Procedimiento de validación experimental de análisis estructurales de objetos definidos en imágenes 3D realizados con el Cartesian grid Finite Element Method

Abstract

El Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM) es una herramienta de análisis mediante el método de los elementos finitos desarrollada por profesores del Dpto. de Ingeniería Mecánica y Materiales. El método utiliza mallas cartesianas independientes de la geometría para discretizar el dominio a analizar. Una de las utilidades más relevantes del método es su capacidad para definir modelos de elementos finitos a partir de imágenes 3D (tomografías axiales computadas-TAC, resonancias magnéticas-RM, etc.), dado que su información se almacena en una estructura cartesiana compatible con cgFEM. El procedimiento de modelización y análisis basado en el uso de cgFEM resulta de gran importancia en el ámbito de la medicina personalizada puesto que permite realizar simulaciones numéricas específicas del paciente (patient-specific), especialmente de estructuras óseas. El procedimiento de modelado y análisis está ya perfectamente definido, pero es necesario realizar la validación experimental de los resultados obtenidos mediante cgFEM; dicha validación experimental representa el objetivo de este trabajo. La validación consistirá, esencialmente, en tomar un objeto 3D, someterlo a cargas mediante una prensa y comparar los resultados con los obtenidos numéricamente con cgFEM a partir de un micro-TAC del objeto 3D. La dificultad fundamental del trabajo reside en los materiales a analizar: materiales porosos (tejidos óseos ¿ hueso cortical y trabecular o esponjoso ¿, espumas metálicas, etc.) cuyo modelado mediante el FEM tradicional suele ser inabordable debido a la complejidad geométrica de la estructura interna del material. Para simplificar la parte experimental del proceso de validación, se ha decidido utilizar técnicas de impresión 3D para generar el conjunto de probetas necesario para realizar los ensayos. El modelo a imprimir en PLA (ácido poliláctico) se obtendrá a partir de un microTAC disponible en el DIMM de una espuma de aluminio. De esta manera, la repetitividad de las probetas está prácticamente garantizada y se reduce considerablemente el número de ensayos a realizar. La validación consistirá en comprobar que los resultados experimentales obtenidos para el conjunto de probetas son similares a los obtenidos por cgFEM a partir del microTAC obtenido de una de dichas probetas.