Componentes como los vástagos de cadera, las placas óseas, las varillas espinales y los implantes dentales deben soportar millones de ciclos de carga durante años o décadas de servicio para evitar complejas cirugías de extracción. Incluso cuando las tensiones se mantienen muy por debajo de la resistencia estática del material, la carga repetida puede provocar la iniciación de grietas, su crecimiento y, en última instancia, un fallo catastrófico.
En el caso de los componentes biomédicos fabricados aditivamente, no se puede suponer que el comportamiento a la fatiga coincida con el de sus equivalentes fabricados tradicionalmente. Los procesos de fabricación aditiva introducen características microestructurales como porosidad, defectos por falta de fusión, rugosidad superficial y tensiones residuales, todo lo cual puede reducir significativamente la vida a fatiga. Además, la naturaleza capa por capa de la fabricación aditiva crea propiedades mecánicas direccionales que interactúan fuertemente con los modos de carga fisiológica.
Complejidad de la carga fisiológica: más allá de la fatiga uniaxial
Muchos programas de fatiga convencionales se basan en cargas uniaxiales de tracción o compresión. Aunque esto puede proporcionar datos de referencia útiles, representa una simplificación del entorno real de carga in vivo que experimentan los implantes biomédicos.
En servicio, los componentes biomédicos se ven sometidos con frecuencia a una combinación de cargas axiales y de torsión; por ejemplo, los implantes de cadera y rodilla experimentan una carga de compresión y momentos de torsión simultáneos al caminar, o los dispositivos de fijación se ven sometidos a cizallamiento cíclico y rotación en las interfaces hueso-implante. Ignorar estos modos de carga combinados conlleva el riesgo de subestimar la acumulación de daños y falsear el rendimiento a la fatiga real.
Los ensayos combinados de tracción y torsión proporcionan un marco potente para representar mejor la carga fisiológica, al tiempo que ofrecen una visión más profunda del comportamiento anisotrópico de los materiales fabricados aditivamente.
Información sobre el comportamiento a la fatiga por tracción-torsión
Muchos procesos aditivos, en particular la deposición de filamentos poliméricos y algunos procesos metálicos, producen una microestructura laminada. Por lo tanto, las propiedades mecánicas dependen de la dirección de la carga en relación con las capas depositadas. Al aplicar cargas axiales y de torsión simultáneas, los ingenieros pueden interrogar el comportamiento aparente de tracción y cizallamiento en una gama de orientaciones.
Estos efectos son especialmente relevantes para los implantes en los que las trayectorias de carga rara vez se alinean con un único eje principal. Sin ensayos multiaxiales, tal comportamiento permanecería oculto en los conjuntos de datos de fatiga uniaxiales convencionales.
Ensayos representativos y conocimiento a nivel de implante
Para los dispositivos biomédicos, los ensayos de fatiga a nivel de probeta suelen ser insuficientes. La geometría local, las estructuras de red, las formas de las roscas y los tratamientos superficiales pueden dominar el comportamiento a la fatiga. Los sistemas de ensayos de fatiga de carga combinada proporcionan una plataforma flexible que puede evolucionar desde el cribado de materiales hasta ensayos representativos a nivel de característica o de componente, ayudando a los ingenieros a comprender mejor cómo se comportan los implantes fabricados aditivamente en condiciones de servicio realistas.
Cómo ayuda Instron en los ensayos de fatiga multiaxiales para dispositivos biomédicos fabricados aditivamente
Instron® cuenta con una amplia experiencia en el apoyo a los ensayos de fatiga y durabilidad para aplicaciones biomédicas, incluidos los materiales y componentes fabricados aditivamente. Los sistemas de fatiga combinada de tracción-torsión, como el ElectroPuls®, son soluciones estándar consolidadas capaces de proporcionar una carga multiaxial precisa y repetible.
Los sistemas ElectroPuls permiten a los ingenieros biomédicos:
- Realizar ensayos de fatiga combinados de tracción y torsión precisos
- Mantener una alineación precisa para materiales fabricados aditivamente anisotrópicos y sensibles a los defectos
- Caracterizar la vida a fatiga en condiciones de carga fisiológica realistas
- Generar datos sólidos y defendibles adecuados para la verificación del diseño y la presentación reglamentaria
Conclusión
A medida que la fabricación aditiva sigue transformando el diseño de dispositivos biomédicos, los ensayos de fatiga deben evolucionar para reflejar tanto las realidades materiales de la fabricación aditiva como la complejidad de la carga fisiológica. Los ensayos de fatiga combinados de tracción-torsión proporcionan una herramienta potente para revelar la anisotropía, comprender los mecanismos de daño y generar datos que reflejen mejor el rendimiento en servicio.
Al combinar una carga multiaxial representativa con sistemas de ensayo repetibles y de alta calidad, los ingenieros biomédicos pueden evaluar con confianza el rendimiento a la fatiga, reducir el riesgo de calificación y llevar de forma segura al uso clínico dispositivos innovadores fabricados aditivamente y específicos para cada paciente.
Suscríbase a las novedades de Instron
¡Manténgase al día sobre las tendencias de la industria, las normas de ensayo, las aplicaciones, los consejos y trucos, y mucho más!
Relacionado
- ¿Por qué la fabricación aditiva requiere un enfoque diferente para los ensayos mecánicos?
- Rendimiento a fatiga en la fabricación aditiva: retos para el diseño, los ensayos y la cualificación
- Por qué los ensayos de fatiga precisos son esenciales para las piezas de automoción fabricadas mediante fabricación aditiva
- Piezas aeroespaciales fabricadas aditivamente: por qué son importantes los ensayos de fractura
Sobre el autor
Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove es Gerente de Desarrollo de Negocio para ElectroPuls en Instron. Su formación incluye un MSci por la Universidad de Cambridge centrado en las propiedades superficiales de las piezas fabricadas aditivamente, así como funciones anteriores en ensayos de materiales para la industria de la fabricación aditiva. En Instron, ha desempeñado diversos cargos técnicos y comerciales, lo que le ha proporcionado un conocimiento fundamentado tanto de la tecnología como de los retos de los clientes a los que responde.