Prove di fatica su dispositivi biomedicali realizzati mediante produzione additiva: perché il carico multassiale è importante
Per i componenti biomedicali, eseguire prove di fatica rappresentative del carico fisico è fondamentale per rilevare l'effetto di difetti, anisotropia e altre variabili sulla durata, oltre che per ottenere l'approvazione normativa.
Scritto da: Rebecca Reiff-Musgrove
La produzione additiva (AM) viene adottata sempre più spesso per i dispositivi biomedicali, in particolare laddove la geometria specifica per il paziente, le strutture interne complesse e la rapida iterazione offrono chiari vantaggi clinici. Impianti ortopedici, dispositivi spinali, hardware di fissazione e relativi strumenti chirurgici vengono ormai prodotti regolarmente utilizzando processi additivi in metallo e polimeri. Poiché questi componenti sono destinati ad applicazioni portanti a lungo termine, le prestazioni a fatica diventano un fattore critico per garantire sicurezza, durata e approvazione normativa.
I dispositivi biomedicali raramente sono soggetti a un semplice carico uniassiale durante il servizio. Sono esposti a storie di carico complesse e multassiali derivanti dal movimento umano. Per i componenti realizzati in modo additivo, già sensibili ai difetti, all'anisotropia e alle condizioni superficiali, questa complessità di carico presenta sfide uniche che devono essere affrontate attraverso programmi di prove di fatica accuratamente progettati.
Perché la fatica è importante per i dispositivi biomedicali realizzati con produzione additiva
Il cedimento per fatica è un rischio ben noto per i dispositivi biomedicali. Componenti come steli femorali, placche ossee, barre spinali e impianti dentali devono resistere a milioni di cicli di carico in anni o decenni di servizio per evitare complessi interventi chirurgici di rimozione. Anche quando le sollecitazioni rimangono ben al di sotto della resistenza statica del materiale, il carico ripetuto può portare all'innesco di cricche, alla loro crescita e, infine, a un cedimento catastrofico.
Per i componenti biomedicali prodotti in modo additivo, non si può presumere che il comportamento a fatica corrisponda a quello degli equivalenti prodotti tradizionalmente. I processi di produzione additiva introducono caratteristiche microstrutturali come porosità, difetti di mancanza di fusione, rugosità superficiale e tensioni residue, che possono ridurre significativamente la vita a fatica. Inoltre, la natura strato su strato della produzione additiva crea proprietà meccaniche direzionali che interagiscono fortemente con le modalità di carico fisiologico.
Complessità del carico fisiologico: oltre la fatica uniassiale
Molti programmi di fatica convenzionali si basano sul carico di trazione o compressione uniassiale. Sebbene ciò possa fornire dati di base utili, rappresenta una semplificazione del reale ambiente di carico in vivo a cui sono sottoposti gli impianti biomedicali.
In servizio, i componenti biomedicali sono spesso soggetti a carichi combinati assiali e torsionali — ad esempio, gli impianti d'anca e di ginocchio subiscono carichi compressivi e momenti torsionali simultanei durante la camminata, oppure i dispositivi di fissazione sono sottoposti a cicli di taglio e rotazione alle interfacce osso-impianto. Ignorare queste modalità di carico combinato rischia di sottostimare l'accumulo di danni e di travisare le reali prestazioni a fatica.
Le prove combinate assiali-torsionali forniscono un quadro efficace per rappresentare meglio il carico fisiologico, offrendo al contempo una visione più approfondita del comportamento anisotropo dei materiali prodotti in modo additivo.
Approfondimenti sul comportamento a fatica assiale-torsionale
Molti processi additivi, in particolare la deposizione di filamenti polimerici e alcuni processi metallici, producono una microstruttura laminata. Le proprietà meccaniche dipendono quindi dalla direzione del carico rispetto agli strati depositati. Applicando carichi assiali e torsionali simultanei, i progettisti possono esaminare il comportamento apparente a trazione e a taglio attraverso una gamma di orientamenti.
Questi effetti sono particolarmente rilevanti per gli impianti in cui i percorsi di carico raramente si allineano con un singolo asse principale. Senza prove multassiali, tale comportamento rimarrebbe nascosto nei set di dati di fatica uniassiale convenzionali.
Prove rappresentative e approfondimenti a livello di impianto
Per i dispositivi biomedicali, le prove di fatica a livello di provino sono spesso insufficienti. La geometria locale, le strutture reticolari, le forme dei filetti e i trattamenti superficiali possono dominare il comportamento a fatica. I sistemi di prova a fatica a carico combinato forniscono una piattaforma flessibile che può evolvere dallo screening dei materiali a prove rappresentative a livello di caratteristiche o di componenti, aiutando i progettisti a comprendere meglio come si comportano gli impianti prodotti in modo additivo in condizioni di servizio realistiche.
Come Instron supporta le prove di fatica multassiale per i dispositivi biomedicali realizzati con produzione additiva
Instron® vanta una vasta esperienza nel supporto alle prove di fatica e durata per applicazioni biomedicali, compresi i materiali e i componenti prodotti in modo additivo. I sistemi di fatica combinata assiale-torsionale come ElectroPuls® sono soluzioni standard consolidate in grado di fornire carichi multassiali precisi e ripetibili.
I sistemi ElectroPuls consentono ai progettisti biomedicali di:
- Eseguire prove di fatica combinate assiali e torsionali accurate
- Mantenere un allineamento preciso per i materiali prodotti in modo additivo, anisotropi e sensibili ai difetti
- Caratterizzare la vita a fatica in condizioni di carico fisiologico realistiche
- Generare dati robusti e difendibili, adatti alla verifica del progetto e alla presentazione della documentazione normativa
Conclusione
Poiché la produzione additiva continua a trasformare la progettazione dei dispositivi biomedicali, le prove di fatica devono evolversi per riflettere sia le realtà materiali della produzione additiva sia la complessità del carico fisiologico. Le prove di fatica combinate assiali-torsionali forniscono uno strumento potente per rivelare l'anisotropia, comprendere i meccanismi di danno e generare dati che riflettano meglio le prestazioni in servizio.
Combinando carichi multassiali rappresentativi con sistemi di prova di alta qualità e ripetibili, i progettisti biomedicali possono valutare con sicurezza le prestazioni a fatica, ridurre i rischi di qualificazione e introdurre in modo sicuro nell'uso clinico dispositivi innovativi prodotti in modo additivo e specifici per il paziente.
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Informazioni sull'autore
Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove è Business Development Manager per ElectroPuls presso Instron. Il suo background include un MSci conseguito all'Università di Cambridge con un focus sulle proprietà superficiali delle parti prodotte in modo additivo, oltre a precedenti ruoli nelle prove sui materiali per l'industria della produzione additiva. In Instron, ha ricoperto diversi ruoli tecnici e commerciali, che le hanno permesso di acquisire una profonda conoscenza sia della tecnologia che delle sfide dei clienti che essa affronta.