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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2019/2020
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

Obiettivi dell'insegnamento

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.


Risultati di apprendimento attesi

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)

 


Argomenti trattati

- 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.


Prerequisiti

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


Modalità di valutazione

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


Bibliografia

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
58:00
87:00
Esercitazione
39:00
58:30
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
3:00
4:30
Totale 100:00 150:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.5 / 1.6.5
Area Servizi ICT
03/12/2020