Topology optimization of Ti-6Al-4V Triply Periodic Minimal Surface-based lattices for human bone implants obtained by additive manufacturing
Optimisation topologique de structures lattices à base de surface minimale triplement périodique en Ti-6Al-4V pour implants osseux humains obtenus par fabrication additive
Résumé
Lattice structures offer the opportunity to control the mechanical properties of the structures they replace. From a mechanical point of view, the use of lattices in orthopedic implants is then a promising solution to the stress shielding problem that may occur postoperatively. Apart from the widely known strut-based lattices, the Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS) concept has been introduced to create surface-based lattices with tailored mechanical properties. Eight TPMS-based and two strut-based unit cell topologies have been numerically investigated to compute their apparent elastic properties and local stress distribution, considering a periodic homogenization method. The topology-dependence of the local stress distribution is highlighted by a statistical analysis of the unit cells. The validation of the numerical results has been performed by experimentally-obtained results following the fabrication of several lattices by an SLM machine and compression testing. Two solicitation types were investigated: a functional case emphasizes on the apparent Young modulus of lattices, and a destructive case focusing on fracture mechanism. According to all previous results, a numerical partial replacement of a real bone subjected to real boundary conditions by a TPMS-based unit cell is proposed according to various mechanical requirements.
Les structures lattices offrent des solutions performantes pour remplacer des structures tout en contrôlant leurs propriétés mécaniques. D'un point de vue mécanique, ceci est particulièrement le cas pour réduire le phénomène de stress-shielding qui peut survenir dans l’os péri-implantaire suite à la pose d’implants. Outre les structures lattices à base de poutre largement étudiées, le concept de surfaces minimales triplement périodiques (TPMS) a été introduit pour créer des structures présentant des propriétés originales. Huit topologies de cellules unitaires basées sur TPMS et deux basées sur des poutres ont été étudiées numériquement pour calculer leurs propriétés élastiques effectives et la distribution des contraintes locales, en utilisant une méthode d'homogénéisation périodique. La dépendance de la topologie sur la distribution des contraintes locales est mise en évidence par une analyse statistique des cellules unitaires. La validation des résultats numériques a été effectuée par des résultats obtenus expérimentalement suite à la fabrication par une machine SLM de plusieurs structures et à des tests de compression. Deux types de sollicitation ont été étudiés : un cas fonctionnel mettant l'accent sur le module d'Young effectif des structures, et un cas destructif se concentrant sur la rupture de ces dernières. Sur la base de ces résultats, une étude numérique considérant le remplacement partiel d'un os par une structure lattice à base de TPMS, soumis à des conditions aux limites réelles, est développée. Un critère permettant de choisir une structure optimisée sur la base de contraintes mécaniques est proposé.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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