Valutazione dell'effetto della piegatura in barre spinali in lega di titanio e cobalto cromo

The spine, in addition to protecting the spinal cord, provides support, mobility and strength. Chronic changes in the spine are corrected by surgery in which the physician implants spinal fixators. The spinal rods must first be bent to follow the physiological curves of the spine, this can be done directly in the companies by four-point bending. Currently, there are two metals, titanium and cobalt chromium alloy, which are mainly used in making spinal rods. The purpose of this thesis work is twofold. First, the pins used in the experimental set-up for four-point bending are redesigned: in fact, this machine is used to deform the bars but also to test them for fatigue. The pins used in the laboratory are rollers with the ability to rotate around their own axis; in reality, since there is friction at the interface between the roller and the support structure, this does not happen and, what is more, the pins plasticize. Therefore, the need to design stronger stainless steel pins arises; specifically, since the finite element analysis shows minimal difference in residual stresses between rotating and fixed pins, they are designed as a single structure. Next, titanium rods and cobalt chrome rods, a material characterized with linear hardening, are compared when both are uniformly bent, in one case, at equal displacement and, in the other, at equal radius of curvature. Cobalt chromium rods exhibit higher tensile residual stresses and more fibers plasticize, while titanium rods require higher forces to be bent and are indented more by the loading pin. An experimental or computational fatigue study of the two types of metal rods is proposed as a possible future analysis.

La colonna vertebrale, oltre a proteggere il midollo spinale, fornisce sostegno, mobilità e resistenza. Le alterazioni croniche del rachide vengono corrette tramite interventi chirurgici nei quali il medico impianta i fissatori spinali. Le barre spinali devono essere prima piegate per poter seguire le curve fisiologiche della colonna, ciò può essere fatto direttamente nelle aziende tramite la flessione a quattro punti. Attualmente esistono due metalli, titanio e lega di cobalto cromo, principalmente impiegati nella realizzazione di barre spinali. Lo scopo di questo lavoro di tesi è duplice. Inizialmente vengono riprogettati i pin utilizzati nel set-up sperimentale per la flessione a quattro punti: di fatto questa macchina viene utilizzata per deformare le barre ma anche per testarle a fatica. I pin utilizzati in laboratorio sono dei rulli con possibilità di ruotare intorno al proprio asse; nella realtà, essendoci attrito all’interfaccia tra rullo e struttura di sostegno, ciò non avviene e, per di più, i pin si plasticizzano. Nasce dunque l’esigenza di disegnare pin in acciaio inossidabile più resistenti; nello specifico, poichè dall’analisi agli elementi finiti risulta minima la differenza di sforzi residui tra pin rotanti e pin fissi, questi vengono disegnati come un’unica struttura. Successivamente si confrontano le barre in titanio e le barre in cobalto cromo, materiale caratterizzato con hardening lineare, quando entrambe vengono piegate uniformemente, in un caso, a pari spostamento e, nell’altro, a pari raggio di curvatura. Le barre in cobalto cromo presentano sforzi residui a trazione maggiori e più fibre si plasticizzano, mentre le barre in titanio necessitano di forze maggiori per essere piegate e vengono indentate maggiormente dal pin di carico. Si propone come possibile analisi futura uno studio a fatica, sperimentale o computazionale, sulle due tipologie di barre metalliche.