TKP’ de başarısızlığın en muhtemel nedeni, metalin bu tasarım alanında inceliğinden kaynaklandığı rapor edilmiştir. Ayrıca tasarımda yer alan keskin köşe ve ince metal (4 mm) giderek sürekli yüklere maruz kaldığı ve bu da yüksek stres konsantrasyonu bölgelerine neden olduğu hasta durum raporlarında yer almaktadır. Bu hasta durum raporları incelendiğinde endüstride üretimi yapılan tasarım geometrilerinin belirli kriterlere göre şekillendirilmediği anlaşılmıştır. Bu tez çalışmasında ilk olarak Taguchi ve ANOVA analizi femural komponent diz protezi montaj parçasına uygulanmıştır. Tasarım parametrelerinin ve seviyelerindeki seçimlerin mukavemet ve hacim değişimlerine etkilerini inceleyen ve klasik analiz hesaplamalarından farklı olarak, yüzeylere etki eden gerilme dağılımını inceleyerek tasarımda optimizasyon sağlayan bir proses kullanılmıştır. Ayrıca sonlu elemanlar yönteminden yararlanılarak ve statiksel yöntemler kullanılarak sonuçların doğrulama analizide yapılmıştır.
Bu ilk araştırmada kırılmalar ile ilgili bu sorunlar, önerilen yeni tasarımda optimizasyon modeli ile ortadan kaldırılmak istenmiştir. Gereksiz ağırlık yapan ve mukavemete etki etmeyen parametreler belirlenmiştir. Statiksel yönteme göre seçilen parametre seviyeleri ile hasta durum raporlarında belirtilen tasarım hataları önlenmiştir. Bu çalışma sonucunda optimum tasarım parametre seviyesinin ancak belirlenen kriterler için seçilebileceği ortaya çıkmıştır. TKP’ler gibi ağırlığı minimum olması beklenen parçalarda ağırlık ortalama ama emniyet maksimum gibi bir kriter için seçim yapılması gerekmektedir. Ayrıca klasik FAE ile tasarım geliştirme çalışmalarında ancak maksimum gerilmenin önem kazanmasının yanlış olduğu ve gerilmenin oluştuğu tüm kesitlerin gerilim dağılımı grafiklerinin incelenmesi gerektiği gözlemlenmiştir. Taguchi deney tasarımı ve analiz çalışmaları incelendiğinde hacim miktarı 9387’ken emniyet katsayısı 5,48’dir. Bu araştırma çalışmaları sonucunda hacim miktarı 3754 mm3’ken, emniyet katsayısı 6,82
olan bir tasarım geometrisi geliştirilebilmiştir. Bu çalışmada elde edilen başarılı sonuçlar dikkate alınarak Taguchi Analizinin polietilen insert geometrisi içinde uygulanması planlanmıştır.
101
Polietilen insert’ün optimizasyonu için yapılan araştırmalarda; Anova Varyans Analizi ve Taguchi Analizi sonuçları dikkate alınarak dört farklı tasarım kriteri için analiz çalışmaları tekrarlanmıştır. Gerilme haritaları maksimum gerilmenin oluştuğu geometri alanlarında kesit alınarak belirlenmiştir. Farklı tip tasarımların kesit boyunca değişen tasarım alanlarında meydana gelen gerilme miktarı değişimleri incelenmiştir. Bu yöntem geliştirmeye açık olup gelecek analiz ve üretim çalışmaları ile yöntemin doğruluğu ve prosesi geliştirilmek istenmiştir. Polietilen insert optimizasyon çalışmalarında deney tasarımı sonuçları incelendiğinde özellikle hacim miktarı ve emniyet katsayısı değişimlerinde oldukça fazla farklılıkların meydana geldiği söylenebilir. 6614 mm3 hacim
ile 3,2 emniyet katsayısı değeri elde edilirken, 11389 mm3 hacim değeri ile 3,4 emniyet
katsayısı elde deilebileceği belirlenmiştir. Bu %50 oranda hacimde taasaruf ve emniyetli bir model geometrisi anlamında gelmektedir. Bazı sonuçlarda ise hacim 7000 mm3’den
daha yüksek olsada emniyet miktarının oldukça azaldığı saptanmıştır.
Polietilen insert geometrisinde optimizasyon çalışmasında; dinamik ve statik analizler için her bir tasarım geometrisi kesit alanında doğrusal gerilme yani emniyet katsayısı elde etmek önceliktir. Böylelikle endüstriyel tasarımda fazla hacim bölgeleri azaltılacak emniyetsiz bölgelerde ise tasarım mukavemeti artırılacaktır. Bu çalışmadan örnek verilecek olunursa A-A kesitinde meydana gelen gerilme miktarı değişimleri doğrusal olmasa da doğrusala yakın bir sonuç verirken B-B kesitinde meydana gelen gerilme değişimleri daha fazla değişkendir. Bu her iki Taguchi ve ANOVA analizi çalışmaları sonucunda DMROVAS ve ROSVOS metodu ortaya çıkmıştır. DMROVAS yöntemi özellikle hacim ve emniyet katsayısı arasındaki ilişkinin değerlendirilmesi ve ideal geometri elde edilirken hacmi artırmada emniyet katsayısını artıran değerlerin öncelikli seçimini temel alan bir yöntemdir. Hastaların on beş yıl bir protezi kullanacağı düşünülürse minimum ağırlık değeri çok önemlidir ve bunu maksimum emniyet değeri ile sağlaması gereklidir. Tüm deney tasarımında ortalama 39219 mL hacim miktarı için 5,73 emniyet katsayısı gerilmenin maksimum oldu bölge için elde edilmiştir. Ağırlık ortalama ve eminyet maksimum için belirlenen krıter için yapılan istatiksel çalışmalar ile 37308 mL hacim ile 5,8 emniyet katsayısı değeri elde edilebilmiştir. Ayrıca 36 farklı deney tasaımında yer alan hiçbir parametrede bu emniyet katsayısı değeri önerilen yeni modelde belirlenen krıtere göre daha az hacim miktarı için elde edilememiştir. Her iki bölgede maksimum emniyet katsayısı miktarı ise ikinci krıter dikkate alınarak yapılan hesaplamaya göre 8,2 ve 14,7 olarak hesaplanmıştır.
102
Bu çalışma sonucunda otimum tasarım parametre seviyesinin ancak belirlenen kriterler için seçilebileceği ortaya çıkmıştır. Ağırlığı minimum olması beklenen parçalarda ağırlık ortalama ama emniyet maksimumolan bir kriter için seçim yapılması gerekmektedir. Ayrıca klasik FEM ile tasarım geliştirme çalışmalarında ancak maksimum gerilmenin önem kazanmasının yanlış olduğu ve gerilmenin oluştuğu tüm kesitlerin gerilim dağılımı grafiklerinin incelenmesi gerektiği gözlemlenmiştir. Bu önerilen endüstriyel ürün tasarımda optimizasyon proses modeli protezler için uygulanmıştır. Fakat bu yöntemin gerliştirilmesi ile tüm endüstriyel tasarımlar için yüksek doğrulukta optimizasyon sağlayabilecek bir yöntem geliştirilecektir. Bu araştırma ile literatürde tasarım parametreleri tasarım unsurları ile ilişkilendirilmeyen yöntemlerden farklı olarak istenilen tasarım kriterlerinede bir cevap verebilmektedir. Tüm endüstriyel tasarımda optimizasyon çalışmları için uygulanabilecek bir literatürde referans bir kaynak oluşturulmuştur. DMROVAS yöntemi için yapılan çalışmalarda, kullanım ömründen daha erken sürelerde kırılan protezlerde, iki farklı kırılma bölgesinde maksimum gerilmenin olduğunu gözlemlendi. Bu sonuçlar dikkate alındığında TKP kullanan hastaların 40-50° açıda dinamik yüklemeler altında protezlerinin genelde kırıldığı belirlenmiştir. Bu yüzden bu tasarımda optimizasyon çalışmasında bu iki bölgede maksimum gerilme miktarı değişimleri dikkate alınarak bir endüstriyel tasarımda optimizasyon yapılmaya çalışılmıştır. Birinci bölgede emniyet katsayısı değişimlerini %39,1 oranda P15, %19,5 oranda P14 ve %13,6 oranda P7 parametreleri etkilemektedir.
İkinci bölgede ise %65,6 oranda P3, %9 oranda P2 ve %8,3 oranda P15 parametreleri
emniyet katsayısı sonuçlarına etki etmektedir. Her iki bölgede farklı parametreler farklı oranlarda bu sonuçları etkilemiştir. Hacim miktarını ise en fazla P15, P7 ve P14’ den
etkilemektedir. Buda birinci bölgede emniyet katsayısı miktarını en fazla oranda etkileyen parametreler olduğu belirlenmiştir. P4, P8, P12 ve P16 hacim miktarını en az
oranda artırırken birinci bölgedeki emniyet katsayısı miktarını en yüksek oranda etkileyen parametrelerdir. DMROVAS yönteminden farklı olarak ROSVOS yönteminde yüzey haritalaması sonucunda farklı açılardaki gerilmelerin tüm hacime aynı oranda dağılmasını hedeflenir. Bu metot herhangi bir teorik, istatiksel ve deneysel bir araştırmaya ihtiyaç duymayan bir yöntemdir. ROSVOS metrolojisi bu makalede ayrıntılı bir şekilde, her bir ara basamağı ile birlikte açıklanmıştır. ROSVOS yöntemi uygulanarak bu araştırmada bir femorol komponenet tasarımında optimizasyon sağlanmıştır. Bu yeni yöntem ve femorol komponenet tasarımında optimizasyon ile ilgili aşağıda bazı sonuçlar ortaya çıkmıştır.
103
ROSVOS yöntemi uygulanması sonucunda femoral komponenet tasarım geometrisi %6,8 oranda artırılırken ürünün emniyet katsayısı %25,1 oranda artırılmıştır. Bu yöntem sırasında sekiz farklı tasarım tipi geliştirilmiş ve sonuçta tasarım genelinde en yüksek ortalama gerilme 1. Tasarıma ait olup 45,2 MPa ken, ortalama gerilmenin en yüksek olduğu tasarım ise 3. Tasarım olup bu değer 33,82 MPa’ dır. Yani hacim miktarı %9 artarak emniyet katsayısı %34,2 oranda artırılmıştır. Gerilme miktarı yüksek olduğu belirlenen 4 kesitten 3. kesit en yüksek gerilme miktarının oluştuğu kısımdır. Gerilme miktarının en az olduğu kesitin ise 5. Kesit olduğu belirlenmiştir. Bu bölgeler literatürde yer alan kırılma bölgeleri olduğu ortaya çıkartmıştır. P5, P10 ve P14 parametreleri hacim
miktarını azaltırken emniyet katsayısı değerini artır, yani tasarımın emniyeti minimum hacimle artıran en önemli parametreleridir. Bu parametreler ile iç radüs değeri ve düzlem üzerindeki komutu şekillendirilir. Bu yüzden bu dış tasarımın radüs değerinin geniş tasarlanması tercih edilmelidir. Endüstride üretimi yapılan üç farklı tip tasarım bu araştırmada karşılaştırılmıştır. Her bir modelin sekiz farklı yatay kesitindeki gerilme değişimleri incelendiğinde 2., 3., 4. ve 5. kesitin 33 MPa’lın üstünde gerilme değerine sahipken diğer kesitler bunun çok altında değere sahiptir. Bu kesitlerin mukavemet açısından güçlendirilmesi gerekli olan kısımlar olduğu diğerlerinin ise hacimsel olarak azaltılması gereken kesitler olduğu belirlenmiştir. Ayrıca en ideal tasarım tipinin 2. Tasarım modeli yani doğrusal tasarımın olduğu ortaya çıkmıştır. Bir protez 0-100° açı aralığında genelde hareket etmektedir ve bu araştırmada beş farklı açı için gerilme analizleri yapılmıştır. En yüksek gerilme miktarı 80° açıda gözlemlenirken en düşük gerilme değeri ise 100° açıda elde edilmiştir.
Yapılan metalurijik incelemelerde literatürde bir eksik olarak gözlemlenen soğuma hızı ve üretim koşullarına bağlı mikroyapı ve mekanik özelliklerin değişimi araştırılmıştır. Farklı tasarım kriterleri, soğuma hızına bağlı emniyet katsayısı ve hacim değişimi karşılaştırmalı olarak ele alınmıştır. Ayrıca emniyeti 1 yapan minimum havim değeri ayrıca tanımlanmış böylece maksimum emniyet sayısı en düşük hacim için belirlenerek bu kapsamda tartışılmıştır. Tibial trayın farklı body lerinde malzemenin mikrosertlik değişimi 295–600 HV arasında değişim göstermektedir. Bunun nedeni soğuma hızı farklılığı nedeniyle tane sınırı ölçülerinin 25–100 mikron aralığında değişim göstermesidir. Cr-Co-Mo malzemesinin literatürde kopma dayanımı 970 MPa akma dayanımı ise 612 MPa olarak kabul görmüştür.
104
Hassas döküm sonucunda aslında kopma dayanımının 585–792 MPa akma dayanımının ise 390–616 MPa aralığında değişim gösterdiği belirmiştir. Bölgesel soğuma hızı dikkate alınarak yapılan hesaplamalarda 2,3–527 arasında değişim göstermiştir. Çekme numunesi sonuçları dikkate alındığında ise bu değerin 827’e yükseldiği gözlemlenmektedir. 2. Tasarım kriterine göre modellenen geometri 2,3 emniyet katsayısı ile en düşük değere sahiptir. 6. Tasarım kriterine göre modellenen geometri ise yaklaşık 8 kat daha fazla emniyetlidir. Geometriyi emniyetli yapan hacim değeri incelendiğinde sonuçlar 396–1915 mm3 / MPa aralığında değişim göstermiştir. En ağır geometri ile en
105