Numerical And Experimental Analysis Of Fracture Of Athrombogenic Coatings Deposited On Ventricular Assist Device In Micro-Shear Test

• Autorzy: Kopernik M. , Milenin A. , Kąc S.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0209

Warianty tytułu

PL

Numeryczna i doświadczalna analiza pękania atrombogennych powłok nanoszonych na komory wspomagania pracy serca w próbie mikrościnania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The Polish left ventricular assist device (LVAD – RELIGA_EXT) will be made of thermoplastic polycarbonate-urethane (Bionate II) with deposited athrombogenic nano-coatings: gold (Au) and titanium nitride (TiN). Referring to the physical model, the two-scale model of LVAD developed in the previous works in the authors’ finite element code is composed of a macro-model of blood chamber and a micro-model of wall: TiN, Au and Bionate II. The numerical analysis of stress and strain states confirmed the possibility of fracture based on localization of zones of the biggest values of triaxiality factor. The introduction of Au interlayer between TiN and polymer improved the toughness of the connection, and increased the compressive residual stress in the coating what resulted in reduction of stress and strain close to the boundary between substrate and coating. However, the proper design of multilayer wall of the medical device requires the introduction of the real stress and strain states in the deposited coatings. The characteristics of TiN nano-coating such as residual stress, material model and fracture model were determined in the previously completed studies such as experimental and numercial nanoindentation tests, profilometry studies and in situ SEM’s micro-tension tests. The experimental in situ SEM’s micro-shear test was performed in the present paper and the corresponding numerical model of the test was also developed, and then, interpreted. The critical strains taken from experiment and considered as the effective strains in the model of test are the values which are the function of triaxiality factors for the tested samples. The developed in the authors’ FE code model of multilayer wall of VAD enriched with critical strain determined in the present paper enables prediction of fracture.

PL

Polska lewa komora wspomagania pracy serca (LVAD – RELIGA_EXT) zostanie wykonana z termoplastycznego poliwęglano-uretanu (Bionate II) z naniesionymi atrombogennymi powłokami: złota (Au) i azotku tytanu (TiN). W odniesieniu do modelu fizycznego, dwuskalowy model komory LVAD opracowany we wcześniejszych pracach w autorskim kodzie elementów skończonch jest złożony z modelu makro czaszy krwistej i z mikro-modelu ściany: TiN, Au i Bionate II. Analiza numeryczna stanów naprężenia i odkształcenia potwierdziła prawdopodobieństwo pękania poprzez zlokalizowanie stref o największej wartości współczynnika naprężenia trójosiowego. Wprowadzenie międzywarstwy złota pomiędzy TiN i polimer poprawiło wytrzymałość tego połączenia i powiększyło ściskające naprężenie własne w powłoce, co doprowadziło do redukcji naprężenia i odkształcenia blisko granicy pomiędzy podłożem i powłoką. Jednakże, właściwy projekt wielowarstwowej ściany urządzenia medycznego wymaga wprowadzenia rzeczywistych stanów naprężeń i odkształceń w naniesionych powłokach. Charakterystyki powłok TiN takie jak naprężenie własne, model materiału i model pękania zostały określone we wcześniej wykonanych badaniach takich jak doświadczalne i numeryczne testy nanoindentacji, badania profilometryczne, i testy mikrorozciągania prowadzone pod elektronowym mikroskopem skaningowym. W niniejszej pracy przeprowadzono doświadczalny test mikrościnania pod skaningowym mikroskopem elektronowym, opracowano model numeryczny tego testu, a następnie go zinterpretowano. Odkształcenia krytyczne otrzymane z doświadczenia i określone w modelu testu jako intensywność odkształcenia są wartościami będącymi funkcją współczynników naprężeń trójosiowych dla badanych próbek. Opracowany w kodzie własnym model elementów skończonych wielowarstwowej ściany komory VAD wzbogacony o określone w niniejszej pracy odkształcenia krytyczne umożliwia przewidywanie pękania.

Słowa kluczowe

EN

micro-shear test; finite element method (FEM); fracture; ventricular assist device (VAD); titanium nitride (TiN); gold (Au)

PL

próba mikrościnania; metoda elementów skończonych (MES); pękanie; komora wspomagania pracy serca; azotek tytanu (TiN); złoto (Au)

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, iss. 2A
• Strony: 795--800
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kopernik M.

• AGH University of Science and Technology, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Milenin A.

• AGH University of Science and Technology, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Kąc S.

• AGH University of Science and Technology, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Y.G. An, H. Vegter, J. Heijne, J Mater Process Technol. 209, 4248-4254 (2009).
• [2] Y. Bai, X. Teng, T. Wierzbicki, J Eng Mater Technol. 131, 1-10 (2009).
• [3] Y. Bai, T. Wierzbicki, Int J Plast. 24, 1071-1096 (2009).
• [4] L. Malcher, F.M. Andrade Pires, J.M.A. Cesar de Sa, Int J Plast. 30-31, 81-115 (2012).
• [5] A. Baldi, L. Francesconi, A. Medda, F. Bertolino, Exp Mech. 53, 1105-1116 (2013).
• [6] J.-K. Heyer, S. Brinckmann, J. Pfetzing-Micklich, G. Eggeler, Acta Mater. 62, 225-238 (2014).
• [7] Y.G. An, H. Vegter, J. Heijne, J Mater Process Technol. 209, 4248-4254 (2009).
• [8] F.F. Wu, W. Zheng, S.D. Wu, Z.F. Zhang, J. Shen, Acta Mater. 60, 2073-2081 (2012).
• [9] Y. Li, M. Luo, J. Gerlach, T. Wierzbicki, J Mater Process Technol. 210, 1858-1869 (2010).
• [10] S. Hao, W.K. Liu, B. Moran, F. Vernerey, G.B. Olson, Comput Methods Appl Mech Eng. 193, 1865-1908 (2004).
• [11] M. Kopernik, A. Milenin, Arch Civ Mech Eng. 12, 178-185 (2012).
• [12] A. Milenin, M. Kopernik, D. Jurkojć, M. Gawlikowski, T. Rusin, M. Darłak, R. Kustosz, Acta Bioeng Biomech. 14, 49-57 (2012).
• [13] G. Konieczny, Z. Opilski, T. Pustelny, M. Gawlikowski, BioMed Eng. 11, 1-13 (2012).
• [14] A. Milenin, M. Kopernik, Acta Bioeng Biomech. 13/2, 13-23 (2011).
• [15] A. Milenin, M. Kopernik, Acta Bioeng Biomech. 13/4, 11-19 (2011).
• [16] M. Kopernik, Acta Bioeng Biomech. 15, 81-87 (2013).
• [17] M. Kopernik, Arch Metall Mater. 60, 127-134 (2015).
• [18] M. Kopernik, A. Milenin, S. Kąc, M. Wróbel, J Nanomater. 2014, 1-12, (2014).
• [19] M. Kopernik, Adv Eng Mat. 16, 1-21 (2014).
• [20] M. Kopernik, A. Milenin, R. Major, J.M. Lackner, Mater Sci Tech. 27, 604-616 (2011).
• [21] J. Kusiński, S. Kąc, Wytwarzanie techniką ablacji laserowej powłok na bazie Ti na podłożu polimerowym, in: R. Kustosz, M. Gonsior, A. Jarosz (Ed.), Technologie w inżynierii materiałowej i technologie metrologiczne dla potrzeb polskich protez serca, Epigraf Zabrze (2012).
• [22] A. Milenin, The bases of finite element method, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków (2010).
• [23] H. Hirakata, H. Ogiwara, A. Yonezu, K. Minoshima, Thin Solid Films 518, 5249-5256 (2010).

Uwagi

EN

Financial assistance of the NCN, project no. 2011/01/D/ST8/04087, is acknowledged. The micro-shear tests and TEM’s analysis were performed at the WIMiIP AGH.

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.