Study of damage progression in bone-inspired additive manufactured specimens en Politecnico di Milano

El hueso es una estructura mecánica compleja que, durante la vida, generalmente sufre cargas cíclicas y sobrecargas. La resistencia ósea depende de la densidad, la masa y la microarquitectura. El proyecto tiene como objetivo comprender cómo los componentes a microescala, cavidades óseas (lagunas), afectan a la propagación de grietas.

Primeramente, se van a fabricar muestras. El primero, una muestra sin lagunas, sólida. Esta muestra se utilizará como referencia del material, se obtendrán propiedades mecánicas del material. Los siguientes tipos de muestra corresponden a muestras de 1 y 6 lagunas. Para su fabricación, la impresión se realizó mediante fabricación aditiva (impresión 3D de titanio). Después de que se fabricaron las muestras, se requirió una revisión, fue necesario asegurarse de que la geometría construida reproducía el modelo original. Para esta revisión, se escanearon muestras (rayos X) y los datos se exportaron a diferentes softwares; Fiji-ImageJ, Matlab y Rhinnoceros 6. Después de la reconstrucción en 3D, fue posible una verificación entre los especímenes originales y los fabricados.

Una vez realizado la fabricación y la comparación, el siguiente paso son las pruebas experimentales.
En las pruebas estáticas, las muestras se prueban a carga de tracción. La resultante son las propiedades mecánicas. Luego, se lleva a cabo la prueba de fatiga. Antes de comenzar, se requiere un análisis previo. La prueba consiste en enviar una muestra a carga variable, función sinusoidal, llamada ciclo. El análisis anterior tiene como objetivo encontrar la función correcta con la que se analizará la muestra y una aproximación de cuántos ciclos podrá soportar la muestra. Para este análisis, se utilizarán principalmente dos herramientas, el Diagrama de Wohler y el Diagrama de Goodman-Haigh. Mientras se prueban las muestras, las pruebas se interrumpirán constantemente para llevar la muestra a la microtomografía y estudiar la evolución de la grieta.

Bone is a complex mechanical structure that, during life, typically undergoes cyclic loads and overloads. Bone strength depends on mass and bone mineral density, as well as on its microarchitecture. The project aims to understand how micro-scale components, bone's cavities (lacunae), affect crack propagation, i.e. deviating the crack path.

Firstly, specimens are going to be manufactured. The first one, a non-lacunae sample, solid. This sample is going to be use as the material reference, material mechanical properties are going to be obtained from it. The next types of sample are correspondent to 1 and 6-lacunae samples. For its manufactured, the printing was done through additive manufacturing (Titanium 3D printing). After specimens were manufactured a revision was required, it was necessary to ensure that the geometry built was reproducing the original model. For this revision, specimens were scanned (X-ray), and the data was exported into different softwares; Fiji-ImageJ, Matlab and Rhinnoceros 6. After the 3D reconstruction, a verification between the original and the manufactured specimens was possible.

Once the manufacturing and the comparison are done, the next step is experimental tests.
In Static Testing, specimens are tested at tensile load. The resulting output are the mechanical properties. Then, Fatigue Test takes place. Before starting, a previous analysis is required. The test consists on submit a specimen at variable load, sinusoidal function, called cycle. The previous analysis aims to find the correct function at which specimen are going to be tested and an approximation of how many cycles the specimen is going to be able to bear. For this analysis two mainly tools are going to be used, Wohler Diagram and Goodman-Haigh Diagram. While testing the samples, the tests are going to be constantly interrupted in order to carry the specimen to the microtomography and compute how the crack evolves.