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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2017/2018
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 083061 - COSTRUZIONI BIOMECCANICHE
Docente Pennati Giancarlo
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (363) INGEGNERIA BIOMEDICA*AZZZZ083061 - COSTRUZIONI BIOMECCANICHE
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (471) BIOMEDICAL ENGINEERING - INGEGNERIA BIOMEDICA*AZZZZ083061 - COSTRUZIONI BIOMECCANICHE

Programma dettagliato e risultati di apprendimento attesi

Obiettivi

Il corso di Costruzioni Biomeccaniche si propone di illustrare criteri e strumenti 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 biomeccaniche 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 di un materiale; costruzione del diagramma di Wöhler di un materiale o di un dispositivo biomeccanico; 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 una costruzione biomeccanica. Damage tolerant analysis di uno stent vascolare.

Cedimento per instabilità: carico di punta in alcuni dispositivi biomedici; instabilità e collasso di un tubo deformabile in depressione.

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. Viti di trasmissione (bioreattore).

Collegamenti mobili e 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.

 

Attività di laboratorio

Gli argomenti dei laboratori progettuali riguardano il rilievo e disegno di componenti biomeccanici e la loro modellazione solida tramite CAD.

 

Prerequisiti 

Risultano di estrema importanza le competenze fornite nei corsi di: Biomeccanica, Meccanica dei continui e delle strutture, Progettazione di Endoprotesi.

 

Risultati di apprendimento attesi

Ci si aspetta che alla fine del corso di Costruzioni Biomeccaniche gli allievi siano in grado di applicare in modo corretto gli strumenti di base per la progettazione di sistemi biomeccanici (disegno costruttivo, modelli analitici, modelli numerici, test sperimentali). In particolare, devono saper svolgere la verifica di resistenza e il dimensionamento di un dispositivo biomeccanico, con specifica attenzione alle problematiche di fatica, usura e tenuta dei collegamenti; viene anche richiesta la capacità di utilizzo delle norme tecniche nella progettazione e la verifica di dispositivi biomeccanici. 

 

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. 

 

 

 


Note Sulla Modalità di valutazione

L’esame finale consiste in una prova scritta che comprende un esercizio di dimensionamento o verifica di un dispositivo biomeccanico ed alcune domande teoriche.


Bibliografia

Software utilizzato
Nessun software richiesto

Mix Forme Didattiche
Tipo Forma Didattica Ore didattiche
lezione
54.0
esercitazione
44.0
laboratorio informatico
0.0
laboratorio sperimentale
0.0
progetto
0.0
laboratorio di progetto
10.0

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.9 / 1.6.9
Area Servizi ICT
27/01/2022