İdeal Tasarım Geometrisine Ulaşmak Için Parametrik Tasarım

Bu önerilen yeni modelin ilk basamağında endüstriyel tasarımında optimizasyon yapılacak ürünün farklı tasarım tipleri için ideal olarak seçilip geliştirilecek olan geometri tipi seçilir. Bu süreçte geometri seçiminde kullanılan kriterler tanımlanır ve seçilen geometrinin özellikleri anlatılır. Bilgisayar Destekli Tasarım programlarından birçoğu unsur ağacı veya soy ağacı denen bir süreç sıralamasına göre modelleme işlemi yapmaktadır. Bir geometrinin tasarımı sırasında birden çok farklı tasarım aracı yardımı ile tasarım modelinin her biri birbirinden farklı parçası şekillendirilir. İkinci olarak ise seçilen geometri tipinin tamamının oluşturulması için unsur ağacında tanımlanan farklı parametreler belirlenmektedir. Son olarak ise; endüstriyel alanda uygulanabilir ve kendisinden beklenen kinematik ve mekanik özellikleri sergileyebilecek tasarım geometrisi sınırları içersinde her bir tasarım parametresinin minimum ve maksimum ölçü aralığı kararlaştırılacaktır. Bu ilk ana basamakta bir endüstriyel tasarım geometrisi tanıtım kartı hazırlanmaktadır. Yani bu tanıtım kartında tasarım geometrisinin farkı diğer geometriler belirtilerek açıklanır ve ayrıca bu geometriyi meydana getiren her bir tasarım parametresi ve bu parametrelerin ölçü aralığı belirtilir.

29

4.2.1.1. Adım 1: İdeal Modelin Belirlenmesi

Unikompartmantal diz artroplastisi (UKA), dizdeki tek taraflı osteoartrit için yerleşik bir tedavidir. İlk UKA'lar 1970'lerin başından itibaren implante edilmiştir. İlk uygulamalar 1970’li yıllara dayanan protezler günümüze kadar birçok farklı endüstriyel tasarım geometrisi ve ölçülerine üretimi gerçekleşmiştir. Harrysson, Hosni ve Nayfeh, özel tasarımın hastanın ekleminin Bilgisayarlı Tomografi taramasına dayandığı bir yaklaşımı tanımladılar. Önerilen tasarım, geleneksel diz-implant bileşenlerinde bulunan en yaygın problemleri ele almak için hem artikülasyon yüzeyini hem de kemik-implant arayüzünü özelleştirecektir. Bu TKP tasarımı için önerilen yeni yaklaşımla birçok farklı tasarım geometrisinin ortaya çıkartılabileceği gözlemlenmiştir [64], [65].

30

Kontakt özelliklerini incelemek için çağdaş bir femoral komponentin ön troklear yüzeyi için anatomik bir V şekli tasarımı (VSD) ve bir kubbe şekli tasarımı (DSD) olan tasarımlar seçilmiştir [66], [67]. Dai ve arkadaşları artroplasitide kullanılan altı farkı TKP endüstriyel tasarım tipleri için Aspect Ratio (ML/AP) değişimlerini rapor etmiştir [68]. Bu çalışmalar dışında birçok farklı tasarım tipi farklı tasarım kriterlerine göre üretimi yapılmaktadır. Bu çalışmada minimum ağırlık için en basit tasarım geometrisini oluşturabilmek için uygulanan ve kinematik olarak çalışan standart bir tasarım geometrisi olan Şekil 4.4’deki model tipi seçilmiştir.

4.2.1.2. Adım 2: Tüm Tasarım Parametrelerinin Tanımlanması

Bir tasarım geometrisini oluşturan tasarım parametresi açıklanırken bir dikdörtgen tasarımından yararlanılabilinir. Bir dikdörtgen tasarımı Şekil 4.5’de gösterildiği üzere en, boy ve yükseklikten meydana gelir. Her bir tasarım parametresi değişimi atalet momenti ve ağırlık miktarını etkilemektedir.

Şekil 4.5. Bir dikdörtgeni oluşturan tasarım parametreleri.

Minimum ağırlık ve maksimum emniyet katsayısı için yükseklik miktarı bu tip şekillerde maksimum ve uzunluk miktarı minimum seçilir. Bununla birliklte bir endüstriyel tasarım profillerindeki gibi basit bir geometrik yapıya sahip olmadıkları için bu tasarımların yapılması için özel yöntemler gerekebilmektedir. Farklı parametreler ile tasarımı yapılan modellerin mukavemet özelliklerini değerlendirmek için biyomekanik testler veya sonlu elemanlar yöntemi kullanılır. [69]-[71]. Fakat bugüne kadar yapılan araştırmalarda bir TKP tasarımı için gerekli olan tasarım parametrelerini ve seviyelerini ayrıntılı olarak ele alan bir araştırma gözlemlenmemiştir.

Uzunluk Genişlik

31

Dai ve arkadaşları; bir TKP tasarımında AP sizes, AP increments (mm), ML size offerings per AP ve Aspect ratio (ML/AP) gibi bazı ölçüleri rapor etmişlerdir [68]. Ayrıca Heever at all benzer bir ölçülendirme kullanarak TKP’ leri incelemişlerdir. Bu parametreler hastaların kemik özellikleri, ağırlıklar ve yaşları için uygun TKP seçimi için etkili parametrelerdir. Biz bu çalışmada ideal geometry tipinin belirlendiği kısımda açıklandığı üzere, standart bir Anterior posterior (AP), Resected posterior condyle (RPC), Anterior posterior box (APBOX) vb. ölçüsüne sahip olan morphological measurements seçilerek bu tasarım üzerinden usurlar yardımıyla modelleme yapılmıştır [69]. Bu standart tasarımın üç boyutlu model geometrisini oluşturabilecek toplam 18 adet tasarım parametresi diğer araştırmalardan farklı olarak belirlenmiştir. Diğer araştırmalardan farklı olarak; benzer şekilde dikdörtgen bir profilin tasarım parametrelerinin emniyet katsayısı ve hacim değişimlerine etkilerinin belirlendiği gibi, bizde bu çalışmada 18 farklı tasarım parametresinin emniyet katsayısı ve hacim değişimlerine etkilerini araştırılmıştır. Şekil 4.6’da her bir tasarım parametresi yer almaktadır. Böylelikle yükseklik değeri nasıl dikdörtgen ataletini yüksek oranda etkiliyorsa bir TKP mukavemetini’ de maksimum emniyet ve minimum hacim değişimi için etkileyen tasarım parametreleri bu yeni model ile hesaplanabilecektir.

Şekil 4.6. Femural komponent tasarım parametreleri.

Diz protezlerinin femur ile bağlantısının yapıldığı yerde dört adet radüs yer almaktadır (P1-4). Ayrıca bu bölgede bir kalınlık (P18) ve uzunluk (P13) unsurlarına bağlı flanş yer

almaktadır. Bu flanş diz protezini güçlendirmek için geometride üzerinde tasarlanmıştır. Bu flanş alt (P9) üst (P10) ve yanlarda iki (P8-11) adet olmak üzere toplam dört adet radüs

ile güçlendirilmiştir. Ayrıca bu bölgelerde radüs mum kalıbının daha kolay çıkmasını sağlamaktadır.

32

Bir endüstriyel tasarımın minimum sayıda düz yüzeye sahip olması endüstriyel tasarımcılar tarafından istenir. TKP tasarımında da çalışma yüzeyleri kavisli olması istenmektedir. Bu yüzden polietilen ile sürtünmeye maruz kalan kısımda iki adet radüs yer almaktadır (P6-7). Polietilenin kavisli yüzeyi ile temas görevi gören bir alanda

belirlenen uzunluk (P15) ve açıya (P14) göre subtraction işlemi yapılmıştır. Ayrıca bu

çatala benzer girinti bir radüs (P5) yardımıyla eksenel kuvvetler için güçlendirilmiştir.

Ayrıca tüm üst dış çizgi bir radüs ile kavisli hale getirilmiştir (P12). Günlük aktiviteler

için gerekli dönüş hareketinin yapılması için yatak görevi gören elips benzeri tasarım kalınlık (P17) ve genişlik (P16) olarak tanımlanmıştır.

4.2.1.3. Adım 3: Tasarım Parametrelerinin Değerlerinin Belirlenmesi

Her bir tasarım parametresinin istenilen TKP tasarımını oluşturması için bir alt ve üst ölçü sınır ölçü değeri bulunmaktadır. 18 adet tasarım parametresinin mukavemet sonuçlarına etkilerini incelemek için Taguchi L36 mixed (28x310) faktöriyel fraksiyonel deney

tasarımından (DOE) yararlanmaya karar verilmiştir. Sekiz adet radüs ölçüsünün minimum ve maksimum seviyeleri için iki seviye seçimi yapılmıştır. Diğer parametreler ise en düşük, orta ve en üst değer olmak üzere üç seviye olacak şekilde tasarım tablosu Çizelge 4.4’de oluşturulmuştur. Bu tasarım tablosu dikkate alınarak Solid Works 2015 Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) programında 36 farklı endüstriyel tasarım geometrisi modellenmiştir.

Çizelge 4.4. Femural komponent için tasarım parametreleri seviyeleri.

Parametreler

(P) _{1 2 3 4 5 6 7 8 9 10} 11 12 13 14 15 16 17 18 Levels (L) L_L1 5 5 5 5 3 3 3 0,5 4 4 1 6 15 3 14 18 1,5 2

2 10 10 10 10 6 6 6 1,5 6 6 1,5 8 20 7 17 20 2 3 L3 - - - 8 8 2 10 25 10 20 22 2,5 4

4.2.2. Parametrelerin Sonuçlar Üzerindeki Etkisinin Istatistiksel Yöntemler ve