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Obiettivi
Il corso di Costruzioni Biomeccaniche si propone di illustrare i criteri di base per la progettazione di sistemi biomeccanici, con particolare riferimento ai dispositivi per il sistema muscolo-scheletrico, dentale e cardiovascolare. Sulla base dell’analisi funzionale dei sistemi studiati, vengono definite le caratteristiche dei singoli componenti, per i quali viene impostata la verifica e il dimensionamento secondo le diverse esigenze, con particolare attenzione alle problematiche di affidabilità meccanica e resistenza a fatica; viene anche discusso l'uso delle norme tecniche nella progettazione e la verifica di dispositivi biomeccanici. Sono inoltre previste esercitazioni di laboratorio progettuale al fine di permettere agli allievi di sperimentare le moderne metodologie di progettazione di sistemi e componenti biomeccanici.
Programma delle lezioni e delle esercitazioni
Aspetti introduttivi: progettazione meccanica e biomeccanica; le fasi di un progetto; gli strumenti del progettista. Uso integrato di analisi teorica, prove sperimentali e modelli computazionali. Norme tecniche. Prove a norma. Prove tramite simulatori.
Disegno meccanico e progettazione: quotatura e processo tecnologico; quotatura e funzione del pezzo. Esempi applicativi. Disegno e realtà: errori di lavorazione; rugosità; tolleranze dimensionali; accoppiamenti con gioco o interferenza ; tolleranze geometriche; calcolo di accoppiamenti; catene di tolleranze.
Cedimento meccanico e verifica di resistenza: sforzo nominale, limite e ammissibile; coefficienti di sicurezza; resistenza a carichi statici; verifica in stato di sforzo semplice; effetto di intaglio sui diversi materiali; richiami ai criteri di resistenza in stato di sforzo composto; dimensionamento e verifica di un dispositivo.
Calcolo di azioni interne e sforzi in strutture 3D. Calcolo degli sforzi nominali in dispositivi biomeccanici.
Resistenza a fatica: generalità; esperienza e diagramma di Wöhler; rottura a fatica di elementi biomeccanici; tipi di sollecitazione ciclica; metodi per la determinazione del limite di resistenza a fatica; costruzione del diagramma di Wöhler; prove a fatica su protesi ortopediche: norme e problematica; fatica ed affidabilità di un dispositivo biomeccanico; fattori che influenzano la resistenza a fatica; sollecitazioni medie non nulle; diagramma di Haigh; margine di sicurezza a fatica; influenza di intaglio, dimensione pezzo, rugosità; verifica di resistenza a fatica in stato semplice; accumulo del danno a fatica; legge di Miner; verifica a fatica in stato di sforzo composto; dimensionamento a fatica di una protesi d’anca; utilizzo dei metodi FEM per la verifica di resistenza di una protesi di ginocchio. Leghe metalli che a memoria di forma e loro comportamento a fatica. Diversi approcci per la previsione della vita a fatica di uno stent vascolare.
Cedimento per instabilità: carico di punta in alcuni dispositivi biomedici; instabilità e collasso di un tubo deformabile in depressione.
Usura in biomeccanica: tribologia delle protesi articolari; attrito, lubrificazione, usura; diagramma di Stribeck; tipi di usura; valutazione dell'usura in protesi articolari; modelli di usura.
Elementi di collegamento in biomeccanica: collegamenti fissi e mobili; collegamenti forzati; calcolo del forzamento di un mozzo su un albero. Protesi modulari e protesi custom. Dimensionamento di un cono Morse di una protesi d'anca: modello analitico, rischio di disaccoppiamento dei collegamenti, micromovimenti e fretting. Rottura per fatica di protesi modulari. Collegamenti a vite negli impianti dentali; effetto dell'applicazione del carico masticatorio. Viti di pressione per il bloccaggio di snodi nei fissatori.
Attività di laboratorio
Gli argomenti dei laboratori progettuali riguardano il rilievo e disegno di componenti biomeccanici e la loro modellazione solida a calcolatore.
Prerequisiti
Risultano di estrema importanza le competenze fornite nei corsi di Biomeccanica e di Meccanica dei continui e delle strutture.
Biomechanical Design - brief program
Mechanical design and application to biomechanical devices. Dimensioned drawing. Tolerances and mechanical fits. Failure theories. Static and fatigue strength. Friction and wear. Computational methods for biomechanical design. Mechanical elements in biomechanical devices. Prosthesis modularity. Wringing and drive fits. Screws. Fluid containers and deformable pipes. Biomechanical design and evaluation of some biomedical devices. Joint prostheses and trauma fixation devices. Dental implants. Vascular prostheses.
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