Development of lightweight implant plates are important to reduce the stress shielding effect for a prosthesis of femur bone fractures. Stainless steel (SS-316L) is a widely used material for making implants. Stress shielding effect and other issues arise due to the difference in mechanical properties of stainless steel when compared with bone. To overcome these issues, composite materials seem to be a better alternative solution. The comparison is made between two biocompatible composite materials, namely Ti-hydroxyapatite and Ti-polypropylene. "Titanium (Ti)" is fiber material while "hydroxyapatite" and "polypropylene" are matrix materials. These two composites have Young's modulus closer to the bone than stainless steel. Besides the variety of bones, present paper constrained to femur bone analysis only. Being heaviest and longest, the femur is the most likely to fail among all bone failures in human. Modelling of the femur bone, screws, implant and assembly was carried out using CATIA and static analysis was carried out using ANSYS. The femur bone assembly was analyzed for forces during daily activities. Ti-hydroxyapatite and Ti-polypropylene composite implants induced more stress in composite implant plate, results less stress induced in bone leading to a reduction in shielding effect than stainless steel implant plate thus ensuring safety and quick healing for the patient.
Three dimensional numerical model based on the finite element method(FEM) were developed to predict the mechanical behavior of hip implants. The purpose of this study is to investigate the stress distribution of two types of cementless total hip replacement femoral component -a straight stem and a curved stem, and to compare their effect on the stress shielding between two types by three dimensional finite element method. The authors analyzed von Mises stress in the cortex & stem and compared the stress between the straight and the curved stem. In comparison of stresses between two different design of femoral stem, there was 25% more decrease of stress in straight stem than curved stem in the medial cortex at proximal region. The straight stem had consistently much lower stresses than the curved stem throughout the whole medial cortex with maximum 70% reduction of stress. However, there was little change in stress between nature and 2 implanted femur throughout the lateral cortex. Stress of femoral stem was much higher in the straight stem than the curved stem up to 60%. The straight stem had more chance of stress shielding and a risk of fatigue fracture of the stem compared with the curved stem in noncement hip arthroplasty. In design of femoral stem still we have to consider to develop design to distribute more even stress on the proximal medial cortex.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.11
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pp.2777-2785
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2000
In cementless total hip replacement(THR), an initial stability of the femoral component is important to long term fixation of femoral stem. The intial stability has close relationship with the relative displacement of prosthessis and sponge bone at the proximal of femur. After implantation of the proshesis, the surrounding bone is partially shielded from load carrying and starts to resorb. Stress shielding is the cause of the loss of proximal bone. Assessing stress distribution of femur is important to predict stress shielding. The initial stability and the stress shielding were investigated for two loading conditions approximating a single leg stance and a stair climbing. Three types of stems were studied by the finite element method to analyze the biomechanical effects of distal filling of cementless femoral stems. Three types of stems empolyed are a distal filling stem, a distal flexible stem, and a distal tapered stem.
In cementless total hip replacement(THR), an initial stability of the femoral component is important to long term fixation of femoral stem. The initial stability has close relationship with the relative displacement of prosthesis and spongy bone at the proximal of femur. After implantation of the prosthesis. the surrounding bone is partially shielded from load carrying and starts to resort. Stress shielding is the cause of the loss of proximal bone. Assessing stress distribution of femur is important to predict stress shielding. The initial stability and the stress shielding were investigated for two loading conditions approximating a single leg stance and a stair climbing. Three types of stems were studied by the finite element method to analyze the biomechanical effects of distal filling of cementless femoral stems, Three types of stems employed are a distal filling stem, a distal flexible stem, and a distal tapered stem.
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.5
no.2
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pp.122-126
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2000
A major mechanical problem with total hip replacement is the loosening of the femoral component. The loss of proximal support, with firm fixation distally, has been thought to be a major caused of fatigue failure of femoral stems. While many causes have been proposed, the most frequently suggested cause of the calcar resorption is the disuse atrophy of the cortex of the calcar due to the stress shielding of the proximal bone by the metal femoral stem. In this research, the new-designed stem(modified collar stem) was considered which made a hole inside stem and had a 3 mm thickness. Using the 3-dimensional finite element methods, the common collar stem and the modified colla stem was modeled and analysed. Also, the two models was compared. The results showed that the modified collar stem decreased the stress-shielding and it made a effective load transfer at the entire femoral region.
Super duplex stainless steels have been used for offshore oil and gas piping systems which are subject to corrosion atmosphere, because they have excellent resistance to Stress Corrosion Cracking (SCC) and Pitting corrosion and high strength/weight ratio. Normally, the welding for duplex stainless steels has been peformed using GTAW with Ar shielding gas. However, in case of using Ar as shielding gas, the corrosion resistance at root weld metal will be deteriorated due to loss of nitrogen from weld deposit during welding. It is wellknown that the corrosion resistance of super duplex stainless can be restored by addition of nitrogen as shielding gas. In this study, we made super duplex welding with using several kinds of shielding and purging gases and investigated the relationship between shielding gas and corrosion resistance. Consequently, it was shown that corrosion resistance of weld deposit can be restored by addition of $N_{2}$ as shielding gas.
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.21
no.4
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pp.426-432
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2016
Designing a morphologically well-fitted hip implant to a patient anatomy is desirable to improve surgical outcomes since a commercial ready-made hip implant may not well conform to the patient joint. In this study, biomechanical stability of patient-specific hip implants with two different stem lengths was compared and discussed using a 3D finite element analysis (FEA). The FEA results in this study showed that an increase in stem length brings about more the peaked von-Mises stress (PVMS) in the prosthesis and less in the femur. However the decrease in von-Mises stress in the femur causes stress shielding phenomenon that usually leads to considerable bone resorption. Although, in biomechanical stability point of view, this work recommends the use of smaller stems, the length of stem must be determined by considering both the von-Mises stress and the stress-shielding phenomenon.
Kim, Man;Gwon, Sik-Cheol;Park, Sang-Eon;Lee, Gyeong-Ryeol
연구논문집
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s.33
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pp.183-190
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2003
Today, We have used many electronic equipment such as computer, TV, cellular phone and so on. These equipment radiate a large amount of EMI(Electromagnetic interference) which is occurred trouble of airplane, medical equipment, communicate equipment, and especially, human health. So, Ni mesh fabrication for EMI shielding by continuous electroforming process was investigated. Continuous electroforming apparatus was made by means of rotating cathode drum. And We investigated the characteristics of two types of Ni electroforming solution. One was made by laboratory and the other was produced by M cooperation. The grain size increased with increasing current density and bath temperature, and decreasing rotating speed of cathode drum. EDX results indicate that the Ni mesh electroformed by the KIMM solution is composed of pure Ni. But the Ni mesh electroformed by the M cooperation solution has Ni and S element. The incorporation of S element in the Ni mesh has a profoundly effect on mechanical properties such as hardness, internal stress and so on.
Biodegradable epoxy (B-epoxy) was prepared from diglycidyl ether of bisphenol A and epoxidized linseed oil. The mechanical properties of B-epoxy composites reinforced with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs/B-epoxy) were examined by employing dynamic mechanical analysis, critical stress intensity factor ($K_{IC}$) tests, and impact strength tests. The electromagnetic interference shielding effectiveness (EMI-SE) of the composites was evaluated using reflection and absorption methods. Mechanical properties of MWCNTs/B-epoxy were enhanced with an increase in the MWCNT content, whereas they deteriorated when the MWCNT content was >5 parts per hundred resin (phr). This can likely be attributed to the entanglement of MWCNTs with each other in the B-epoxy due to the presence of an excess amount of MWCNTs. The highest EMI-SE obtained was ~16 dB for the MWCNTs/B-epoxy composites with a MWCNT content of 13 phr at 1.4 GHz. The composites (13 phr) exhibited the minimum EMI-SE (90%) when used as shielding materials at 1.4 GHz. The EMI-SE of the MWCNTs/B-epoxy also increased with an increase in the MWCNT content, which is a key factor affecting the EMI-SE.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.5
no.3
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pp.199-212
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2007
If a type IP-2 transport package were to be subjected to a free drop test and a penetration test under the normal conditions of transport, it should prevent a loss or dispersal of the radioactive contents and a more than 20% increase in the maximum radiation level at any external surface of the package. In this paper, we suggested the analytic method to evaluate the structural safety of a type IP-2 transport package using a thick steel plate for a structure part and a bolt for tying a bolt. Using an analysis a loss or dispersal of the radioactive contents and a loss of shielding integrity were confirmed for two kinds of type IP-2 transport packages to transport radioactive waste drums from a waste facility to a temporary storage site in a nuclear power plant. Under the free drop condition the maximum average stress at the bolts and the maximum opening displacement of a lid were compared with the tensile stress of a bolt and the steps in a lid, which were made to avoid a streaming radiation in the shielding path, to evaluate a loss or dispersal of radioactive waste contents. Also a loss of shielding integrity was evaluated using the maximum decrease in a shielding thickness. To verify the impact dynamic analysis for free drop test condition and evaluate experimentally the safety of two kinds of type IP-2 transport packages, free drop tests were conducted with various drop directions. For the tests we examined the failure of bolts and the deformation of flange to evaluate a loss or dispersal of radioactive material and measured the shielding thickness using a ultrasonic thickness gauge to assess a loss of shielding integrity. The strains and accelerations acquired from tests were compared with those by analyses to verify the impact dynamic analysis. The analytic results were larger than the those of test so that the analysis showed the conservative results. Finally, we evaluated the safety of the type IP-2 transport package under the stacking test condition using a finite element analysis. Under the stacking test condition, the maximum Tresca stress of the shielding material was 1/3 of the yielding stress. Two kinds of a type IP-2 transport package were safe for the free drop test condition and the stacking test condition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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