L'insegnamento di Costruzioni Biomeccaniche si propone di illustrare criteri e strumenti di base per la progettazione di sistemi biomeccanici, con particolare riferimento ai dispositivi protesici 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 alcune metodologie di progettazione di sistemi e componenti biomeccanici.

Ci si aspetta che alla fine dell'insegnamento di Costruzioni Biomeccaniche gli allievi siano in grado di:

- formulare  un percorso efficace per la  progettazione di una costruzione biomeccanica (dispositivo o set-up di prova), identificandone gli aspetti fondamentali e specifici e definendo in autonomia le possibili soluzioni progettuali (DD1)

- applicare in modo corretto gli strumenti di base per la progettazione di sistemi biomeccanici (disegno costruttivo, modelli analitici, modelli numerici, test sperimentali), scegliendo lo strumento più adatto alle specifiche problematiche e fasi della progettazione (DD2)

- svolgere la verifica di resistenza e il dimensionamento di un dispositivo biomeccanico, con specifica attenzione alle problematiche di fatica, usura e tenuta dei collegamenti (DD2,DD3)

- utilizzare in modo critico le norme tecniche in fase di progettazione e verifica di dispositivi biomeccanici (DD3)

- 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 nelle costruzioni biomeccaniche: 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.

- 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.

Esercitazioni e attività di laboratorio

Alle lezioni teoriche verranno affiancate attività pratiche, utili alla comprensione degli aspetti teorici presentati:

i) svolgimento di temi d’esame; ii) analisi in aula di costruzioni biomeccaniche; iii) analisi di norme tecniche: iv) analisi di lavori scientifici; v) descrizione di esempi applicativi e “case histories”; vi) laboratorio progettuale sul rilievo e disegno di componenti biomeccanici.

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

• Meccanica dei continui e delle strutture: calcolo di azioni interne (isostatiche) nel piano; sforzi e deformazioni; casi di De Saint Venant; linea elastica; criteri di resistenza statica
• Biomeccanica: risposta dei tessuti all’impianto di dispositivi; elementi di fluidodinamica; calcolo di azioni interne nello spazio; elementi di base del disegno meccanico
• Progettazione di Endoprotesi: tecnologie di lavorazione; specifiche di progetto dei vari dispositivi protesici; problematiche e fallimento dei dispositivi

L’esame finale consiste in una prova scritta nella quale gli studenti verranno valutati rispetto alla loro capacità di risolvere problemi quantitativi relativi alla progettazione di costruzioni biomeccaniche e di rispondere a quesiti teorici relativi a quanto visto durante il corso, dimostrando anche di saper applicare gli strumenti appresi a nuovi problemi di progettazione biomeccanica.

Più precisamente la prova scritta verificherà il livello di conoscenza e comprensione, la capacità di utilizzo degli argomenti dell'insegnamento, e la capacità di esposizione con linguaggio appropriato tramite :

- un esercizio di dimensionamento o verifica a fatica di un dispositivo biomeccanico

- un quesito teorico relativo ad una problematica di progettazione biomeccanica discussa in aula, focalizzando uno dei seguenti aspetti: disegno costruttivo, modelli analitici e numerici, test sperimentali, norme tecniche

- la formalizzazione e risoluzione di una problematica di progettazione biomeccanica, diversa da quelle viste in aula