بررسی چگونگی اثرگذاری پارامترهای فرآیند سوراخ‌کاری پلی متیل متاکریلات با استفاده از ابزارهای پوشش داده‌شده.

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

2 گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده فنی و مهندسی،دانشگاه اراک، اراک، ایران

3 گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده فنی ومهندسی،دانشگاه اراک، اراک، ایران

10.61186/masm.4.4.563
چکیده
سوراخ‌کاری یکی از رایج‌ترین روش‌های جراحی بر روی استخوان انسان است که به‌منظور تثبیت استخوان‌های شکسته در کنار یکدیگر استفاده می‌شود. این فرآیند، به دلیل پیچیدگی ماده تحت ماشین‌کاری و حساسیت آن، به‌عنوان یکی از مهم‌ترین روش‌های مکانیکی در مهندسی پزشکی شناخته می‌شود. پلی متیل متاکریلات، به دلیل داشتن خواص مکانیکی مشابه با بافت استخوان، گزینه‌ای مناسب برای جایگزینی استخوان در ایمپلنت‌های پزشکی محسوب می‌شود. افزایش نیروهای سوراخ‌کاری ممکن است به بافت استخوان یا ایمپلنت آسیب زده و مشکلات جدی و جبران‌ناپذیری ایجاد کند؛ بنابراین، بررسی عوامل مؤثر بر نیروهای سوراخ‌کاری این نوع مواد از اهمیت بالایی برخوردار است.

در این مطالعه، تحلیل حساسیت و بهینه‌سازی نیروی محوری در فرآیند سوراخ‌کاری ارتوپدی با استفاده از ابزارهایی که با نانوپوشش نیترید تیتانیوم (به روش رسوب‌دهی فیزیکی) پوشش داده شده‌اند، مورد بررسی قرار گرفته است. هدف اصلی این پژوهش، ارتقای عملکرد و کارایی فرآیند از طریق بهینه‌سازی پارامترهایی همچون سرعت دوران ابزار، نرخ پیشروی، قطر ابزار، و استفاده از پوشش نیترید تیتانیوم است. با تحلیل داده‌های آزمایش‌ها، آنالیز حساسیت نیز انجام شده است. نتایج نشان می‌دهند استفاده از ابزارهای پوشش داده شده می تواند منجر به کاهش نیروهای سوراخ کاری شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Investigating the effectiveness of polymethyl methacrylate drilling parameters using coated tools.

نویسندگان English

Amin Sousanabadi Farahani 1
Moein Taheri 2
Mohammad Javad Mohammadi 3
1 Department of Faculty Engineering, Arak University, Arak, Iran
2 Department of Faculty Engineering, Arak University, Arak, Iran
3 Department of Faculty Engineering, Arak University, Arak, Iran
چکیده English

Drilling is one of the most common surgical methods performed on human bones to stabilize fractured bones and hold them together. Due to the complexity of the machined material and the sensitivity of the process, it is considered one of the most significant mechanical techniques in biomedical engineering. Polymethyl methacrylate (PMMA), due to its mechanical properties similar to bone tissue, is regarded as a suitable alternative for bone in medical implants. However, increased drilling forces can damage bone tissue or implants, leading to severe and irreparable issues. Therefore, studying the factors influencing drilling forces in such materials is of utmost importance.

In this study, the sensitivity analysis and optimization of axial force in the orthopedic drilling process using tools coated with a nanostructured titanium nitride (TiN) coating applied via physical vapor deposition (PVD) have been investigated. The primary objective of this research is to enhance the performance and efficiency of the process by optimizing parameters such as tool rotational speed, feed rate, tool diameter, and the use of the titanium nitride coating. Sensitivity analysis was also conducted by analyzing experimental data. The results indicate that using coated tools can significantly reduce drilling forces.

کلیدواژه‌ها English

drilling
tool nanocoating
sensitivity analysis
E-Fast
[1] Krebs FC. Fabrication and processing of polymer solar cells: A review of printing and coating techniques. Solar energy materials and solar cells. 2009;93:394-412.
[2] Wang J, Zhu J, Zhang Y, Liu J, Van der Bruggen B. Nanoscale tailor-made membranes for precise and rapid molecular sieve separation. Nanoscale. 2017;9:2942-57.
[3] Tahmasbi V, Sousanabadi Farahani A. Statistical Modeling and Optimization of Thrust Force and Surface Roughness in Drilling Hybrid Aluminum Matrix Composites. Modares Mechanical Engineering. 2023;23:149-54.
[4] Sousanabadi Farahani A, Khalili O, Torabi A. Sensitivity analysis of effective parameters on bone drilling force by using E-fast method. Mechanic of Advanced and Smart Materials. 2023;3:83-94.
[5] Dubey AK, Yadava V. Laser beam machining—A review. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2008;48:609-28.
[6] Rodríguez-Barrero S, Fernández-Larrinoa J, Azkona I, López de Lacalle L, Polvorosa R. Enhanced performance of nanostructured coatings for drilling by droplet elimination. Materials and Manufacturing Processes. 2016;31:593-602.
[7] Gupta K, Laubscher RF. Sustainable machining of titanium alloys: a critical review. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2017;231:2543-60.
[8] Mouche PA, Koyanagi T, Patel D, Katoh Y. Adhesion, structure, and mechanical properties of Cr HiPIMS and cathodic arc deposited coatings on SiC. Surface and Coatings Technology. 2021;410:126939.
[9] Dabees S, Mirzaei S, Kaspar P, Holcman V, Sobola D. Characterization and evaluation of engineered coating techniques for different cutting tools. Materials. 2022;15:5633.
[10] Marin E, Lanzutti A. Biomedical applications of titanium alloys: a comprehensive review. Materials. 2023;17:114.
[11] Zhu W, Fu H, Li F, Ji X, Li Y, Bai F. Optimization of CFRP drilling process: a review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022;123:1403-32.
[12] Nikueimanesh A, Akbarzadeh S. Numerical and experimental investigation of wear in nanostructured tin coating on steel substrate. Modares Mechanical Engineering. 2020;20:149-55.
[13]  Wu J, Ling C, Ge A, Jiang W, Baghaei S, Kolooshani A. Investigating the performance of tricalcium phosphate bioceramic reinforced with titanium nanoparticles in friction stir welding for coating of orthopedic prostheses application. Journal of Materials Research and Technology. 2022;20:1685-98.
[14] Tahmasbi V, Pak A, Zeinolabedin Beygi A, HassanPour P. Experimental Analysis and Optimization of Thrust Force in the Orthopedic Drilling Process Using the Tool Coated with Titanium Nitride Nano Coating by the Physical Vapor Deposition Method. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2022;9:49-59.
[15] Saeidi Abueshaghi R, Setoudeh F, Tahmasbi V, Mohammadian M, Taheri G. Investigating and analyzing parameters affecting the bone drilling process using the Taguchi method. Mechanics of Advanced and Smart Materials. 2024; 4(1): 139-157.
[16] Hatten Jr H, Voor M. Bone healing using a bi-phasic ceramic bone substitute demonstrated in human vertebroplasty and with histology in a rabbit cancellous bone defect model. Interventional Neuroradiology. 2012;18:105-13.
[17]  Giorleo L. Poly (methyl methacrylate) Coating of Titanium Workpieces to Reduce Burrs in Micro-drilling. Micromachines. 2019;10:838.
[18] Safarabadi A, Tahmasbi V, Sousanabadi Farahani A, Zolfaghari M. Electrical discharge machining of metal matrix composite AZ91 magnesium alloy and investigation and optimization of the effect of input parameters on material removal rate and workpiece surface roughness. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2022;9:59-69.
[19]  Saltelli A, Bolado R. An alternative way to compute Fourier amplitude sensitivity test (FAST). Computational Statistics & Data Analysis. 1998;26:445-60.
[20] Ryan E, Wild O, Voulgarakis A, Lee L. Fast sensitivity analysis methods for computationally expensive models with multi-dimensional output. Geoscientific Model Development. 2018;11:3131-46.
[21] Tahmasbi V, Aeinehbandy S, Baghi MH, Sousanabadi Farahani A. Sensitivity analysis modeling and optimization of cutting Forces and stool wear in milling of aluminum matrix composite. Modares Mechanical Engineering. 2023;23:475-83.
[22]  Tahmasbi V, Baghi MH, Aeinehbandy S, Sousanabadi Farahani A. Sensitivity analysis and optimization of material removal rate and surface quality in aluminum matrix composite. Modares Mechanical Engineering. 2023;23:395-404.
[23]  Zeinalizad L, Habibnejad Korayem M. Sensitivity Analysis of contact frictional models of Biological Particles on Rough Surface in Liquid Environment by E-Fast Method. Mechanics of Advanced and Smart Materials. 2024;4(1):86-121.
[24] Knight WA, Boothroyd G. Fundamentals of metal machining and machine tools: CRC Press, 2019.
[25] Suresh R, Basavarajappa S, Gaitonde V, Samuel G. Machinability investigations on hardened AISI 4340 steel using coated carbide insert. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2012;33:75-86.
[26] Augustin G, Davila S, Mihoci K, Udiljak T, Vedrina DS, Antabak A. Thermal osteonecrosis and bone drilling parameters revisited. Archives of orthopaedic and trauma surgery. 2008;128:71-7.
دوره 4، شماره 4
زمستان 1403
صفحه 563-578

  • تاریخ دریافت 10 مهر 1403
  • تاریخ بازنگری 21 دی 1403
  • تاریخ پذیرش 13 اسفند 1403