تحلیل تجربی، آنالیز حساسیت و بهینه سازی تاثیر پارامترهای زاویه رأس و زاویه مارپیچ مته بر روی رفتار دمای فرایند سوراخکاری استخوان کورتیکال

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

3 کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

4 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه اراک، اراک، ایران

چکیده

در این پژوهش با درنظر گرفتن زاویه مارپیچ و زاویه رأس مته به عنوان مهمترین فاکتورهای هندسی مته و با استفاده از روش طراحی آزمایش‌ها بر مبنای روش سطح پاسخ، رفتار دما و نکروز گرمایی در سوراخکاری استخوان بررسی شده است. بدین منظور ضمن انجام آزمایش‌های تجربی بر روی استخوان کورتیکال ران تازه گاو یک معادله رگرسیون خطی مرتبه دوم برای رفتار دما استخراج گردیده و از دقت آن اطمینان حاصل شده است. با استفاده از روش تحلیل حساسیت آماری سوبل، میزان تأثیر دقیق هریک از پارامترهای ورودی زاویه رأس و زاویه مارپیچ بر خروجی دما به دقت بررسی شده است. همچنین با استفاده از روش بهینه سازی درینگر  کمترین مقدار دمای ایجاد شده در بازه تغییر فاکتورهای ورودی فرآیند ارائه گردیده است. نتایج نشان می دهند کمترین دمای ایجاد شده در بافت استخوان در زاویه رأس 90 و زاویه مارپیچ 27 درجه حاصل می‌گردد. همچنین با افزایش زاویه رأس و کاهش زاویه مارپیچ دمای ایجاد شده در بافت استخوان در فرآیند سوراخکاری افزایش می‌یابد. همچنین تغییرات دما حساسیت بیشتری به تغییرات زاویه مارپیچ نسبت به زاویه رأس مته دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Bachus K. N., Rondina M. T. and Hutchinson D. T., The effects of drilling force on cortical temperatures and their duration: an in vitro study. Medical engineering & physics, Vol. 22, No. 10, pp. 685-691, 2000.
[2] Bronner F., Farach-Carson M. C. and Rubin J., Bone resorption. Springer Science & Business Media, London, 2006.
[3] Lundskog J., Heat and bone tissue. An experimental investigation of the thermal properties of bone and threshold levels for thermal injury. Scandinavian Journal of Plastic and Reconstructive Surgery and Hand Surgery, Vol. 9, pp. 72-74, 1972.
[4] Eriksson A. R. and Albrektsson T., Temperature threshold levels for heat-induced bone tissue injury: a vital-microscopic study in the rabbit. Journal of Prosthetic Dentistry, Vol. 50, No. 1, pp. 101-107, 1983.
[5] Narasimha K., Osman M. O. M., Chandrashekhar S and Frazao J., An investigation into the influence of helix angle on the torque-thrust coupling effect in twist drills. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 2, pp. 91-105, 1987.
[6] Bechtol C., Ferguson A. and Laing P. J., Metals and engineering in bone and joint surgery. California Medicine, Vol. 91, No. 5, pp. 303-304, 1959.
[7] Jacob C. H., Berry J. T., Pope M. H. and Hoaglund F. T., A study of the bone machining process—drilling. Journal of Biomechanics, Vol. 9, No. 5, pp. 343-349, 1976.
[8] Singh G., Jain V., Gupta D. and Sharma A., Parametric effect of vibrational drilling on osteonecrosis and comparative histopathology study with conventional drilling of cortical bone. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, Vol. 232, No. 10, pp. 975-986, 2018.
[9] Kalidindi V., OPTIMIZ OPTIMIZATION OF DRILL DESIGN AND COOL TION OF DRILL DESIGN AND COOLANT SYSTEMS DURING DEN DURING DENTAL IMPL AL IMPLANT SURGER T SURGERY, MSc. Thesis, University of Kentucky, 2004.
[10] Augustin G., Zigman T., Davila S., Udilljak T., Staroveski T., Brezak D. and Babic S., Cortical bone drilling and thermal osteonecrosis. Clinical biomechanics, Vol. 27, No. 4, pp. 313-325, 2012.
[12] Pandey R. K. and Panda S. S., Evaluation of delamination in drilling of bone. Medical engineering & physics, Vol. 37, No. 7, pp. 657-664, 2015.
[13] Tuijthof G. J. M., Frühwirt C. and Kment C., Influence of tool geometry on drilling performance of cortical and trabecular bone. Medical engineering & physics, Vol. 35, No. 8, pp. 1165-1172, 2013.
[14] Singh G., Jain V., Gupta D. and Ghai A., Optimization of process parameters for drilled hole quality characteristics during cortical bone drilling using Taguchi method. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, Vol. 62, pp. 355-365, 2016.
[15] Fuchsberger A., Damaging temperature during the machining of bone. Unfallchirurgie, Vol. 14, No. 4, pp. 173-183, 1988.
[16] Natali C., Ingle P. and Dowell J., Orthopaedic bone drills–can they be improved? Temperature changes near the drilling face. The Journal of bone and joint surgery, Vol. 78, No. 3, pp. 357-362, 1996.
[17] Farnworth G. H. and Burton J. A., Optimization of drill geometry for orthopaedic surgery. In Proceedings of the Fifteenth International Machine Tool Design and Research Conference, Palgrave, London, 1975.
[18] Green S. A. and Dahl M., Intramedullary Limb Lengthening. Springer Nature, New York, 2017.
[19] Höller C., Technical and Economic Analysis of the Process of Surgical Bone Drilling and Improvement Potentials, MSc. Thesis, Graz University of Technology, 2015.
[20] Tahmasbi V., Ghoreishi M. and Zolfaghari M., Modeling and multi objective optimization of effective parameters in drilling cortical bone. Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 13, pp. 113-119, 2015.
[21] Haddadi E., Moradi M., Ghavidel Ay. K., Ghavidel A. K. and Meiabadi S., Experimental and parametric evaluation of cut quality characteristics in CO2 laser cutting of polystyrene. Optik, Vol. 184, pp. 103-114, 2019.
[22] Montgomery D.C., Design and Analysis of Experiments: Second Edittion. John Wiley & Sons, New York, 2008.
[23] Moradi M., Meiabadi S. and Kaplan A., 3D printed parts with honeycomb internal pattern by fused deposition modelling; experimental characterization and production optimization. Metals and Materials International, Vol. 25, No. 5, pp. 1312-1325, 2019.
[24] Sobol I. M., Sensitivity estimates for nonlinear mathematical models. Mathematical modelling and computational experiments, Vol. 1, No. 4, pp. 407-414, 1993.
[25] Korayem M. H., Rastegar Z. and Taheri M., Sensitivity analysis of nano-contact mechanics models in manipulation of biological cell. Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 2, No. 3, pp. 49-56, 2012.
[26] Wang W., Shi Y., Yang N. and Yuan X., Experimental analysis of drilling process in cortical bone. Medical engineering & physics, Vol. 36, No. 2, pp. 261-266, 2014.
[27] Alam K., Ghodsi M., Al-Shabib A. and Silberschmidt V., Experimental study on the effect of point angle on force and temperature in ultrasonically assisted bone drilling. Journal of Medical and Biological Engineering, Vol. 38, No. 2, pp. 236-243, 2018.
[28] Staroveski T., Brezak D. and Udiljak T., Drill wear monitoring in cortical bone drilling. Medical engineering & physics, Vol. 37, No. 6, pp. 560-566, 2015.
[29] Tahmasbi V., Ghoreishi M. and Zolfaghari M., Sobol Sensitivity Analysis, Modeling and Optimization Effective Parameters of Force in Bone Drilling Processes. Journal of Mechanical Engineering (University of Tabriz), Vol. 48, No. 2, pp. 229-237, 2018.
[30] Knight W. A. and Boothroyd G., Fundamentals of metal machining and machine tools. CRC Press, Florida, 2005.
[31] Altintas Y., Manufacturing automation: metal cutting mechanics, machine tool vibrations, and CNC design. Cambridge University press, Cambridge, 2012.