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CAD-MESH-FEM
REVERSE ENGINEERING FEM
Scan 3D Rapid Form
Sovrapposizione delle scansioni
Poligonalizzazione Curve
Hypermesh 3D
Superfici Preprocessor
Solutore:Ansys Postprocesso
Mesh
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
La geometria dell’osso mandibolare è stata acquisita con scanner laser 3D
risoluzione (250 μm)
• ampiezza di traslazione del carrello (20 cm)
• numero di scansioni (20)
Le scansioni sono state “pulite”con il software dello scanner CyDir
Materiali
Mandibola umana (uomo, 60 anni)
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
Sovrapposizione delle scansoni
Si ottiene così l’intera mandibola rappresentata come insieme di punti
Le fasi di miglioramento della nuvola di punti sono:
• filtraggio del rumore
• filtraggio della ridondanza, per eliminare punti troppo vicini o coincidenti
• sample, per ridurre il numero di punti
• smoothing, per eliminare la irregolarità della superficie
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
Trasforma la nuvola di punti in triangoli orientati
La complessità della geometria mandibolare ha richiesto un’operazione di smoothing
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
La superficie è stata partizionata servendosi di curve orizzontali e verticali parallele tra di loro
Le curve si infittiscono in corrispondenza delle regioni di geometria piùcomplessa e si diradano nelle zone geometricamente più regolari
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
Il file ottenuto, che rappresenta un’insieme di curve, è stato importato in Hypermesh 3D. La selezione di quattro o più curve che individuino una regione chiusa consente la creazione di superfici.
Si ottiene così il MODELLO GEOMETRICO della mandibola, che ben approssima la geometria reale
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
Prima di creare gli elementi finiti è necessaria una discretizzazione della superficie, realizzata attraverso la creazione di una mesh di elementi shell
La discretizzazione è stata realizzata su ogni singola superficie e creata scegliendo sui bordi della superficie il numero di punti di ancoraggio della mesh.
Nel caso in cui la meshottenuta automaticamente non sia soddisfacente èpossibile intervenire manualmente per modificare la forma degli elementi
Gli elementi utilizzati sono di forma quadrangolare
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
Applicando il procedimento a tutte le superfici si ottiene la mesh completa
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
E’ possibile passare dal modello shell al modello solido utilizzando solidi tetraedrici
La simulazione numerico-matematica è stata condotta utilizzando elementi SOLID45 e SHELL 41 della libreria Ansys
Solidi tetraedrici nel condilo
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
I carichi consistono in una forza di 15 N applicata entrante sui condili che simula una delle azioni dei muscoli ptericoidei sulla mandibola
I vincoli sono stati posti sotto forma di incastri che blocchino ogni grado di libertà in corrispondenza della spina mentale
Ansys è il software che consente di valutare come si distribuiscono nell’osso le deformazioni in conseguenza del carico imposto
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
ha otto nodi
può degenerare in prisma a base triangolare
• Il materiale è supposto isotropo con caratteristiche medie dell’osso prese da letteratura:
E = 0.5 GPa (osso trabecolare) E = 20 GPa (osso corticale)
ν = 0.33 (per entrambi)
SOLID45 per i solidi tetraedrici che simulano l’osso trabecolare
SHELL41 per gli elementi bidimensionali che simulano l’osso compatto
ha quattro nodi
può degenerare in triangolo
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
La mandibola subisce uno spostamento massimo in corrispondenza dei condili pari a 0,43 mm e minimo in corrispondenza della sinfisi
Deformata Displacement vector sum
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
La mandibola, posta tra i piatti di un dinamometro per prove elettromeccaniche, è stata deformata come dai risultati ottenuti dal FEM
L’avvicinamento dei condili con un carico di 15 N è in accordo con il valore fornitoci dall’analisi FEM
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
N
Car
ico
[N]
Spostamento [mm]
mandibola (secca) individuo sano circa 50 annicaricata fra i condili (carico N) avvicinamento condili (mm)
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
3D-CAD software
RhinoCeros (CAD)
Mimics (Materialise)
in vivo dataTAC MR
in vitro dataLaser Scan
Rapid Form
Create and clean digital models
Export the solid to layer (stl) file for RPExport the Initial
Graphics Exchange Specification (iges) for FE modeling
Hypermesh
Ansys
reverse engineering – rapid prototyping - modeling
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
0
5
10
15
20
0 30 60 90 120 150 180
adult upperchild upperadult lowerchild lower
specimen orientation [deg]0 30 60 90
osteons orientation [deg]
You
ng’s
mod
ulus
[MP
a]Anisotropia dell’osso corticale
5
10
15
20
25
30
0 15 30 45 60 75 90
molarpremolarincisal
specimen and osteon orientation [deg]
fresh-frozenramus
dryed anteriormandible
lowerregion
upperregion
mol
ar
prem
olar
inc i
sal
0° 180°
90°45° 135°
T. Hara et al. 1998 Y. Tamatsu et al. 1996
Design Modelling
ManufacturingValidazione del modello
•Mandibola sintetica mediante filament winding•Modello FEM•Mandibola naturale
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
inci
sal
prem
olar
mol
ar
2nd
mol
ar
Estensometro ottico
Estensimetria
Dinamometro
•curve forza-deformazione•rigidezza
•convergenza dei condili•convergenza dei molari
•deformazioni locali
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
Validazione del modello in composito
Rosetta E2
Rosetta I3
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
Validazione del modello teorico sperimentale
Avvicinamento dei molari
Dati in letteratura di deformazione e forzadurante l’apertura e la chiusura della mandibola
Forze esplicate dai muscoli pterigoidei
Avvicinamento dei condili
Mandibola edentula anni 55-65 Hobkirk, 1991
Mandibola giovane anni 25-35Chen et al., 2000
Tecniche radiograficheMurray et al., 1999
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
La tensione sviluppata da un muscolo dipende dalla sua lunghezza. •Tensione passiva, dovuto all’allungamento•Tensione attiva, sviluppata dal interazione actina-miosina.
Lunghezza dei sarcomeri (van Eijden et al., 1995; May et al., 2001; Monti et al., 1999) Attività elettromigrafica (Langenbach and Hannam, 1999; Phanachet et al., 2001
Forza sviluppata dai muscoli secondo modelli
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
La forza massima sviluppata dai muscoli pterigoidei mediale e laterale è rispettivamente pari a
170N e 67N
Langenbach and Hannam 1999Peck et al., 2000
Le linee di azione dei muscoli pterigoidei mediale e laterale rispetto al riferimento i,j,k sono 10.4 -10.4 56.6
25.9 -5.7 11.3Koolstra and van Eijden1995; May et al., 2001
La componente dei muscoli della direzione i del piano orizzontale è compresa fra 10N e 20N
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
Validazione del modello teorico sperimentale
Componente della forzadei muscoli (calcolata)Zarone et al., 2003
Hobkirk, 1991
Chen et al., 2000
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
Titanium mesh cage filled with bone mineral blocks infiltrated
with recombinant human BMP7
Bone-marrowmixture implantation
Reverse engineering & RP Right latissimus dorsi muscle
Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti
P H Warnke et al. Lancet 2004; 364: 766–70
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