KARBON FİBER KOMPOZİT AYAK PROTEZİ TASARIM VE İMALATI

Transkript

1 EGE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ (YÜKSEK LİSANS TEZİ) KARBON FİBER KOMPOZİT AYAK PROTEZİ TASARIM VE İMALATI Barış YILMAZ Tez Danışmanı: Doç. Dr. Hasan YILDIZ Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Bilim Dalı Kodu: Sunuş Tarihi: Bornova İZMİR 2009

2 ii

3 iii Barış YILMAZ tarafından yüksek lisans tezi olarak sunulan Karbon Fiber Kompozit Ayak Protezi Tasarım ve İmalatı başlıklı bu çalışma E.Ü. Lisansüstü Eğitim ve Öğretim Yönetmeliği ile E.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Eğitim ve Öğretim Yönergesi nin ilgili hükümleri uyarınca tarafımızdan değerlendirilerek savunmaya değer bulunmuş ve tarihinde yapılan tez savunma sınavında aday oybirliği/oyçokluğu ile başarılı bulunmuştur. Jüri Üyeleri: İmza Jüri Başkanı :Doç. Dr. Hasan YILDIZ. Raportör Üye :Doç. Dr. Turgut GÜRSEL. Üye :Yrd. Doç. Dr. Ayhan NUHOĞLU.

4 iv

5 v ÖZET KARBON FİBER KOMPOZİT AYAK PROTEZİ TASARIM VE İMALATI YILMAZ, Barış Yüksek Lisans Tezi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Tez Yöneticisi: Doç. Dr. Hasan YILDIZ Ağustos, 2009, 142 sayfa Ayak protezinden, normal bir insanınkine en yakın enerji ile yürüyüşü gerçekleştirmesi, ayrıca duruş ve yürüyüş esnasında ortaya çıkan kuvvetleri karşılaması beklenmektedir. Darbe dayanımı ve enerji geri dönüşüm özelliği yüksek kompozit malzemelerden olan karbon fiber destekli polimerlerin bu alanda kullanımı uygundur. Yaklaşık sekiz yüz altmış bin ortopedik engellinin yaşadığı ülkemizde, karbon elyaf destekli kompozit protez ayakların seri imalatı yapılmamaktadır. Bu nedenle yapay alt uzuv kullanan ortopedik engellilerin çoğu bu teknolojik ürünleri kullanamamakta ya da kullanabilmek için büyük ücretler ödemektedir. Hastaların kaliteli protezleri kullanmasını sağlamak üzere özellikle yerli üretimin geliştirilmesi bir ihtiyaçtır. Bu çalışmada yüksek hareket kabiliyeti sunan bir ayak protezinin tabakalı kompozit yapısı, bilgisayar destekli tasarım ve mühendislik yazılımları kullanarak tasarlanmıştır. Tasarımlarda sonlu elemanlar yönteminden yararlanılarak, ayak protezinde, beklenen mekanik değerlere dayanacak şekilde tasarım iyileştirmeleri yapılmıştır. Prototiplerin üretilmesi için kapalı kalıplar hazırlanmış ve karbon elyaf/epoksi prepreg malzeme kullanılarak prototip üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen prototiplerin montajları tamamlanarak, ayak-bilek protezleri için belirlenmiş ISO standardına uygun olarak mekanik dayanım testleri yapılmış ve esneklik özellikleri belirlenmiştir. Ayrıca protezin kozmetik kılıfı da üretilerek birçok ülkede hastalar üzerinde denenmiştir. Böylece kompozit ayak protezi seri üretime hazır hale getirilmiştir. Anahtar sözcükler: Ayak protezi, sonlu elemanlar yöntemi, ISO standardı, kompozit malzemeler.

6 vi

7 vii ABSTRACT DESIGN AND MANUFACTURING OF CARBON FIBRE COMPOSITE PROSTHETIC FOOT YILMAZ, Barış MSc, in Mechanical Engineering Supervisor: Assoc.Prof. Hasan YILDIZ August, 2009, 142 pages It is expected to realize the walking with minimum energy as natural gait, and compensate the forces that occur during walking or standing position. It is suitable to use carbon fiber reinforced polymers as composite material that has excellent shockproof and energy returning features, in prosthesis. There is no mass production of high performance carbon fiber reinforced prosthetic foot in Turkey, where about eight hundred sixty thousand people have the orthopedic disabilities. So that, many of disabled people that use lower limb prosthesis, have to pay high prices to buy them. In our country, it is a need to develop domestic production of high quality prosthetic components for the patients. In this project; The composite prosthetic foot that offers good motion ability, is designed by using computer aided design and engineering software. The finite element method is used in refining of the design to reach optimum mechanical features. The closed molds were prepared for manufacturing of the prototypes and the prototypes were manufactured by using carbon/epoxy prepreg material. The assambled prosthetic feet were tested according to ISO test standard for ankle-foot devices. Also the cosmetic cover for the composite foot was manufactured. Then products are tested on some patients in different countries to obtain feed back. The prosthetic foot model is ready for mass production. Keywords: Prosthetic foot, the finite elements method, ISO standard, composite materials.

8 viii

9 ix TEŞEKKÜR SAN-TEZ Programı kapsamında tamamlanan bu tezin hazırlanmasındaki finansal desteğinden dolayı T.C. Sanayi Bakanlığı na ve yoğun desteği için Doç.Dr. Hasan YILDIZ a en içten teşekkürlerimi sunar, çalışmadaki katkılarından dolayı İB-ER Makine San. Tic. Ltd. Şti. nin yönetici ve çalışanlarına şükranlarımı ifade etmeyi borç bilirim.

10 x

11 xi İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... v ABSTRACT...vii TEŞEKKÜR...ix ŞEKİLLER DİZİNİ...xvii ÇİZELGELER DİZİNİ...xxv SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ...xxvii 1 GİRİŞ AMPUTASYON VE PROTEZ TİPLERİ Amputasyon Alt Ekstremite Amputasyonları ve Protez Türleri Parsiyel ayak amputasyonu Syme amputasyonu Diz altı (transtibial) amputasyonu Diz dezartikülasyonu Diz üstü (transfemoral) amputasyonu Kalça dezartikülasyonu ve hemipelvektomi AYAK VE BİLEK ANATOMİSİ...12

12 xii İÇİNDEKİLER (devam) 3.1 Kemikler ve Eklemler Kaslar YÜRÜME Yürümenin Fazları Vücudun İlerletilmesi Topukta dönme hareketi Bilekte dönme hareketi Önayakta dönme hareketi Darbe emilimi Yürüme sırasında gerçekleşen enerji tüketimi ALT EKSTREMİTE PROTEZLERİ Alt Ekstremite Protezlerini Oluşturan Temel Bileşenler Soket Diz mafsalı Pylon Ayak sistemleri PROTEZ TASARIMI Ayak Karakteristikleri... 26

13 xiii İÇİNDEKİLER (devam) Dorsifleksiyon Eversiyon Enerji geri dönüşümü Darbe emilimi Bilekteki dönme hareketi Protez Ayak Bileşenleri Protez Ayak Malzemeleri Protez Ayak Tasarımı Omurga Topuk KOMPOZİT MALZEMELER İleri Kompozitler Takviye malzemelerinin özellikleri Dokuma biçimleri Matris malzemelerinin özellikleri Prepreg malzeme özellikleri Kompozit Ürün Üretim Yöntemleri Vakum torbalama ve otoklav yöntemleri...48

14 xiv İÇİNDEKİLER (devam) Kapalı kalıplama yöntemi Basınç torbalama yöntemi Flaman sarma yöntemi Isıl Genleşme ile kalıplama yöntemi Pultrüzyon yöntemi Kalıp malzemeleri Kompozit Malzeme Mekaniği Fiber takviyeli kompozitlerin karakteristiği Kompozitlerin mekanik testleri AYAK-BİLEK PROTEZLERİNİN MEKANİK TESTLERİ ISO Test Standardı Ayak Bilek Bileşenleri İçin Ayrıca Tanımlanmış Test Prosedürü Test ekipmanı Olağan statik dayanım testi Maksimum statik dayanım testi Dinamik dayanım testi AYAK-BİLEK PROTEZİ TEST MAKİNESİ TASARIMI VE İMALATI Test Makinesi Özellikleri... 78

15 xv İÇİNDEKİLER (devam) 9.2 Test Makinesi Tasarımı ve Üretimi Aktüatör seçimi Gövde ve mekanik aksam Kontrol ünitesi AYAK PROTEZİ TASARIMININ MEKANİK ANALİZİ VE TASARIM İYİLEŞTİRMELERİ Sonlu Elemanlar Yöntemi Ayak Protezinin Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Mekanik Analizi Malzeme özelliklerinin belirlenmesi Sonlu elemanlar modelinin oluşturulması Sınır koşullarının belirlenmesi ve çözüm Mekanik Analiz Sonuçları Tasarım İyileştirmeleri Analizlerin Tekrarlanması PROTOTİP ÜRETİMİ Kalıpların Tasarımı ve İşlenmesi Prepreg Malzemenin Kesilmesi ve Kalıplara Yerleştirilmesi Kür İşlemi Yarı Mamullerin İşlenmesi ve Montaj...126

16 xvi İÇİNDEKİLER (devam) 11.5 Topuk Takozu MEKANİK TESTLER Standart Dayanım Testleri Esneklik Testleri KOZMETİK KILIF TASARIMI VE ÜRETİMİ Kozmetik Kılıfın Modellenmesi Plastik Enjeksiyon Kalıbı Tasarımı ve Üretim SONUÇ KAYNAKLAR DİZİNİ ÖZGEÇMİŞ

17 xvii ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Sayfa Şekil 2.1 Amputasyon bölgeleri ve oransal dağılımı...6 Şekil 2.2 Diz altı amputasyonu...7 Şekil 2.3 Diz altı amputasyonlardan sonra kullanılan protez kitleri...8 Şekil 2.4 Diz dezartikülasyonundan sonra kullanılan protez kiti...8 Şekil 2.5 Diz üstü amputasyonu...9 Şekil 2.6 Diz üstü amputasyonlardan sonra kullanılan protez kitleri...10 Şekil 2.7 Kalça dezartikülasyonundan sonra kullanılan protez kiti...11 Şekil 3.1. Ayak ve bilek kemikleri...13 Şekil 3.2. Ayak ve bilek üzerinde çalışan kaslar...13 Şekil 4.1 Yürüme ana ve ara fazları...14 Şekil 4.2 Basma fazında gerçekleşen ayak hareketleri...15 Şekil 4.3 Topukta görülen dönme hareketi...16 Şekil 4.4 Bilekte oluşan dönme hareketi...16 Şekil 4.5 Önayakta meydana gelen dönme hareketi...17 Şekil 4.6 Yer tepki kuvveti değişimi...18 Şekil 4.7 Farklı durumlarda harcanan enerji miktarları...19 Şekil 5.1 İleri teknoloji ürünü bir diz üstü bacak protezi...20

18 xviii Şekil 5.2 Tek eksen ve polisentrik diz mafsalı örnekleri Şekil 5.3 Hidrolik silindirli diz mafsalı örneği Şekil 5.4 Pylon örnekleri Şekil 5.5 Tek eksen ayak ve bilek mafsalı Şekil 5.6 SACH ayak ve hareketsiz bilek adaptörü Şekil 5.7 SAFE ayak yapısı Şekil 5.8 Dinamik ayak örneği Şekil 5.9 Kompozit dinamik ayak protezleri Şekil 6.1 Dorsifleksiyon ve plantar fleksiyon hareketleri Şekil 6.2 Eversiyon ve inversiyon hareketleri Şekil 6.3 Ayak protezi bileşenleri Şekil 6.4 Ayak protezi omurgası Şekil 6.5 Piramit adaptör (a) ve fiksatör (b) Şekil 6.6 Topuk bileşenleri Şekil 6.7 Topuk - omurga bağlantısında kullanılan somun Şekil 6.8 Montaj yapılmış ayak protezi modeli Şekil 7.1 Malzemelerin yoğunluklarının karşılaştırılması Şekil 7.2 Malzemelerin çekme dayanımının karşılaştırılması Şekil 7.3 Malzemelerin elastisite modüllerinin karşılaştırılması... 36

19 xix Şekil 7.4 Takviye malzemelerinin yoğunlukları...38 Şekil 7.5 Takviye malzemelerinin maliyet oranları...38 Şekil 7.6 Takviye malzemelerinin çekme dayanımları...39 Şekil 7.7 Takviye malzemelerinin elastisite modülleri...39 Şekil 7.8 Düz Dokuma...40 Şekil 7.9 Çapraz Dokuma...41 Şekil 7.10 Saten Dokuma...41 Şekil 7.11 Kıvrımsız Kumaş...42 Şekil 7.12 Prepreg malzemenin özellikleri...44 Şekil 7.13 Film hattı...44 Şekil 7.14 Dikey ve yatay solüsyon (sıcak eriyik) hattı...45 Şekil 7.15 Prepreg işleme yöntemleri...48 Şekil 7.16 Vakum torbalama işlemi...49 Şekil 7.17 Otoklav...50 Şekil 7.18 Vakum torbalamada kullanılan yardımcı elemanlar...50 Şekil 7.19 Vakum torbalama yönteminde uygulanan kür çevrimi...52 Şekil 7.20 Otoklav yönteminde uygulanan kür çevrimi...52 Şekil 7.21 Kapalı kalıplama elemanları...54 Şekil 7.22 Kapalı kalıplama yöntemi...55

20 xx Şekil 7.23 Basınç torbalama yöntemi Şekil 7.24 Isıl genleşme ile kalıplama yöntemi Şekil 7.25 Pultrüzyon yöntemi Şekil 7.26 Takviye malzemelerin doğrultuya bağlı özellikleri Şekil 7.27 Fiber açı oryantasyonları Şekil 7.28 Çekme testi Şekil 7.29 Basma testi Şekil 7.30 Esneme testi Şekil 7.31 Tabakalar arası kayma testi Şekil 7.32 Düzlem içi kayma testi Şekil 8.1 Ayağın test ekipmanındaki pozisyonu Şekil 8.2 Dinamik yükleme profilleri Şekil 8.3 Olağan statik dayanım testi uygulama şeması Şekil 8.4 Maksimum dayanım testi uygulama şeması Şekil 8.5 Dinamik dayanım testi uygulama şeması Şekil 9.1 Üniversal ayak-bilek test makinesi Şekil 9.2 Çift taraflı test makinesi Şekil 9.3 Pnömatik kas Şekil 9.4 Pnömatik kasın yapısı... 81

21 xxi Şekil 9.5 Kas ile beraber kullanılan bağlantı parçaları...81 Şekil 9.6 Kas boyutlarının hesaplanması...82 Şekil 9.7 Kas boyu hesaplaması...83 Şekil 9.8 Bir çevrimde bir kastan boşaltılan hava miktarı...83 Şekil 9.9 Numunenin test makinesine tespiti...84 Şekil 9.10 Kuvvet iletim sistemi...85 Şekil 9.11 Kuvvet iletim sistemi bileşenleri...85 Şekil 9.12 Kuvvet kolu ve bağlantılar...86 Şekil 9.13 Test makinesi gövdesi...87 Şekil 9.14 Kasların gövdeye bağlanma biçimi...87 Şekil 9.15 Test makinesinin tamamlanmış modeli...88 Şekil 9.16 Ayak-bilek protezi test düzeneği...89 Şekil 9.17 Test makinesi için seçilen yük hücresi ve yükseltici...89 Şekil 9.18 Test makinesinde kullanılan oransal valf...90 Şekil 9.19 Ayak-bilek protezi testleri için üretilen test makinesi...91 Şekil 9.20 SACH ayak protezine uygulanan bir deneme testi...91 Şekil 10.1 Lineer ortotropik malzemenin mekanik değerlerinin programa girilmesi...96 Şekil 10.2 "Shell99" eleman türü...97 Şekil 10.3 Kompozit parça analizinde kullanılan taba dizilim çeşitleri...97

22 xxii Şekil 10.4 Alanlara ayrılmış sonlu elemanlar modeli Şekil 10.5 "Real Constants" tanımlanması Şekil 10.6 Tabakaların malzeme, açı, kalınlık özelliklerinin girilmesi Şekil 10.7 Kısa tabakaların program tarafından algılanması Şekil 10.8 Elemanlara ayrılmış ayak modeli Şekil 10.9 Mesnet noktaları Şekil Test kuvvetinin ayak ucunda tanımlanması Şekil Ayak ucuna uygulanan 1650 N kuvvet etkisiyle oluşan deformasyon103 Şekil Topuğa uygulanan 1650 N kuvvet etkisiyle oluşan deformasyon Şekil Ayak ucuna uygulanan 5600 N kuvvet etkisiyle oluşan deformasyon104 Şekil Topuğa uygulanan 5600 N kuvvet etkisiyle oluşan deformasyon Şekil Tabaka ayrışması Şekil Kompozit bilek parçası Şekil Revize edilmiş ayak modeli Şekil Niagara Foot Ayakucu yük - deformansyon grafiği Şekil Niagara Foot Topuk yük - deformasyon grafiği Şekil Otto Bock Axtion 106 kg Ayakucu yük - deformansyon grafiği108 Şekil Otto Bock Axtion 106 kg Topuk yük - deformansyon grafiği 108 Şekil Otto Bock Axtion 124 kg Ayakucu yük - deformansyon grafiği109

23 xxiii Şekil Otto Bock Axtion 124 kg Topuk yük - deformansyon grafiği.109 Şekil Ayak protezinde oluşan esneme biçimleri Şekil Ayak gövdesinde kullanılan fiber açı oryantasyonu Şekil Ayak ucundan uygulanan kuvvetler ve mesnetleme bölgesi Şekil kg kuvvet etkisiyle gövdede oluşan deformasyon Şekil kg kuvvet etkisiyle gövdede depolanan enerji Şekil Topukta kullanılan fiber açı oryantasyonu Şekil kg kuvvet etkisiyle topukta oluşan deformasyon Şekil kg kuvvet etkisiyle topukta depolanan enerji Şekil 11.1 Yarı mamul omurga (a), bilek parçası (b), topuk (c) modelleri Şekil 11.2 Omurga kalıbı dişi yarı (a), erkek yarı (b), kapalı kalıp kesiti (c) Şekil 11.3 Topuk kalıbı dişi (a) ve erkek (b) kalıp bileşenleri Şekil 11.4 Bilek parçası kalıbı dişi (a) ve erkek (b) kalıp bileşenleri Şekil 11.5 Omurganın dişi kalıbının kaba işleme takım yolu simülasyonu Şekil 11.6 Omurga kalıbı (a) ve topuk dişi kalıbı (b) Şekil 11.7 Omurga (a), topuk (b) ve bilek parçası (c) için hazırlanan şablon çizimleri Şekil 11.8 Topuk şablonu Şekil 11.9 Kesilmiş prepreg tabakaları Şekil Kalıba yerleştirilmiş prepreg tabakaları...121

24 xxiv Şekil SGL Firması tarafından E201 için verilen kür çevrimi Şekil Kapalı kalıplama yönteminde E201 için belirlenen kür çevrimi Şekil Sıcak pres Şekil Sıcaklık kontrollü ısıtmalı pres Şekil Opik 04 proses izleme ve kayıt yazılımı Şekil Kür prosesi grafiği Şekil Topuk takozu modeli Şekil Topuk takozunun yerleştirilmesi Şekil Topuk takozu kalıbı Şekil 12.1 Dinamik dayanım testi uygulaması Şekil 12.2 Topuğa uygulanan esneklik testi Şekil 12.3 Kompozit ayak protezine ait yük - deformasyon grafiği Şekil 13.1 Kozmetik kılıf modeli Şekil 13.2 Kompozit omurganın kozmetik kılıf içindeki yerleşimi Şekil 13.3 Kozmetik kılıf kalıbı Şekil 13.4 Kozmetik kılıf enjeksiyonu Şekil 13.5 Kozmetik kılıf Şekil 13.6 Protezin kılıf içine yerleştirilmesi ve kılıftan çıkarılması

25 xxv ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 6-1 İnsan ayağının farklı hıza bağlı dorsifleksiyon açıları...27 Çizelge 7-1 Prepreg ve ıslak yatırma yöntemlerinin karşılaştırılması...47 Çizelge 7-2 Vakum torbalama ve otoklav işlemleri karşılaştırması...49 Çizelge 7-3 Kalıp malzemeleri ve özellikleri...59 Çizelge 7-4 Farklı malzemelerin çekme testi sonuçları...62 Çizelge 7-5 Farklı malzemelerin basma testi sonuçları...63 Çizelge 7-6 Farklı malzemelerin esneme testi sonuçları...63 Çizelge 7-7 Farklı malzemelerin tabakalar arası kayma testi sonuçları...64 Çizelge 7-8 Farklı malzemelerin düzlem içi kayma testi sonuçları...65 Çizelge 8-1 Test kuvvetlerinin uygulanma açıları...68 Çizelge 8-2 Test türleri ve Test kuvvetleri...69 Çizelge 10-1 HexPly M9/M10 UD Carbon Prepreg özellikleri...94 Çizelge 10-2 SIGRAFIL CE Prepreg özellikleri...95 Çizelge 10-3 Sonlu elemanlar analizi için belirlenen ortotropik malzeme özellikleri...95 Çizelge 10-4 Test kuvvetlerinin üç eksendeki bileşenleri Çizelge 11-1 Kalıplara uygulanan pres kuvvetleri Çizelge 11-2 Kalıplar için hesaplanmış hidrolik basınç değerleri...124

26 xxvi

27 xxvii SEMBOLLER VE KISALTMALAR Simgeler Açıklama F 1sp Topuk için olağan statik test kuvveti F 2sp Ayakucu için olağan statik test kuvveti F 1su,lower limit Topuk için üst dayanım test kuvveti alt limiti F 2su,lower limit Ayakucu için üst dayanım test kuvveti alt limiti F 1su,upper limit Topuk için üst dayanım test kuvveti alt limiti F 2su,upper limit Ayakucu için üst dayanım test kuvveti alt limiti F 1cmin Topuk için minimum dinamik test kuvveti F 2cmin Ayakucu için minimum dinamik test kuvveti F 1cr Topuk için dinamik test çevrim menzili F 2cr Ayakucu için dinamik test çevrim menzili F 1cmax Topuk için maksimum dinamik test kuvveti F 2cmax Ayakucu için maksimum dinamik test kuvveti F 1cmean Topuk için ortalama dinamik test kuvveti F 2cmean Ayakucu için ortalama dinamik test kuvveti F 1ca Topuk için dinamik test çevrim ortalaması F 2ca Ayakucu için dinamik test çevrim ortalaması F 1fin Topuk için son statik kuvvet

28 xxviii SEMBOLLER VE KISALTMALAR (devam) F 2fin Ayakucu için son statik kuvvet Pn Test kuvveti T g Camsı geçiş sıcaklığı Kısaltmalar DM Diyabetes mellitus HT Hipertansiyon IGK Isıl genleşme katsayısı PDH Periferik damar hastalıkları SACH Solid ankle-cushion heel SAFE Solid ankle- flexible endoskeletal TPU Termoplastik Poliüretan UD Eş yönlü

29 1 1. GİRİŞ El, ayak ve benzeri organ ya da vücut parçasının kaybı durumunda, bu organ ve vücut parçasının işlevlerini kısmen de olsa yerine getirecek olan yapay organlara protez ismi verilir. Herhangi bir nedenle desteklenmesi, korunması ve düzeltilmesi gereken vücut kısımlarına uygulanan yardımcı cihazlara ise ortez ismi verilir. İlk zamanlarda kullanılan protezler, tahta bacak ya da kanca gibi ilkel aletlerden ibaretti. Protezlere doğal uzuvların fonksiyonlarını kazandırmak üzere yapılan geliştirmeler Rönesans döneminde, Amerikan iç savaşı ve iki dünya savaşı sırasında ortaya çıkmıştır. Birinci Dünya Savaşı nda daha belirgin olarak ortaya çıkan protez ihtiyacı Amerikan Protez ve Ortez Derneği nin kurulmasına önayak olmuştur. Bunu takip eden gelişmeler sonucunda innovatif tasarımların ve malzemelerin kullanılmasıyla, modern protez teknolojilerinin gelişimi hızlanmıştır. Amputasyon operasyonları farklı düzeylerde uygulanmasına rağmen, ayak protezi tüm alt uzuv protezlerinin önemli ve çok yönlü bileşenlerinden biridir. İlk olarak hareketsiz bileğe sahip, esnek topuklu SACH (solid ankle-cushion heel) ayak protezleri ortaya çıkmıştır. İlk SACH ayak protezini Amerikan İç Savaşı sırasında, bir güney askeri olan JE Hanger tasarlamıştır. Geliştirilmiş SACH ayak modelleri günümüzde geniş çapta kullanılmaya devam etmektedir. Sonraki tasarımlarda insan ayağının bilek bölgesinde olduğu gibi, ayak ile baldır arasında bir eksenli harekete izin veren mafsallı ayak protezleri geliştirilmiştir. Bu tek eksenli mafsal dorsifleksiyon ve plantar fleksiyon hareketlerine izin vermektedir. Sonraki aşamada eversiyon, inversiyon, ayrıca düşey eksendeki torsiyon hareketine de bir ölçüde izin veren çok eksenli ayak protezleri geliştirilmiştir. Böylece düzgün olmayan yüzeylerde yürüyüşü kolaylaştıran ve yürüme sırasında ortaya çıkan torku depolayan bir ayak protezi, hastalara sunulmuştur. Protez ayaklar öncelikle yürüme aktivitesini gerçekleştirmek için tasarlanmaktadır. Ancak zamanla daha genç ve aktif alt uzuv amputeleri ihtiyaçlarına cevap verebilecek yeni nesil ayak protezlerine ihtiyaç duymuştur. Böylece enerji depolama yeteneğine sahip ayak protezleri gündeme gelmiştir. Ancak normal yürüme ile koşma aktivitesi arasında büyük fark vardır. Koşma sırasında topuk temasında yerden gelen tepki kuvveti vücut ağırlığının 2 ila 3 katına çıkabilmektedir. Bu nedenle ayak omurgasının darbe emici ve enerjiyi depolayarak yürümenin sonraki aşamasında yere geri vermesi beklenir. Bu amaçla

30 2 enerji depolayan ayaklarda grafit kompozit, Delrin (DuPont), Kevlar (DuPont), poliüretan elastomerler ve esnek kauçuk malzemeler kullanılabilmektedir (Tang et al, 2008). Düşük yoğunluk, korozyon dayanımı, yorulma dayanımı, estetik görünüm,kolay üretilebilirlik gibi özellikleri nedeniyle, polimerik kompozit malzemelerin, modern yapay uzuv sistemlerinde kullanımını cazip hale gelmiştir. Bu sistemlerde kullanılan termoset polimerler, cam, karbon ya da aramid fiberlerle desteklenmektedir. Kompozit malzemeler ayak, boru ve soket yapımında kullanılmaktadır (Ramakrishna et al.,2001). Karbon fiber kompozit protezlerin geliştirilmesiyle, son yirmi yıl içinde amputelerin sportif performansları büyük oranda geliştirilmiştir. Kazanmakla kaybetmek arasındaki farkın azalmasıyla birlikte, sporcuların rakiplerini alt etmek ve rekorlar kırma hayalleri, gelişen protez teknolojisine dayanmaktadır. Temelde insan ayağına göre sahip oldukları dezavantajların ortadan kaldırılmasıyla protezlerin performanslarının arttırılması mümkün olmaktadır. Günümüzde tasarlanıp üretilen kompozit koşu protezleri, insan uzuvlarına göre çok daha büyük mekanik avantajlara sahip hale gelmiştir. Yapılan çalışmalarda, karbon fiber kompozit protezlerin insan ayağının enerji verimliliğine ulaşamamakla beraber, insan uzvundan daha hafif olması nedeniyle, amputelerin normal bir insanın harcadığı enerjiyi harcayarak koşabilmesini sağladığı görülmüştür. Ağırlık merkezinin konumu ve protezin ataleti protezlerin insan ayağı karşısında avantaj sağlamaktadır (Nolan, 2008). Olmayan kas fonksiyonlarını yerine getirebilecek protezlerin kullanımı ile normal yürüyüş hızı arttırılabilmekte ve yürüyüş sırasında meydana gelen enerji kayıpları, asgari seviyeye indirilebilmektedir (Waters and Mulroy, 1999). Yeni protezlerin tasarımında hedef öncelikle basitlik olması gerekirken, yapılan tasarımların gittikçe karmaşıklaştığı görülmektedir. son zamanlarda piyasaya çıkan ayaklar değişik malzeme tabakaları, eğrisel yaprak yaylar, çok serbestlik derecesine sahip parçalı omurga içermektedir. Protez ayakların materyal ve yapısal özelliklerinin belirlenmesinde birçok özel aparatın kullanıldığı yöntemler geliştirilmiştir. Ancak bir çalışmada geliştirilen bir yöntemde her ayak yay ve damperlerden oluşan bir sistem olarak modellemekte ve enerji depolama, viskoelastiklik ve çoklu yükleme oranlarını içeren bir ayak fonksiyonu ölçümlendirmesi sunmaktadır (Geil, 2002).

31 3 Enerji geri dönüşümlü protez ayakların geliştirilmesinde klinik deneyimlerle bilimsel araştırmalar arasında bağlantı kopukluğu görülmektedir. Bu nedenle yapılacak protez tasarımlarında yüksek hızlı hareketler, merdiven iniş çıkışı, düzgün olmayan yüzeylerde yürüme gibi klinik verilerin ve ihtiyaçların incelenmesi, tasarımcıların daha isabetli tasarımlar geliştirmesini mümkün kılacaktır. Bu nedenle, biyomekanik analizlerle hasta tepkilerinin karşılaştırılmasına yönelik çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda öncelikle klinik, bilimsel ve algısal değerler anlaşılmalı ve karşılaştırmalı protez analizinde kullanılmalıdır. Yapılan yürüyüş analizleri belirli koşullarla sınırlandırılmalıdır. Böylece amputelerin daha efektif kullanabileceği protez bileşenleri geliştirilebilir (Hafner et al. 2002). Çeşitli çalışmalarda farklı ayak modellerin ampute yürümesi üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Dört farklı protez ayağın, iki erkek diz altı amputesinin yürüyüşündeki etkileri, hızlı ve yavaş yürüme hızlarında analiz edilmiştir. Analizler sonucunda incelenen her bir ayağın kinetik ve kinematik parametrelerinden en az birinin diğerlerinden farklı olduğu ortaya çıkmıştır. Fakat protez ayakların etkileri kullanıcının yürüyüş biçimine göre farklı olmaktadır (Van der Linden et al., 1999). Tüm alt ekstremite amputasyonu türlerinde kullanılan alt ekstremite protezlerinde bir yapay ayağa gereksinim duyulmaktadır. Ayak protezinden, normal bir insanınkine en yakın enerji ile yürüyüşü gerçekleştirmesi, ayrıca duruş ve yürüyüş esnasında ortaya çıkan kuvvetleri karşılaması beklenir. Bu amaçla, üretilecek protezlerde darbe dayanımı ve enerji geri dönüşüm özelliği yüksek kompozit malzemeler olan karbon fiber destekli polimerlerin kullanımı uygundur yılı araştırmalarına göre yaklaşık sekiz yüz altmış bin ortopedik engelli bulunan ülkemizde, hastaların kaliteli protezler kullanmasını sağlamak üzere özellikle yerli üretimin geliştirilmesi bir ihtiyaçtır (DİE,2002). Ülkemizde karbon elyaf destekli protez ayakların seri imalatı yapılmamaktadır. Bu nedenle yapay alt uzuv kullanan ortopedik engellilerin çoğu bu teknolojik ürünleri kullanamamakta ya da kullanabilmek için büyük ücretler ödemektedir. Bu çalışmada yüksek hareket kabiliyeti sunan ayak protezlerinin tasarlanıp, prototiplerin ekonomik üretim yöntemleri ile imal edilmesi ve uygun şartlarda test

32 4 edilerek seri üretime hazır hale getirilmesi amaçlanmış ve bu hedefe ulaşılmıştır. Kompozit malzemeler, geliştirilmiş tasarımlar ve azaltılmış maliyetler sayesinde engelli sporcuların ve alt uzuv protezi kullanan tüm hastaların ev içi ihtiyaçları ve sportif aktiviteleri ile beraber bütün günlük faaliyetlerinin iyileştirilmesinin yanı sıra protezlerin kullanım ömrü de arttırılabilmiştir.

33 5 2. AMPUTASYON VE PROTEZ TİPLERİ 2.1 Amputasyon Ağır şekilde hasar almış, hastalıklı veya artık fonksiyonel olmayan ekstremitelerin kesilerek vücuttan uzaklaştırılması işlemine amputasyon denir. Amputasyon tarihte uygulanan en eski ameliyatlardan biridir. Ekstremite amputasyonu hem psikolojik hem de fiziksel bir sakatlıktır. Günümüzde uygulanış şekli ve zamanlaması ile hastanın mortalite, morbiditesini ve rehabilitasyonun başarısını etkileyen, önemli bir uygulamadır. Motorlu taşıt kullanımının artması sonucu travmatik amputasyonlar artmaktadır. Ayrıca Diyabetes mellitus (DM), ateroskleroz, hipertansiyon (HT) ve periferik damar hastalıkları (PDH) v.b hastalıklar nedeniyle travma dışı ekstremite amputasyonları halen sık uygulanan operasyonları oluşturmaktadır. Tüm amputasyonların %80-85 i alt ekstremitede yapılmaktadır. Amputasyon nedenlerine bakıldığı zaman travmatik amputasyonlar tüm amputasyonlar içinde en büyük bölümü teşkil etmektedir. Travma dışı olgularda prevalansı giderek artan ve dünya sağlık örgütü tarafından epidemik hastalıklar gurubunda sayılan DM amputasyona en sık neden olan ikinci etkendir. Amerika Birleşik Devletlerinde travma dışı nedenlerle gerçekleştirilen alt ekstremite amputasyonlarının %50 sinden fazlası DM hastalarına uygulanmaktadır. Amputasyon işlemleri doktorlar için çok istenerek uygulanan bir ameliyat türü değildir, fakat sepsise neden olabilecek enfektif kaynağı ortadan kaldırması, hastanın hayatını kurtarıp, ağrılarını azaltması ve hastaya rehabilitasyon olanakları sağlayabilmesi açısından üzerinde önemle durulması gereken bir uygulamadır. Amputasyonlarda amaç, hastanın yaşam kalitesini arttırmak ve fonksiyonlarını olabildiğince korumaktır. (Sümer vd., 2008) 2.2 Alt Ekstremite Amputasyonları ve Protez Türleri Amputasyon türü, ameliyat ve kesim işleminin yapıldığı bölgeye göre adlandırılır. Protez seçimindeki ana faktör amputasyon türüdür. Bir değerlendirmeye göre ekstremite amputasyonlarının dağılımı şu şekilde bildirilmiştir (Şekil 2.1) :

34 6 % 16 Üst ekstremite amputasyonu % 3 Syme amputasyonu % 47 Diz altı amputasyonu % 1 Diz dezartikülasyonu % 31 Diz üstü amputasyonu % 2 Kalça dezartikülasyonu Şekil 2.1 Amputasyon bölgeleri ve oransal dağılımı ( Parsiyel ayak amputasyonu Ayağın ön kısmını içeren parsiyel amputasyonlardır. Bu tür amputasyonlarda (parmak amputasyonu, ray rezeksiyonu, transmetatarsal amputasyon) genellikle parmak dolgusu ya da ayakkabı modifikasyonu yeterli olmaktadır. Parmak amputasyonu olanlarda ayakkabı içine yün, kauçuk ya da köpük dolgu yapılarak fonksiyon korunabilir. Daha ileri amputasyonlarda metatars başlarına kadar uzanan çelik yaylı bir şank, metatarsal yastık ve rocker taban gerekli olmaktadır (Peker, 2001).

35 Syme amputasyonu Parsiyel ayak amputasyonu ile tedavi edilemeyen vakalarda uygulanan bir ayak bileği amputasyonudur. Genellikle geride kalan güdük kısmı ağırlık taşımaya izin verir. Kişi protez kullanmadan da ayakta durabilir, ev içindeki hafif aktiviteleri güdük üzerinde sürdürebilir (Güven, 2007). Syme protezi genellikle çıkarılabilir bir medial pencere içerir. Bununla ayak bileği üzerinde süspansiyon sağlanır (Peker, 2001) Diz altı (transtibial) amputasyonu Diz altı amputasyonu en sık uygulanan ekstremite amputasyonudur. Bu amputasyonlarda proteze uyum sorununu ortadan kaldırmak üzere tibia kemiğinin merkezinden 1/3 oranından daha fazla uzaklaşmamaya çalışılır (Şekil 2.2). Diz altı amputasyonları özellikle rijit uygulamaya ve operasyon sonrasında kısa sürede protez uygulamasına elverişlidir. Dizin kullanılabilir olması nedeniyle efektif bir yürüme sağlanabilir. Şekil 2.2 Diz altı amputasyonu ( ) Diz altı amputasyonlular için oldukça geniş bir protez yelpazesi mevcuttur (Şekil 2.3). Sert soketler bacak ve protez arasında yerleşmiş, pamuk veya yünden yapılar içerecek şekilde tasarlanır. Sert soketlerin temizlenmesi kolaydır ve linen lara göre daha uzun ömürlüdürler (Erler, 2009).

36 8 Şekil 2.3 Diz altı amputasyonlardan sonra kullanılan protez kitleri ( Diz dezartikülasyonu Diz ekleminde yapılacak dezartikülasyon, diz altı amputasyonun mümkün olmadığı ancak dezartikülasyon için yeterli yumuşak doku mevcut olduğunda uygulanır (Şekil 2.4). Bu duruma genellikle travmatik hastalarda rastlanır. Bar bağlantılı protez, diz dezartikülasyonu için yapılmıştır. Düşük profilli çok iyi stabiliteye sahip ve yürümenin salınma fazında kas görevini yapan hidrolik üniteli bir yapısı vardır (Erler, 2009). Şekil 2.4 Diz dezartikülasyonundan sonra kullanılan protez kiti (

37 Diz üstü (transfemoral) amputasyonu Diz üstü amputasyonu genellikle eşit düzeyde yapılan öne ve arkaya doğru olan balık ağzı kesilerle gerçekleştirilir. Kas stabilizasyonu diğer amputasyonlara göre diz üstü amputasyonunda daha önemlidir (Şekil 2.5). Ayrıca bu tür amputasyonda kısa sürede operasyon sonrası protez uygulaması daha zordur. Şekil 2.5 Diz üstü amputasyonu ( Protezde eklemler hasta ihtiyaçlarına göre çok değişkenlik gösterebilir (Şekil 2.6). Tek eksenli sabit sürtünmeli diz mafsalı kullanımı geleneksel bir standarttır. Sabit sürtünmeli diz mafsalı hafif, uzun ömürlü, basit ve ucuzdur. Ancak hastalar değişik hızlarda yürürlerken problem yaşarlar.

38 10 Şekil 2.6 Diz üstü amputasyonlardan sonra kullanılan protez kitleri ( Değişken sürtünme birimine sahip diz mafsalları,sürtünmeyi de fleksiyon derecesine göre değiştirir. Bu da yürümenin salınma fazında bir ilerlemeye neden olur. Hidrolik birime göre daha az maliyetli olmasına ve daha az bakım gerektirmesine rağmen, onun kadar etkin değildir (Erler, 2009) Kalça dezartikülasyonu ve hemipelvektomi Kalça dezartikulasyonu nadiren uygulanır. Cerrahi açıdan mümkün olduğu zaman travma yaralanmasına bağlı olarak veya vasküler patolojili hastalarda yapılır. Protez kullanımı travma veya tümör nedeniyle kalça dezartikulasyonu geçirmiş sağlıklı genç hastalarda başarılı olurken vasküler patolojili hastalarda genellikle etkin değildir. Hemipelvektomi daha nadir gerekse de, travma ve tümor nedeniyle pelviside içine alacak bir operasyon biçimi olarak bazen kullanılabilir. Bu uygulamadan sonra protez kullanımı çok enderdir (Şekil 2.7). Çünkü vücut ağırlığı sakrum tarafına verilmek durumundadır (Erler, 2009).

39 11 Şekil 2.7 Kalça dezartikülasyonundan sonra kullanılan protez kiti (

40 12 3. AYAK VE BİLEK ANATOMİSİ 3.1 Kemikler ve Eklemler Ayak bileğinin tepesi üç kemikten oluşur: İncik kemiği (tibia), Alt bacağın diğer kemiği olan kaval kemiği (fibula), Ayak bileği kemiği (talus). Ayak kemikleri, ayak bileği ekleminin tepesi etrafında bir kepçe içine oturmuş biçimde dururlar. Bu durum, ayağın aşağı ve yukarı bükülmesine izin verir. Ayak bileği ekleminin sağ alt kısmında, ayak bileği kemiklerini topuk kemiğine (kalkaneus) bağlayan başka bir eklem de subtalar eklemdir. Eklem, ayağın bir taraftan diğer tarafına sallanmasına olanak tanır. Fibröz dokudan oluşan üç ligament, kemikleri bağlar ve her iki eklemin stabilitesini sağlar. Ayak bileğinin her iki tarafındaki yuvarlak çıkıntılar, alt bacağın kemiklerinin en son bitim noktalarıdır. Ayak bileğinin dış kısmında olan çıkıntı (lateral malleol), fibulanın parçasıdır. Ayak bileğinin iç tarafındaki, daha küçük olan çıkıntı (medial malleol) ise tibianın parçasıdır ( Ayak bileği ekleminden daha aşağıda 5 adet tarsal kemik bulunmaktadır. Tarsal kemikler bir gurup olarak hareket ederek aralarındaki eklemler aracılığı ile gereğinde temas ettiği yüzeye bağlı olarak çok dirençli bir yapı haline gelebilmektedir. Ayağın daha ön kısımda yer alan 5 adet uzun kemik metatarsal kemiklerdir. Bu yapıların ucunda da normal yürüme için gerekli olan falanksların oluşturduğu parmak eklemleri bulunur. Parmaklar metatarsal kemiklere metatarsofalangeal eklem aracılığı ile birleşir ve aralarında en önemlisi başparmağa ait olan birinci eklemdir (Şekil 3.1).

41 13 Şekil 3.1. Ayak ve bilek kemikleri ( 3.2 Kaslar Ayağın birçok hareketi ligamentler aracılığı ile bacak altındaki kaslar tarafından sağlanır. Bu kasların kasılması ile ayağın ayakta durma, koşma ve atlama işlevleri mümkün olur. Bunun haricindeki birçok küçük kas kemiklerin arasındaki konumları ile ayak tabanında döşeme oluşturur (Şekil 3.2). Şekil 3.2. Ayak ve bilek üzerinde çalışan kaslar (

42 14 4. YÜRÜME 4.1 Yürümenin Fazları Yürürken bedeni öne doğru hareket ettirebilmek için bacaklarda birbirini takip eden hareketler oluşturulur. Belirli bir düzende tekrarlanan bu hareketlere yürüme çevrimi denir. Bu çevrim iki ana aşamaya ayrılabilir; Basma Fazı (Stance) Salınım Fazı (Swing) Durma fazı topuğun yere temasıyla (heel strike) başlar ve parmakların yerden ayrılmasıyla (toe off) biter. Salınım fazı ise parmakların yerden ayrılmasından topuğun tekrar yerle temasına dek geçen süreçtir (Şekil 4.1). Şekil 4.1 Yürüme ana ve ara fazları (Yalçın ve Berker, 2001) Sağlıklı bir insanın normal tempolu yürüme sırasında yürüme çevrimi süresi bir saniyeden biraz fazladır. Bu sürenin %62 si basma fazı, %38 i salınım fazından oluşur. 4.1); Ara fazlara ayrılmış bir yürüme çevrimi sekiz durumdan oluşur (Bkz. Şekil 1. İlk temas (initial contact) 2. Yüklenme (loading response)

43 15 3. Basma ortası (midstance) 4. Basma sonu (terminal stance) 5. Salınım öncesi (preswing) 6. Erken salınım (initial swing) 7. Salınım ortası (midswing) 8. Salınım sonu (terminal swing) Her iki ayağın yere temas ettiği 1,4 ve 5 numaralı ara faza çift destek (duble support) fazı denir. Tek ayağın yerde olduğu fazlara ise tek basma fazı denir. 4.2 Vücudun İlerletilmesi Yürüme sırasında vücudun öne doğru hareketini sağlayan etkenler kas kuvveti ve gövde ataletidir. Basma fazının ortasında vücut dengededir. Ancak gövde kendi ataletiyle ilerlemeye devam eder. Bu nedenle denge bozularak vücut öne doğru düşer. Yerle temas etmeyen ayağın salınım fazını tamamlayarak tere temas etmesiyle denge yeniden sağlanır. Bu sırada topuk, ayak bileği ve ayağın ön kısmındaki eklemlerin bir dizi hareketiyle ilerleme gerçekleşir (Şekil 4.2). Şekil 4.2 Basma fazında gerçekleşen ayak hareketleri (Yalçın ve Berker, 2001)

44 Topukta dönme hareketi Topuk yere temas ettikten sonra vücut topuk üzerinde öne doğru dönmeye başlar. Ayak bileğinde pasif plantar fleksiyon oluşur. Bu sırada bilekteki kaslar kasılarak plantar fleksiyonu yavaşlatır ve tibia kemiğini öne doğru çeker. Bu sayede topuktaki dönme (heel rocker) basan uzvun tümüne iletilir (Şekil 4.3). Şekil 4.3 Topukta görülen dönme hareketi (Yalçın ve Berker, 2001) Bilekte dönme hareketi Ayağın tamamı yere temas ettiğinde bilekte dönme hareketi başlar. Ayak yerde sabit dururken yerden gelen tepki kuvvet vektörü bilek ekleminin ön tarafına geçer ve pasif dorsifleksiyon oluşur. Ayak yerde sabit durduğu için tibia kemiği öne doğru gelir (Şekil 4.4). Şekil 4.4 Bilekte oluşan dönme hareketi (Yalçın ve Berker, 2001)

45 Önayakta dönme hareketi Yerden gelen tepki kuvvet vektörü ilerleyerek önayağa ulaştığında topuk yerle temasını keser. Vücut ağırlık merkezi destek noktasının önüne düştüğü zaman ilerleme hızlanır. Kaslar yardımıyla itici kuvvet oluşturulur ve böylece ayak bileğinde plantar fleksiyon meydana gelir (Şekil 4.5). Bu aşamadan sonra diğer ayak yere temas edene kadar vücut öne doğru düşer. Şekil 4.5 Önayakta meydana gelen dönme hareketi (Yalçın ve Berker, 2001) Darbe emilimi Salınım fazı sonunda vücut ağırlık merkezi destek noktasının çok önünde kalır. Gövdenin öne doğru düşmesi söz konusudur. Bu fazın sonunda topuk yere temas ettiğinde bir darbe oluşur (Şekil 4.6). Gövde ağırlığının %60 ı 20 milisaniye içinde basan topuğa yüklenir. Bu darbe etkisi kalça, diz ve bilekte soğurularak azaltılır. İlk etapta bilekteki plantar fleksiyon kaslar tarafından frenlenir. Kaslar ayak ön kısmının yere inişini yavaşlatırlar. Ayak kasları kasılarak ayağın aniden öne düşmesini engellerken dizde fleksiyona neden olurlar. Bu da ikinci büyük şok absorbe mekanizmasıdır (Yalçın ve Berker, 2001).

46 18 Şekil 4.6 Yer tepki kuvveti değişimi Yürüme sırasında gerçekleşen enerji tüketimi Yürüme süresince gerçekleşen hızlanma, frenleme ve darbe emilimi süreçlerinde enerji harcanır. Harcanan enerji dakikadaki oksijen tüketim miktarı ile ölçülür. Rahat yürüme hızında (80 m/dakika) kişi maksimum oksijen tüketim kapasitesinin % 38 lik kısmını kullanır. Vücut ağırlık merkezinin yer değiştirmesini azaltacak hareketler yapılması ve kasların en ekonomik biçimde kullanılması durumunda enerji tüketimi bu seviyelere düşürülebilir. Bir tekerlek yuvarlanırken ağırlık merkezi yere paralel olarak ilerlediği için enerji tüketimi açısından en etkili hareketi oluşturur. İnsan vücudu da bu hareketi taklit ederek enerji tüketimini minimum seviyede tutmaya çalışır. Ancak yine de yürüme sırasında insanın vücut ağırlığı yaklaşık olarak düşeyde 5 cm ve yatayda 5 cm yer değiştirmektedir.

47 19 Şekil 4.7 de çeşitli durumlarda tüketilen enerji miktarı grafik halinde karşılaştırılmıştır. Birim Enerji Oturma ve ayakta durma Rahat yürüme Hızlı yürüme Dizaltı protez ile yürüme Dizüstü protez ile yürüme Koltuk değneği ile yürüme Şekil 4.7 Farklı durumlarda harcanan enerji miktarları (Yalçın ve Berker, 2001)

48 20 5. ALT EKSTREMİTE PROTEZLERİ 5.1 Alt Ekstremite Protezlerini Oluşturan Temel Bileşenler Alt ekstremite protezlerinde kullanılan ve çeşitli fonksiyonları gerçekleştiren bileşenler alt başlıklarla açıklanmıştır (Şekil 5.1). Şekil 5.1 İleri teknoloji ürünü bir diz üstü bacak protezi ( Soket Soket, amputenin güdüğü ile protezi arasında bağlantıyı oluşturan, güdüğü korumanın yanı sıra, yürüme sırasında oluşan kuvvetlerin güdük üzerinde düzgün dağılmasını sağlayan bileşendir (Bkz. Şekil 5.1). Soketlerin sert, yumuşak ve rijit çerçeveli türleri bulunmaktadır. Geçici soketlerde güdük hacminin stabilitesi için birkaç kez ayar yapılmaktadır. Soket üretiminde kalıplama ya da CAD-CAM yöntemleri kullanılmaktadır (Güven, 2007) Diz mafsalı Diz mafsalları, basma fazında destek yapar, salınım fazında hassas kontrol sağlar ve oturma ve çömelme sırasında hareketi kolaylaştırır. Diz mafsalı tek

49 21 eksenli ya da birden fazla dönüş eksenine sahip, diğer bir deyişle polisentrik tipte olabilir (Şekil 5.2 ve Şekil 5.3). Şekil 5.2 Tek eksen ve polisentrik diz mafsalı örnekleri ( Şekil 5.3 Hidrolik silindirli diz mafsalı örneği ( Teknolojik çalışmalar sonucunda artık mikroişlemci kontrollü diz mafsallarının kullanımı da mümkündür (Bkz. Şekil 5.1). Bu tür diz mafsallarında pnömatik ve hidrolik sistemler kullanılmaktadır. Kuvvet ve hareket algılayıcıları ile daha doğal bir yürüme sağlanabilmektedir. Bununla birlikte merdiven çıkıp inme ya da yokuşta yürüme gibi amputenin zorlandığı hareketlerde daha iyi bir adaptasyon sağlanabilir (Güven, 2007).

50 Pylon Soketi ayak veya diz mafsalına bağlayan ya da diz mafsalını ayak sistemine bağlayan boruya, pylon adı verilir (Şekil 5.4). Pylon basit tüp şeklinde olabileceği gibi, rotasyona izin veren ya da şok emici ve enerji geri dönüşümü sağlayan sistemleri de taşıyabilir. Şekil 5.4 Pylon örnekleri ( Ayak sistemleri Protez ayağın 5 temel fonksiyonu yerine getirmesi beklenir. 1. Stabil bir ağırlık taşıma yüzeyi oluşturmak. 2. Yürüme sırasında oluşan darbeleri soğurmak. 3. Kas fonksiyonlarını gerçekleştirmek. 4. Bilek mafsalı fonksiyonlarını gerçekleştirmek. 5. Estetik görünüş sağlamak. Çeşitli avantaj ve dezavantajlar sunan birçok ayak protezi tipi mevcuttur. Ayak sistemleri eklemli ve eklemsiz olmak üzere iki gruba ayrılabilir. Eklemli ayak protezleri hareketli mafsalları da içerir. Daha ağırdır ve daha fazla bakım gerektirir. Tek eksenli (Şekil 5.5) veya çok eksenli hareket sunan bilek mafsalı

51 23 çeşitleri vardır. Çok eksenli ayaklar özellikle düzgün olmayan yüzeylerde yürüyen kullanıcılar için tavsiye edilir (Güven, 2007). Şekil 5.5 Tek eksen ayak ve bilek mafsalı ( Eklemsiz ayakların en basit ve yaygın tipi SACH (solid ankle-cushion heel) ayaktır. Ayağın bilek kısmı hareketsizdir (Şekil 5.6). Basma aşamasının ilk fazında topukta meydana gelen deformasyon sayesinde, gerçek ayaktaki bilek hareketi simüle edilmiş olur. Basma fazının sonundaki ön ayak hareketi de benzer şekilde malzeme deformasyonuyla gerçekleştirilir. Hafif ve ekonomiktir. Şekil 5.6 SACH ayak ve hareketsiz bilek adaptörü ( Eklemsiz ayakların diğer bir çeşidi ise SAFE (solid ankle- flexible endoskeletal) ayak sistemidir (Şekil 5.8). Çalışma şekli SACH ayakla aynıdır.

52 24 Ancak daha esnek omurga yapısı ile engebeli yüzeylerde daha rahat hareket sağlar. Şekil 5.7 SAFE ayak yapısı (moon.ouhsc.edu) Geniş çapta kullanılan bu ayak türlerinin yanı sıra, son yıllarda daha gelişmiş dinamik davranışlı ayak tasarımları ortaya çıkmıştır. Bunların neredeyse hepsi esnek bir topuk bileşeni sayesinde basma fazının başında meydana gelen darbe enerjisini depolayarak yürümenin sonraki fazlarında enerjiyi ayak ucuna doğru transfer etmektedir. Böylece ayak ucunun yerden ayrılması sırasında itme kuvvetinin oluşarak savrulma fazının başlamasına yardımcı olurlar. Şekil 5.8 Dinamik ayak örneği ( Ayrıca günümüzde ayak ile pylon arasında mafsal gereksinimini ortadan kaldıran ayak sistemleri de kullanılmaktadır. Bu tür ayak sistemlerinin üretiminde genellikle basma fazında ortaya çıkan kuvvetleri daha iyi karşılayabilen kompozit malzemeler kullanılmaktadır (Şekil 5.9). Bu düşük ağırlıklı sistemler, geleneksel sistemlere göre çok daha üstün özelliklere sahiptir (Güven, 2007).

53 25 Şekil 5.9 Kompozit dinamik ayak protezleri ( Kompozit dinamik ayakların en önemli özelliği enerji dönüşümüdür. Bununla beraber kompozit dinamik ayaklar yürüme sırasında orantılı tepki verirler. Kullanıcının vücut ağırlığı ve aktivite seviyesi oranında esneklik özellikleri gösterir. Basma fazı başında topuğun yere teması sırasında ortaya çıkan darbeyi çok iyi absorbe eder. Böylece darbe etkisinin güdüğe iletilmesi engellenir. Depolanan enerji tibial hareket sırasında ayak ucuna doğru iletilir. İletilen bu enerji gövdenin öne doğru itilmesi için kullanılır. Böylece hareketli bir bilek mafsalı kullanılmaksızın daha doğal bir yürüyüş şekli elde edilir. Protezin esnek yapısı sayesinde kullanıcılar engebeli yüzeylerde dahi rahatlıkla yürüyebilirler. Vücut ağırlık merkezinin düşeyde yer değiştirmesini de azaltılarak yürüme sırasında enerji verimini arttırılır.

54 26 6. PROTEZ TASARIMI 6.1 Ayak Karakteristikleri Kullanılan ayak protezleri normal insan ayağının fonksiyonlarını yerine getirmekte tam olarak başarılı değillerdir. Normal insan ayağı birçok farklı aktiviteyi yerine getirebilecek çok fonksiyonlu bir uzuvdur. Protez ayak ise sınırlı sayıda fonksiyona sahiptir. Protez ayak üreticileri, amputelerin protezlerini değiştirmeden farklı faaliyetlerde bulunabilmesi için, tasarladıkları protezin ne kadar fonksiyonel olduğuna dikkat ederler. Ancak protez ayağın karakteristik özelliklerinin araştırılması çoğu kez yürüme çevrimiyle sınırlı kalmaktadır. Çünkü yürüme günlük hayatta en çok yer alan faaliyettir. Bu faaliyet sırasında meydana gelen olaylara cevap veren ana unsurlar dorsifleksiyon hareketi, eversiyon hareketi, darbe emilimi ve bilekteki dönme hareketidir. Bu unsurlar, bir amputenin ihtiyaçlarına cevap verebilecek bir ayak protezinin en önemli karakteristik özellikleridir. Yeni bir protez tasarımındaki en önemli faktör kullanıcının tepkisidir. Çünkü protez fonksiyonel, pratik ve estetik ihtiyaçları karşılamıyorsa, hasta protezi kullanmak istemeyecektir. Ulaşılmaya çalışılan doğal yürüyüşün aşağıdaki durumları içerir; Dorsifleksiyon Eversiyon Darbe emilimi Enerji geri dönüşümü Bilek dönmesi Ayakta gerçekleşen bu hareketler aşağıda ayrıntılı olarak incelenmiştir.

55 Dorsifleksiyon Daha önce yürüme analizinde değinildiği gibi, yürüme sırasında ayağın yer düzleminde tamamen düz hale gelmesinin ardından bacak öne doğru dönmeye başlar. Bu olaya dorsifleksiyon denir. Dorsifleksiyon açısı 8 10 derecelik bir üst noktaya ulaşabilir. Bu noktadan sonra topuk yerden kesilerek plantar fleksiyon hareketine başlar (Şekil 6.1). Plantar fleksiyon açısı dereceye, ilerleyen yürüyüş sırasında da 30 dereceye kadar çıkabilir (Rihs and Polizzi, 1998). Şekil 6.1 Dorsifleksiyon ve plantar fleksiyon hareketleri ( verilmiştir. Çizelge 6-1 de değişik yürüme hızlarında ölçülen dorsifleksiyon açıları Çizelge 6-1 İnsan ayağının farklı hıza bağlı dorsifleksiyon açıları (Rihs and Polizzi, 1998) Dorsifleksiyon Açısı Yürüme Hızı (derece) (km/saat) Eversiyon İnsan ayağının düzgün olmayan yüzeylerde yürürken dengede kalmak için iç ve dış yönlere doğru yaptığı eğilme hareketine eversiyon ve inversiyon denir (Şekil 6.2).

56 28 Şekil 6.2 Eversiyon ve inversiyon hareketleri ( Protez ayaktan da bir miktar eversiyon ve inversiyon hareketi kabiliyetine sahip olması beklenir. Böylece düzgün olmayan yüzeylerde yürür ya da dururken bacağın sağa ya da sola eğilerek dengesiz bir durumda kalması engellenir Enerji geri dönüşümü Gerçek bir ayağın yerini alacak protez ayak için, enerji depolama özelliği çok önemlidir. Enerji yürümenin ilk aşaması boyunca depolanır ve ağırlığın ileri transferi sırasında geri verilir. Sağlıklı bir ayak yürüyüş sırasında ortalama Joule enerji depolar ve Joule enerji geri verir. Bu nedenle sağlıklı bir ayağın verimi % olarak hesaplanır (Rihs and Polizzi, 1998) Darbe emilimi Bir ayak protezinden darbe emilimi özelliğinin beklenmesinin sebebi, yürüme sırasında oluşan darbenin hastanın güdüğüne iletildiğinde zarar vermesidir. Bu zararı önlemek için darbeler ayakta depolanmalıdır Bilekteki dönme hareketi Protezin dönebilme yeteneği soket ile güdük arasındaki kayma kuvvetlerini minimize etmek için önemlidir. Sağlıklı insan ayağı 10 Nm moment karşısında 10 derecelik bir dönme hareketi yapmaktadır (Rihs and Polizzi, 1998).

57 Protez Ayak Bileşenleri Protez ayağın sahip olduğu nitelikler sadece kullanılan malzemelerin özelliklerine bağlı değildir. Nitelikleri etkileyen diğer unsurlar protezi oluşturan kısımlar ve bu kısımların birbirlerine bağlanma şekilleridir (Şekil 6.3). Şekil 6.3 Ayak protezi bileşenleri (Rihs and Polizzi, 1998) Yapılan araştırmalarda protezin niteliklerinin hangi bileşenlerle ilgili olduğu tespit edilmiştir. Dorsifleksiyon: Öncelikle omurganın ve topuğun esnekliğine bağlıdır. Bununla beraber ayağın orta kısmındaki kauçuk ve çok eksenli bağlantılarla kontrol edilebilir. Eversiyon: Öncelikle omurganın burulabilme özelliğine ve ayaktaki kauçuk malzemenin omurga etrafındaki hareket yeteneğine bağlıdır. Dönme hareketi: Omurganın, bilek bloğu etrafında burulabilme yeteneğine bağlıdır. Enerji geri dönüşümü: Topuk ve omurganın elastik özelliklerine bağlıdır. Darbe emilimi: Topuğun rijitliğine bağlıdır. Bu özelliklere ulaşmak için ideal bir ayak protezi yarı rijit ya da esnek bir yapıya sahip olmalıdır. Ön ayak ve topuk kontrolü kolay, dayanıklı, hafif ve ucuz olmalıdır. Estetik bir görünüme sahip ve her tür ayakkabı ile uyumlu olmalıdır (Rihs and Polizzi, 1998).

58 Protez Ayak Malzemeleri Protez ayakta kullanılan malzemelerin performans özellikleri kolaylıkla ölçülemediğinden, malzemeler istenen aktiviteye göre seçilmeli ya da kombine olarak kullanılmalıdır. Malzemeler seçilirken her malzemenin kullanıldığı bölgede oluşturduğu avantaj ve dezavantajlar belirlenmelidir. verilmiştir. Protez ayak bileşenlerinde yaygın olarak kullanılan malzemeler aşağıda Aramid, karbon ve cam fiber. Poliastetal, polietilen, polipropilen, polistiren, poliüretan. Ahşap malzemeler. Kompozit malzemelerin enerji depolama, yüksek darbe dayanımı, düşük yoğunluk, atmosferik şartlara dayanıklılık gibi özellikleri sebebiyle protez bileşenlerinde, özellikle de ayak protezlerinde omurga olarak kullanılmaları çok uygundur (Rihs and Polizzi, 1998). Bu çalışmada tasarımı yapılacak ayağın omurgası için karbon fiber destekli polimer kompozit malzeme kullanılmasına karar verilmiştir. 6.4 Protez Ayak Tasarımı Omurga Protez ayakta kullanılacak omurga yürüme çevriminin topuk temasından ayakucunun yerden ayrılmasına kadar ayakta gerçekleşen enerji transferini gerçekleştirecek şekilde tasarlanmalıdır. Bu amaçla dorsifleksiyon, plantar fleksiyon, eversiyon ve inversiyon hareketlerini gerçekleştirebilecek geometride olmalıdır. Çalışmada yapılan tasarım bileğe yakın bölgede amputasyon geçirmiş kullanıcılara da sunulmak üzere düşük profile sahip bir omurgayı içermektedir.

59 31 Enerji emilimi ve geri dönüşümü amacıyla keskin geçişler yerine yumuşak geometriler kullanılmıştır. Düzgün olmayan yüzeylerde yürüyüş ve duruşu sağlamak için ayağın sağ ve sol yarısı birbirinden kısmen ayrılarak eversiyon ve invesiyon hareketleri ne izin verilmiştir. Şekil 6.4 te ayak protezinin omurgası katı model olarak gösterilmiştir. Şekil 6.4 Ayak protezi omurgası Protezin omurgası ayrıca bir bilek mafsalı gerektirmeyeceği için sabit bir bilek bağlantısına sahiptir. Üç cıvatalı bir bağlama elemanıyla piramit adaptöre sabitlenir. Şekil 6.5 te sisteme bağlantıyı sağlayan piramit adaptör ve fiksatör gösterilmiştir.

60 32 (a) (b) Şekil 6.5 Piramit adaptör (a) ve fiksatör (b) Topuk Protez ayağın topuk kısmından beklenen özellik, yere temas sırasında ortaya çıkan darbe kuvvetlerini karşılamak ve depolanan enerjiyi yumuşak bir geçişle ön ayağa iletmektir. Geleneksel ayaklarda bu görevi yerine getirmek amacıyla farklı yoğunluklarda polimerik malzeme kullanılmaktadır. Fakat bu çalışmada, kompozit omurgayla beraber çalışacak kompozit topuk bileşenleri tasarlanmıştır. Tasarlanan topuk bileşenleri birbirinden bağımsız biçimde omurgayla birleştirilmektedir. Böylece enerji depolama sırasında topuk parçaları ve omurga bütün bir gövde şeklinde davranarak daha verimli çalışır. Şekil 6.6 da topuk bileşenlerinin katı modeli gösterilmiştir.

61 33 Şekil 6.6 Topuk bileşenleri Topuk parçaları omurgaya cıvata somun çiftiyle bağlanacak şekilde tasarlanmıştır. Ancak kullanılacak somunlar ayak altında çıkıntı oluşturacağı için kompozit malzeme içine gömülmüş özel somunlar tasarlanmıştır. Şekil 6.7 de hazırlanan somunların katı modeli gösterilmiştir. Şekil 6.7 Topuk - omurga bağlantısında kullanılan somun Ayak protezinin ilk aşamadaki tamamlanmış modeli Şekil 6.8 de görülmektedir.

62 34 Şekil 6.8 Montaj yapılmış ayak protezi modeli Protezin tabanındaki siyah tamponlar, topuktan kaynaklanan yükseklik farkını gidermek, kozmetik kılıf içinde boşluklar sebebiyle oluşabilecek sesleri engellemek ve kompozit omurganın kozmetik kılıfa zarar vermesini önlemek için kullanılacak olan polietilen köpük levhalardır (Bkz. Şekil 6.8). Tasarlanan ayak modelinin sonlu elemanlar yöntemiyle yapılan mekanik analizleri kompozit malzemelerin ve ayak bilek protezleri için uygulanmakta olan ISO test standardının incelenmesinin ardından Bölüm 10 da ele alınacaktır.

63 35 7. KOMPOZİT MALZEMELER 7.1 İleri Kompozitler İleri kompozit terimi, yüksek performanslı elyafların uygun reçine ile işlenmesiyle üretilen türden kompozitler için kullanılan bir isim haline gelmiştir. İleri kompozit ürünler genellikle basınç ve sıcaklık ile üretilmektedir. Ancak düşük sıcaklıklarda yüksek performanslı kompozit ürünlerin üretilmesine izin veren reçine sistemleri de piyasaya sunulmaktadır. Kompozit malzemeler, daha önceki alışılmış malzemelerin sağlayamadığı, fonksiyonellik ve estetiğin beraber bulunduğu optimum performansa sahip yapıları mümkün kılar. Kompozit malzemeler şu avantajları sunmaktadır; Yüksek özgül rijitlik ve dayanım, Düşük ağırlık, Gerilmelerin yönüne uygun elyaf dizilimi, Mükemmel korozyon dayanıklılığı, Çok düşük ısıl genleşme, Gelişmiş titreşim sönümleme özelliği, Yüksek yorulma dayanımı, Daha kolay bakım ve onarım işlemleri, Karmaşık geometrilerin kolay üretimi, Tekil üretimlerde daha düşük kalıplama giderleri, vb.

64 36 Şekil 7.1 ila Şekil 7.3 te bazı malzeme gruplarının yoğunlukları, çekme dayanımları ve elastik modülleri karşılaştırılmıştır. (Advanced Composites Group, 2009) Şekil 7.1 Malzemelerin yoğunluklarının karşılaştırılması (Advanced Composites Group, 2009) Şekil 7.2 Malzemelerin çekme dayanımının karşılaştırılması (Advanced Composites Group, 2009) Şekil 7.3 Malzemelerin elastisite modüllerinin karşılaştırılması (Advanced Composites Group, 2009)

65 Takviye malzemelerinin özellikleri En geniş çapta kullanılan takviye malzemeleri cam, karbon, aramid ve bazı uygulamalarda polietilen ve bor elyaflardır. Bu malzemeler kısa fiber, uzun sürekli fiber ya da dokunmuş kumaş şeklinde kullanılmaktadır. Aşağıda yaygın olarak kullanılan dört takviye malzemesinin özellikleri incelenmiştir. Karbon: Elyaflar yüksek dayanım, orta modül, yüksek modül, çok yüksek modül sınıflarında elde edilebilir. Karbon elyaflar çoğunlukla yüksek dayanım ve yüksek rijitlik ve hafiflik istenen uygulamalarda kullanılır Cam: çoğunlukla E-glass olarak anılan tür cam elyaf kullanılır. Bazen de S-glass olarak bilinen daha yüksek dayanıma sahip cam elyafı tercih edilebilir. Karbon elyaftan daha yoğun ancak daha düşük dayanım ve modüle sahiptir. Aramid: Çoğunlukla Twaron ya da Kevlar isimleriyle anılır. Aramid daha çok darbeye maruz kalan bileşenlerde kullanılan enerjiyi yutup dağıtma ve yüksek aşınma dayanımı özelliklerine sahip düşük yoğunlukta bir elyaftır. Polietilen: Daha çok Dyneema veya Spectra isimleriyle bilinen polietilen, aramid elyafına benzer şekilde enerji emilim özelliğine sahiptir. Ancak aramid elyafından daha hafif ve daha pahalıdır. Ayrıca bası gerilmelerine karşı zayıftır ve nispeten düşük sıcaklıklarda (100 C/212 F), boyut değişimi başlar ve özelliklerini yitirir. Hibridler: Yukarıda bahsedilen tüm elyaflar bir arada kullanılarak hibritleştirilebilir. Böylece farklı özellikler bir araya getirilebilir. Şekil 7.4 ila Şekil 7.7 deki grafiklerde takviye malzemelerinin özellikleri karşılaştırılmıştır (Advanced Composites Group, 2009).

66 38 Şekil 7.4 Takviye malzemelerinin yoğunlukları (Advanced Composites Group, 2009) Şekil 7.5 Takviye malzemelerinin maliyet oranları (Advanced Composites Group, 2009)

67 39 Şekil 7.6 Takviye malzemelerinin çekme dayanımları (Advanced Composites Group, 2009) Şekil 7.7 Takviye malzemelerinin elastisite modülleri (Advanced Composites Group, 2009)

68 Dokuma biçimleri Örülü elyaf en az iki doğrultuda uzanan fiberlerden oluşur. Boyuna uzanan uzun elyaflar çözgü terimiyle, enine uzanan nispeten daha kısa olan elyaflar ise atkı terimiyle adlandırılır. Atkı ve çözgü fiberler değişik aralıklarla birbirlerinin altından geçerek farklı örgü tiplerini oluşturur. Yaygın olarak kullanılan örgü stilleri aşağıda incelenmiştir (Hexcel, 2005). Düz Dokuma (Plain Weave): Atkı fiberlerin, çözgü fiberlerin bir altından bir üzerinden geçmesiyle oluşturulan örgü tipidir (Şekil 7.8). Keskin profil değişimlerinde kolaylıkla kullanılabilen, çarpılması zor stabil durabilen bir kumaş oluşturur. Şekil 7.8 Düz Dokuma (Hexcel, 2005) Çapraz Dokuma (Twill Weave): Atkı fiberlerin, çözgülerin belli bir sayıda altından ve yine aynı sayıda üstünden geçmesiyle oluşan örgü biçimidir. Örneğin 2x2 twill dokumada atkı fiber, iki çözgünün altından diğer iki çözgünün ise üstünden geçer. Her bir atkı bir önceki atkıya göre bir çözgü atlayarak dokunur (Şekil 7.9). Çarpılması daha kolaydır. Bu nedenle istenen profile daha kolay yerleştirilebilir.

69 41 Şekil 7.9 Çapraz Dokuma (Hexcel, 2005) Saten Dokuma (Satin Weave): Atkı fiber bir çözgünün altından geçtikten sonra belli sayında çözgünün üstünden geçmesiyle oluşturulan örgü tipidir (Şekil 7.10). Atkının üstünden geçtiği çözgü sayısı saten tipine göre belirlenir. Bu örgü tipi kumaşa çok daha düzgün bir yüzey verir. Kolaylıkla katlanıp çarpılabilir. Bu da karmaşık yüzeylerin şeklini almasını kolaylaştırır. Ancak dengesiz yüzeyler oluşturduğu için iki yüzeyin davranışı birbirinden farklı olur. Şekil 7.10 Saten Dokuma (Hexcel, 2005) Kıvrımsız, Dikişli Kumaş (Non-crimp, Stitched Fabric): Eşyönlü (UD) fiberlerin farklı açı oryantasyonlarında (örneğin 0 o, -45 o, 90 o, +45 o, 0 o ) üst üste yerleştirilmesiyle oluşturulur ve dikilerek birbirine sabitlenir (Şekil 7.11). Dokunmuş kumaşlarla üretilemeyecek

70 42 kalınlıktaki yapıların imalatında işçilik masraflarını ve harcanan zamanı azaltmak için kullanılan kumaş tipidir. Karmaşık şekiller için kolaylıkla kullanılabilir. Şekil 7.11 Kıvrımsız Kumaş (Hexcel, 2005) Matris malzemelerinin özellikleri Matris malzemesi fiberlerin arasındaki boşlukları doldurarak, fiberleri birbirine bağlar. Matris malzemesi, fiberleri olması gereken pozisyonda tutarak açı oryantasyonunun değişmesini engeller. Kuvvetleri fiberlere iletir. Bir kompozit ürünün kullanılabileceği maksimum servis sıcaklığını matris malzemesi belirlemektedir. (Takviye malzemesi olarak polietilen fiberlerin kullanıldığı ürünler en fazla 80 o C servis sıcaklığında kullanılabilir.) Aşağıda yaydın olarak kullanılan matris malzemelerin özellikleri incelenmiştir (Advanced Composites Group, 2009). Epoksi Reçineler: Epoksiler çok farklı formlarda elde edilebilir. Ayrıca, el yatırması, vakum fırın/otoklav, kapalı kalıp, reçine transfer kalıplama (RTM), Elyaf sarma, ve pultrüzyon gibi çok çeşitli yöntemlerle işlenebilmektedir. Çok yüksek mekanik özelliklere, korozyon dayanıklılığına ve yüksek tokluğa sahiptir. Yüksek servis sıcaklıkları, darbe dayanımı, yüksek sıcak/ıslak mekanik dayanım, ve alev almama özellikleri gibi farklı karakteristikler gerektiren değişik uygulamalara uyarlanabilirler.

71 43 Fenolik Reçineler: Bu tür reçineler alev geçirmez, zor tutuşan ya da yanma sırasında fazla duman ve zehirli madde çıkarmayan malzemeler olarak geniş çapta kullanılır. Aleve çok dayanıklıdır ve nispeten ucuzdur. Ancak içine katılan bazı katkılar nedeniyle kalıpların yüzeyine zarar verdiği için işlenmesi zordur. Epoksi sistemlere göre çok zayıf mekanik özelliklere sahiptir. Bismaleimid Reçineler: Nispeten pahalı sistemler olmasına rağmen çok iyi mekanik özelliklere sahiptir ve yüksek sıcaklıklara dayanıklıdır. Ancak yüksek sıcaklıklarda kür işlemine tabi tutulması gerektiği için ve düşük vizkozitesi sebebiyle işlemesi zordur Siyanat Ester Reçineler: Siyanat ester reçineler çok yüksek servis sıcaklıklarında dahi (350 C ye kadar), mekanik özelliklerini kaybetmemeleri sebebiyle bazı uygulamalarda tercih edilirler. Ancak pahalı sistemlerdir. Su emilimi fazla olduğundan kabarcık oluşumu gibi problemler görülebilir. İşlenebilirliği epoksilerinkine yakındır Prepreg malzeme özellikleri Prepregler, kontrollü şekilde önceden reçine emdirilmiş, eş yönlü ya da dokunmuş formdaki elyaflardır. Prepreg tamamen birleştirilmiş reaktif sistemdir. İşlenirken, tehlikeli kimyasallarla teması gerektirmez. İhtiyaç duyulan parça kolayca rulodan kesilir ve tabaka olarak yerleştirilir. Böylece kompozit ürün üreticisi prepreg malzemeyi rahatlıkla kalıplayarak, reçine sistemi için belirlenmiş basınç ve sıcaklık altında kür işlemini gerçekleştirebilir. Prepregler kolayca birleştirilebilir. Diğer bir deyişle prepregler, performans kaybına neden olabilecek tabaka kaymaları ya da fazla reçineli bölgelerin oluşumu gibi riskleri bertaraf ederek, elyaf oryantasyonun çok iyi kontrol edilmesine ve tabakaların kalıp içinde kolaylıkla ve isabetli şekilde pozisyonlanmasına izin verir. Kompozit ürün üretiminde hammadde olarak prepreg malzemelerin tercih edilmesindeki iki ana sebep performans ve maliyettir. Prepreg malzemeler, üretim, tasarım ve son üründe ortaya çıkan ve Şekil 7.12 de belirtilen üstünlükler sebebiyle havacılık, denizcilik, enerji sektörlerinde ve spor araç ve gereçlerinde tercih edilmektedir.

72 44 Şekil 7.12 Prepreg malzemenin özellikleri (Hexcel, 2005) Prepreg üretiminde iki yöntem kullanılmaktadır. Birinci yöntem, iki adımda uygulanan film hattıdır. Bu yöntemde ilk olarak reçine şekillendirilerek matris filmi elde edilir. İkinci adımda ise matris filmi ısı yardımıyla takviye malzemesiyle birleştirilir (Şekil 7.13). Şekil 7.13 Film hattı (Hexcel, 2005)

73 45 Prepreg üretiminde kullanılan ikinci yöntem ise, solüsyon ya da sıcak eriyik hattıdır. İki çeşit uygulaması mevcuttur. Dikey uygulamada, takviye malzemesi reçine banyosundan geçirilerek, bir fırında ön ısıtma işlemi yapılarak ayırma kağıtlarının arasına sarılır. Yatak uygulamada ise matris film şeklinde işlenmeden takviye malzemesi ile birleştirilerek ön ısıtma işlemine sokulur. Ayırma kağıtları arasında kalınlık ayarlaması yapıldıktan sonra sarılır (Şekil 7.14). Şekil 7.14 Dikey ve yatay solüsyon (sıcak eriyik) hattı (Hexcel, 2005)

74 46 Prepregler özelliklerini tanımlarken kullanılan terimler şöyledir; Jel Süresi (Jel Time): Belirli bir sıcaklıkta, matrisin sıvı halden katı hale geçiş süresidir. Viskozite (Viscosity): Matrisin sıcaklık ve ısıtma hızına bağlı olarak değişen akış karakteristiğinin ölçüsüdür. Buharlaşma Özelliği (Valotiles): Belirli bir sıcaklıkta ve belirli sürede işlenen matris malzemesinde nem ve solventlerin kaybı nedeniyle görülen ağırlık değişiminin oransal ölçüsüdür. Akış (Flow): Reçinenin basınç altında, tabakaların tüm kısımlarını doldurma yeteneğidir. Birleşme (Tack): Kür edilmemiş bir prepreg tabakaların birbirine ve kalıp yüzeylerine yapışabilme kabiliyetidir. Birleşme Ömrü (Tack Life): Prepreg malzemenin oda sıcaklığında (20 o C) birleşme özelliğini kaybetmeden saklanabileceği süredir. Reçine İçeriği (Resin Content): Prepreg malzemenin içerdiği reçinenin birim alandaki ağırlık oranıdır Fiber Ağırlığı (Fibre Areal Weight): Prepregde kullanılan fiberin birim alandaki ağırlığıdır (g/m 2 ). edilir; Kür işleminden sonra ortaya çıkan ürünün özellikleri ise şu terimlerle ifade Hacimsel Fiber Oranı (Fibre Volume Fraction): Kompozit malzemenin birim hacmindeki fiber miktarıdır. Camsı Geçiş Sıcaklığı (Glass Transition Temperature T g ): Matris malzemesinin kür işleminden sonra özelliklerini koruyabildiği azami sıcaklık, diğer bir deyişle maksimum servis sıcaklığıdır.

75 47 Kompozit Yoğunluğu (Composite Density): Ürünün birim hacimdeki kütlesidir (g/cm 2 ). Tabaka Kalınlığı (Cured Ply Thickness): Prepreg tabakaların kür işlemi sonunda ulaştığı kalınlıktır. Prepreg malzemelerin maksimum raf ömründe saklanabilmesi için -18 o C sıcaklıkta, ayırma kağıtlarıyla birlikte muhafaza edilmesi gerekmektedir. Prepreg malzemeler diğer kompozit hammaddelerine göre daha az tehlike arz etse de, işlenmesi sırasında belirli önlemler alınmalıdır. İşlenirken eldiven ve koruyucu giysiler giyilmeli ve kür işlemi sırasında ortam havalandırılması mekanik ünitelerle sağlanmalıdır (Hexcel, 2005). Prepreg kullanımının, reçine ile ıslatılmış fiber kullanımına göre avantaj ve dezavantajları Çizelge 7-1 de gösterilmiştir. Çizelge 7-1 Prepreg ve ıslak yatırma yöntemlerinin karşılaştırılması (Advanced Composites Group, 2009) Avantajlar Dezavantajlar Prepreg Boşluk oluşumu az Fiber hacim oranı kontrollü Tabaka kalınlığı kontrollü İşçi maliyeti az Yüksek kalite Malzeme maliyeti fazla Ekipman gereksinimi fazla Islak Yatırma Malzeme maliyeti düşük Ekipman gereksinimi az Operasyon bilgisi fazla olan işçi gereksinimi İşçilik maliyeti fazla Fiber hacim oranı kontrolü zayıf Tabaka kalınlığı kontrolü zayıf Kuru fiber kullanımı ve reçine karışımı nedeniyle sağlıksız üretim koşulları

76 Kompozit Ürün Üretim Yöntemleri Kompozit ürünlerde prepreg malzemelerin kullanılması birçok değişik işleme yöntemini gündeme getirmektedir. Şekil 7.15 de yaygın kullanılan prepreg işleme yöntemleri gösterilmiştir. Şekil 7.15 Prepreg işleme yöntemleri (Hexcel, 2005) Vakum torbalama ve otoklav yöntemleri Kompozit ürün üretiminde kullanılan iki ana yöntem vakum torbalama ve otoklav işlemidir. Bu iki yöntemin karşılaştırılmasında kalite, maliyet ve ürünün şekli Çizelge 7-2 de incelenmiştir.

77 49 Çizelge 7-2 Vakum torbalama ve otoklav işlemleri karşılaştırması (Hexcel, 2005) Yöntem Vakum Torbalama Kalite Ürün Kesit kalınlığı Üretim maliyeti Ekipman maliyeti Kür süresi İyi İnce Orta Kısa Otoklav Çok iyi Kalın Yüksek Uzun Vakum torbalama işlemi ince cidarlı ve geniş sandviç yapılı parçaların üretimi için uygun bir yöntemdir. Bu yöntem kompozit tabaka diziliminin üzerine sızdırmazlık elemanlarıyla birlikte esnek bir torbanın yerleştirilmesi ve içerde kalan havanın vakum ile alınmasıyla uygulanmaktadır (Şekil 7.16). Şekil 7.16 Vakum torbalama işlemi (Hexcel, 2005) Vakum başlatıldığında torba malzemenin üzerine sıvanır ve bir atmosferlik bir basınçla malzemeyi sıkıştırır. Vakum sürdürülürken, ekipman bir fırına yerleştirilir ve nispeten kısa bir kür çevrimi sonunda kompozit ürün elde edilmiş olur. Otoklav yöntemi ise yüksek fiber oranı ve az miktarda boşluğa sahip yüksek kalitede yapısal parçaların üretiminde tercih edilmektedir. Otoklav yöntemi bir vakum torbalama işlemi ile başlar (Bkz. Şekil 7.16). Ancak kür işlemi fırın yerine bir otoklav ünitesinde yapılır (Şekil 7.17).

78 50 Şekil 7.17 Otoklav (Hexcel, 2005) Otoklav ünitesi basınç, ısıtma hızı ve kür süresini kontrol ederek kür şartlarını tam olarak gerçekleştirir. Yüksek basınçların kullanılması daha kalın ve karmaşık yapıların şekillendirilmesini mümkün kılar. Bal peteği sandviç yapılar bu yöntemle yüksek standartta üretilebilmektedir. Büyük otoklav üniteleri geniş hacimlerinden dolayı daha uzun ısıtma ve soğutma süresi gerektirmektedir. Bu nedenle kür çevrimi daha uzun zaman almaktadır. Vakum torbalama yöntemi Şekil 7.18 de gösterilen yardımcı elemanların kullanımını gerektirir. Şekil 7.18 Vakum torbalamada kullanılan yardımcı elemanlar (Hexcel, 2005)

79 51 Yardımcı elemanların görevleri şunlardır; Ayırma Ajanı (Release Agent): Kompozit ürünün kalıptan kolay ayrılmasını sağlar. Soyma Tabakası (Peel Ply): Nem ve solventlerin ve fazla reçinenin uzaklaşmasına izin verir. Kür işleminden sonra üründen kolay ayrılır. Boyanabilir bir yüzey oluşturur. Kullanımı üreticinin tercihindedir. Emme Kumaşı (Bleeder Fabric): Fazla reçineyi emerek uzaklaştırır. Reçinenin akışı ve ürünün fiber oranı kullanılan kumaşın miktarı ile ayarlanabilir. Ayırma Filmi (Release Film): Bu film tabakası reçine akışını kolaylaştırır ve sadece hava ve nemin geçmesine izin verir. Havalandırma Kumaşı (Breather Fabric): Malzeme içindeki hava ve artık gazların çekilmesinde kullanılan vakumun etkisini arttırır. Yüksek otoklav basınçlarında daha kalın havalandırma kumaşları kullanılır. Köşe Engeli (Edge Dam): Reçine akışını düzenler ve ürünün köşelerine çekil verir. Sızdırmaz Bant (Sealant tape): Vakum torbasının kalıba yapıştırılmasında kullanılır. Torbanın içine hava girmesini engeller. Vakum torbalama ve otoklav işlemlerinde izlenen sıcaklık zaman diyagramları aynıdır. Ancak basınç ve vakum grafikleri farklılık gösterir (Şekil 7.19 ve Şekil 7.20).

80 52 Şekil 7.19 Vakum torbalama yönteminde uygulanan kür çevrimi (Hexcel, 2005) Şekil 7.20 Otoklav yönteminde uygulanan kür çevrimi (Hexcel, 2005)

81 53 Vakum torbalama ve otoklav yöntemlerinde bazı işlem parametreleri önemlidir. Bu parametreler ve ayrıntıları şöyledir; Vakum: Prepreg tabakalarının arasında kalan havayı dışarı atmak ve fırına yerleştirilmeden önce tabakaları pekiştirmek için uygulanır. Otoklav işlemi sırasında vakumu daha düşük seviyelere düşürmek torbadaki hava kaçaklarını tespit etmek için uygulanan yaygın bir yöntemdir. Pekiştirme: Prepreg tabakaları arasında kalan hava boşlukları ancak ayırma filmi, havalandırma kumaşı ve vakum kullanılmasıyla giderilebilir. Oda sıcaklığında dakika boyunca vakum uygulanmalıdır. Bu uygulama parça kalınlığına bağlı olarak tabaka dizilimlerinin arasında da uygulanabilir. Isıtma hızı: Matris malzemesi, viskozitesi, akışı, reaksiyon hızı, istenen yüzey kalitesi gibi faktörler ısıtma hızını belirlemektedir. Birçok matris malzemesi çok geniş ısıtma hızı skalasında çalışabilir. Genellikle ince cidarlı ürünlerde yüksek ısıtma hızı, kalın cidarlı ürünlerde ise düşük ısıtma hızları seçilmelidir. Isıtma hızı, ısı kaynağı ile kalıp ve malzeme arasında büyük sıcaklık farkları oluşturacak şekilde seçilmemelidir. Sıcaklık toleransları: Fırın ya da otoklav, kalıp ve malzeme kür çevrimi süresince belli bir sıcaklığın altına düşmemelidir. Sıcaklık kontrolünü sağlamak için kullanılan termo elemanlar doğru sonuçları verebilecek şekilde yerleştirilmelidir. Kür çevrimi sırasında ölçülen sıcaklıklar hedeflenen kür sıcaklığının ±5 o C aralığında olmalıdır. Kür süresi: Her prepreg için kür sıcaklığına karşı belirlenmiş bir kür süresi vardır. Kür süresi, kalıp ve malzemenin belirlenen minimum kür sıcaklığına ulaştığı anda başlar. Ancak kür süresinin aşılması kompozit ürün kalitesinde olumsuz bir etki göstermez. Soğutma hızı: Kür çevriminin soğutma evresi, ani sıcaklık düşüşlerinin yaşanarak, üründe yüksek ısıl gerilmelerin oluşmasını engellemek için kontrol altında tutulmalıdır. Basınç ve vakum uygulaması, soğutma aşamasının sonuna kadar sürdürülmelidir.

82 54 Vakum torbalama ve otoklav yöntemleri için açıklanan bu parametreler kapalı kalıplama ve basınç torbalama gibi yöntemler için de dikkate alınması gereken parametrelerdir (Hexcel, 2005) Kapalı kalıplama yöntemi Kapalı kalıplama yönteminde genellikle talaş kaldırılarak işlenmiş ya da döküm yöntemiyle üretilmiş, iki ya da daha fazla parçadan oluşan metal kalıplar kullanılır. Kalıplar arasındaki boşluk üretilecek ürünün şeklini veya et kalınlığını oluşturur (Şekil 7.21). Vakum torbalama ve otoklav yöntemlerinde olduğu gibi, kalıp ayırma ajanları uygulandıktan sonra, prepreg malzeme istenen tabaka yapısında kalıbın içine dizilir. Ancak sıcak kalıplama yönteminin uygulandığı durumlarda, tabaka diziliminin yapılabilmesi için form verilmiş ayrı bir tekli kalıp kullanılması gerekir. Şekil 7.21 Kapalı kalıplama elemanları (Hexcel, 2005) Tabaka dizilim işlemi tamamlandıktan sonra, kalıp genellikle ısıtıcı plakalara sahip hidrolik bir pres ünitesine yerleştirilerek belli bir kuvvetle sıkıştırılır (Şekil 7.22). Bazı durumlarda ise kalıp üzerindeki kanallardan sıcak yağ veya buhar geçirilerek de ısıtılabilir. Kapalı kalıplama yönteminde de bir önceki kısımda ele alınan işlem parametreleri önemlidir.

83 55 Şekil 7.22 Kapalı kalıplama yöntemi Kapalı kalıplama yönteminde çok isabetli ölçü toleranslarında ürün elde edilebilmektedir. Ayrıca yöntem otomasyona çok elverişlidir. Kür çevrimi hassas biçimde ayarlanarak kontrol edilebildiği için, bu yöntemle yüksek kaliteye sahip ürünler üretilebilir. Kalıp maliyetleri fazla olduğu için seri imalata uygun bir üretim yöntemidir. Ancak daha az sayıda ürün üretimi gerçekleştirilecekse, cam elyaf takviyeli plastik ya da sprey metal kalıplar kullanılarak maliyet düşürülebilir Basınç torbalama yöntemi Bu yöntem vakum torbalama ile otoklav kalıplamanın bir bileşimidir. Çoğunlukla silikon hortum ya da torba kullanılarak uygulanır. Kür için gerekli sıcaklık ve birleştirme için gereken basınç, torbanın içine doldurulan sıcak gaz ya da sıvı ile sağlanabilir (Şekil 7.23). Ayrıca kalıba vakum ve ısı takviyesi de uygulanabilir. Bu yöntem genellikle kompozit boru gibi basit şekilli araçların üretiminde kullanılmaktadır. Basınçla torbalama işleminde de önceden değinilen işlem parametrelerine dikkat etmek gereklidir.

84 56 Şekil 7.23 Basınç torbalama yöntemi (Hexcel, 2005) Flaman sarma yöntemi Bu yöntemde sürekli fiber ya da bant biçiminde bulunan elyaf dönen bir maça üzerine sarılır. Sarma işlemi hareketli bir kafa ile fiberlerin sarılma açısı hassas biçimde ayarlanarak yapılır. Genellikle sarma işlemi sırasında kuru fiberlerin üzerine belirli oranda reçine damlatılır ya da fiberler reçine banyosundan geçirilir. Prepreg kullanıldığı durumlarda ise bant biçiminde malzeme tercih edilmektedir. Sarma sırasında fiberlerde oluşan gerginlik pekiştirme işlemi için gerekli basıncı sağlamaktadır. Bu yöntemle basınçlı tüpler, güç transmisyon boruları, uçakların iniş takımı destek çubukları, roket motor kasaları üretilmektedir Isıl Genleşme ile kalıplama yöntemi Bu yöntem karmaşık şekilli ve çok rijit yapıların üretilmesinde kullanılmaktadır. Prepreg tabakaları kauçuk veya köpük malzemeden yapılmış bir blok üzerine yarleştirilir. Hazırlanan yapı, metal malzemeden üretilmiş dişi kalıbın içine oturtulur. Sistem ısıtıldığında, kauçuk ile metal arasındaki genleşme farkından dolayı prepreg malzeme üzerinde büyük bir basınç oluşur. Isı etkisiyle kauçuk malzeme metalden çok daha fazla genleşmektedir. Metal kalıp ise bu genleşme önünde engel oluşturur (Şekil 6.24).

85 57 Şekil 7.24 Isıl genleşme ile kalıplama yöntemi Bu yöntemde kullanılan kalıplar basit ve düşük maliyetlidir. Çok karmaşık şekilli ürünleri tek kür çevriminde üretilebilir. Böylece eklemli birleşimler ve çok parçalı yapılar yerine tek parçalı daha hafif ve dayanıklı ürünler üretebilmek mümkün olmaktadır (Advanced Composites Group, 2009) Pultrüzyon yöntemi Bu yöntem plastik ekstrüzyona benzetilebilir. Boru, profil gibi sabit kesitli ürünlerin 12 metre uzunluğuna kadar düşük maliyetle üretiminde kullanılan yöntem pultrüzyondur. Kuru fiberlerin reçine banyosundan geçirildikten sonra ısıtılmış bir ekstrüzyon kalıbının içinden çekilmesiyle uygulanır (Şekil 7.25). Banyodan geçirilmiş fiberler yerine prepreg bantlar da kullanılabilir. Ancak maliyetler daha yüksek olacağından genellikle prepreg malzeme tercih edilmez. Şekil 7.25 Pultrüzyon yöntemi (

86 58 Pultrüzyon ekipmanı nispeten yüksek maliyetlidir. Fakat büyük üretim miktarları söz konusu olduğu için parça başı maliyetler düşüktür Kalıp malzemeleri Kompozit ürünün başarıyla üretilebilmesi için öncelikle parçanın kalıplanmasında kullanılan kalıpların doğru şekilde tasarlanıp üretilmiş olması gerekmektedir. Bu nedenle kullanılacak mastar modeller ve kalıplar doğru malzemeden, doğru yöntemlerle imal edilmelidir. Aşağıda mastar model ve kalıp malzemelerinin seçiminde göz önüne alınan parametreler açıklanmıştır (Advanced Composites Group, 2009). Isıl genleşme katsayısı: Kompozit ürünün kür sonrası ölçülerinin istenen toleranslarda olabilmesi için kür işlemi sırasında kalıpta oluşacak genleşmenin kontrol altına alınabilmesi gereklidir. Bunun en kolay yolu, üretilecek kompozit üründe kullanılan takviyeye en yakın özelliklerde olan hatta mümkünse aynı tür takviye içeren malzemeden üretilmiş kalıplar kullanmaktır. Kalıp malzemesi ile ürün malzemesinin ısıl genleşme katsayılarının birbirinden çok farklı olması kür işlemi sonunda üründe çarpılmalara yol açmaktadır. Çizelge 7-3 de en çok kullanılan kalıp malzemelerinin ısıl genleşme katsayıları (IGK) verilmiştir. Isıl limit: Kalıbın tekrar tekrar yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılıp soğutulmasına karşılık, kalıp malzemesinden bu ısıl çevrimlere dayanıklı olması beklenir. Metal malzemelerden imal edilmiş kalıplarda kür işleminde ulaşılacak maksimum sıcaklık önemli olmamaktadır. Çizelge 7-3 de kalıp malzemelerinin azami servis sıcaklıkları ve dayanıklılık karşılaştırmaları verilmiştir. Bu önemli özellikler dışında kalıp malzemesinin yoğunluğu, maliyeti, kalıplarda kullanılan elemanlar ve ürün boyutları da kalıp malzemesi seçiminde önemli parametrelerdir.

87 59 Çizelge 7-3 Kalıp malzemeleri ve özellikleri (Advanced Composites Group, 2009) Kalıp Malzemeleri Özellikler Karbon / Epoksi Prepreg Çelik Elektrokaplı Nikel Cam / Epoksi Prepreg Cam / Epoksi WLU Aluminyum Invar 36 Isıl Limit ( o C) 210 N/A N/A N/A 204 Boyut Hassasiyeti * Boyut limitini belirleyen faktör Otoklav / Fırın Takım tezgahı Tank Otoklav / Fırın Reçine jel süresi Takım tezgahı Otoklav Dayanıklılık * Maliyet * Kalıp Ağırlığı (kg/m 2 ) IGK (mm/mm/ o C) 3.6x x x x x x x10-6 * Karşılaştırma için verilen numaralardan 1 en yüksek, 5 en düşük anlamına gelmektedir. 7.3 Kompozit Malzeme Mekaniği Fiber takviyeli kompozitlerin karakteristiği Kompozit malzeme içindeki fiberler mekanik dayanıma sahiptir ve yüklerin büyük kısmını taşımaktadırlar. Matris malzemesi ise genellikle servis sıcaklığını belirler, tokluğu arttırır ve çevre koşullarına dayanıklılığı sağlar. Eş yönlü (UD) fiberlerden oluşan kompozit malzemeler tek yönde üstün mekanik özelliklere sahiptirler. Bu nedenle anizotropik malzeme olarak adlandırılırlar. İzotropik malzemeler ise her yönde aynı mekanik özellikleri gösteren malzemelerdir. Elyaf takviyeli kompozit malzemelerden imal edilecek ürünler, farklı bölgelerde farklı mekanik özellikler gösterecek şekilde tasarlanabilmektedir. Şekil 7.26 da örgü elyafın ve eş yönlü fiberlerin sahip olduğu mekanik dayanımlar yönlere bağlı olarak oklarla gösterilmiştir.

88 60 Şekil 7.26 Takviye malzemelerin doğrultuya bağlı özellikleri (Hexcel, 2005) Kompozit malzemeye belirli yönde dayanım ya da esneklik kazandırmak için takviye malzemesinin yönü doğru biçimde belirlenmelidir. Fiberlerin kompozit malzeme içerisinde uzandığı doğrultular oryantasyon açılarıyla anılmaktadır. Şekil 7.27 de farklı oryantasyon açıları kullanılarak oluşturulmuş sanki-izotropik özelliklere sahip bir levhanın ve tek yönde üstün özellikler gösteren başka bir levhanın tabaka dizilimi gösterilmiştir. Şekil 7.27 Fiber açı oryantasyonları (Hexcel, 2005)

89 Kompozitlerin mekanik testleri Kompozit ürünlerde kullanılacak takviye malzemesi ve reçinenin bir araya getirilmesinden sonra ortaya çıkacak mekanik özelliklerin bilinmesi, kompozit ürün tasarımındaki başlangıç noktasını oluşturmaktadır. Aşağıda tek parçalı bir yapı olan kompozit bir levhaya uygulanan karakteristik testler incelenmiştir. Bir üretici firma tarafından değişik fiber takviyeli epoksi kompozit levhalara uygulanmış test sonuçları da çizelgeler halinde verilmiştir. Çekme testi: Özellikle fiber yönündeki malzeme dayanımını ve elastik modülünü bulmak için yapılan testtir (Şekil 7.28). Çizelge 7-4 de farklı takviye malzemeleriyle güçlendirilmiş epoksi matrisli kompozit plakanın çekme değerleri verilmiştir. Şekil 7.28 Çekme testi (Hexcel, 2005)

90 62 Çizelge 7-4 Farklı malzemelerin çekme testi sonuçları (Hexcel, 2005) Basma testi: Özellikle fiber yönündeki basma kuvvetlerine karşı malzemenin dayanımını ve elastik modülünü bulmak için yapılan testtir (Şekil 7.29). Çizelge 7-5 de farklı takviye malzemeleriyle güçlendirilmiş epoksi matrisli kompozit plakanın basma değerleri verilmiştir. Şekil 7.29 Basma testi (Hexcel, 2005)

91 63 Çizelge 7-5 Farklı malzemelerin basma testi sonuçları (Hexcel, 2005) Esneme testi: Kompozit levhaya yapılan üç nokta eğilme testidir. Esneme dayanımı ve esneme modülünü tespit etmek için uygulanır (Şekil 7.30). Şekil 7.30 da gösterilen deney düzeneğindeki destek noktaları arasındaki mesafe levha kalınlığının karbon fiber için 40, aramid fiber için 20, cam fiber için 16 katı olmalıdır (lv/h=40 ; 20 ; 16 ). Çizelge 7-6 da farklı takviye malzemeleriyle güçlendirilmiş epoksi matrisli kompozit plakanın esneme değerleri verilmiştir. Şekil 7.30 Esneme testi (Hexcel, 2005) Çizelge 7-6 Farklı malzemelerin esneme testi sonuçları (Hexcel, 2005)

92 64 Tabakalar arası kayma testi: Kompozit levhayı oluşturan elyaf tabakalarının birbirine tutunma yeteneğini tespit etmek için uygulanır (Şekil 7.31). Şekil 7.31 de gösterilen deney düzeneğindeki destek noktaları arasındaki mesafe levha kalınlığının 5 katı olmalıdır (lv/h=5). Çizelge 7-7 de farklı takviye malzemeleriyle güçlendirilmiş epoksi matrisli kompozit plakanın tabakalar arası kayma değerleri verilmiştir. Şekil 7.31 Tabakalar arası kayma testi (Hexcel, 2005) Çizelge 7-7 Farklı malzemelerin tabakalar arası kayma testi sonuçları (Hexcel, 2005) Düzlem içi kayma testi: Kompozit levhanın fiber yönüyle belli bir açı yapan kuvvetler karşısındaki dayanımını ve şekil değiştirme özelliklerini tespit etmek için uygulanan testtir (Şekil 7.32). Çizelge 7-8 de farklı takviye malzemeleriyle güçlendirilmiş epoksi matrisli kompozit plakanın düzlem içi kayma değerleri verilmiştir.

93 65 Şekil 7.32 Düzlem içi kayma testi (Hexcel, 2005) Çizelge 7-8 Farklı malzemelerin düzlem içi kayma testi sonuçları (Hexcel, 2005)

94 66 8. AYAK-BİLEK PROTEZLERİNİN MEKANİK TESTLERİ 8.1 ISO Test Standardı ISO standardı, kısmen ya da tamamen kaybedilmiş alt uzuvların yerine kullanılan alt ekstremite protezlerinin mekanik testlerinde izlenen yöntemleri tarif eden uluslararası bir standarttır. Protezlerin güvenilirliğini belirlemek ve daha iyi protezlerin geliştirilebilmesini sağlamak üzere duyulan ihtiyaç doğrultusunda Protez ve Ortez Kurumu nun (ISPO) bir dizi toplantısı sonucunda belirlenmiştir. Standart, 1977 yılında Philedelphia, ABD de yapılan toplantı sonunda test yöntemleri ve uygulanacak kuvvet miktarlarının belirlenmesiyle ilk olarak uygulamaya geçmiştir. Bu tarihten itibaren devam eden düzenlemelerle 2006 yılında günümüzde geçerli olan son halini almıştır. Kullanım sırasında protezler zamana bağlı olarak değişkenlik gösteren bir dizi yükleme hareketiyle karşılaşırlar. Uluslararası standartta belirlenen test yöntemleri protezlerin kullanım sırasında taşıdıkları değişik yüklerin statik ve dinamik yükleme şeklinde simüle edilmesini içerir. Statik testler protezin kullanım sırasında karşılaştığı olağan dışı yükleme durumlarını gerçekleştirir. Dinamik testler ise yürüme sırasında olağan şekilde meydana gelen yüklerin proteze uygulanması şeklinde gerçekleştirilir. Böylece yapısal bileşenlerin yorulma davranışları ortaya çıkarılmış olur. Alt ekstremite protezlerinin geliştirilmesi, kontrollü şartlarda gerçekleştirilen laboratuar testlerini gerektirmektedir. Protez ayak konstrüksiyonunda yapılan her bir değişiklik testlerin aynı şartlarda tekrarlanmasını gerektirir. Aslında, protezlerin fonksiyonlarının belirlenmesi, aşınma ve yırtılma dayanımının belirlenmesi, çevresel etkiler, kullanıcı aktivitelerinin etkilerinin incelenmesi için ek testler gerekmektedir. Ancak bu ayrıntıları belirleyen bir standart olmadığından bu testler için yöntemler geliştirilmelidir (ISO 10328:2006).

95 Ayak Bilek Bileşenleri İçin Ayrıca Tanımlanmış Test Prosedürü Projede sadece bir ayak protezi geliştirmek hedeflendiğinden, ISO standardının ayak bilek bileşenleri için ayrıca belirlenmiş statik ve dinamik testlerle ilgili talimatlar bu kısımda ele alınmıştır. Standartta mekanik dayanımla ilgili kullanılan üç terim şöyle açıklanmıştır; Olağan dayanım: Olağan bir durumda proteze gelebilecek statik bir kuvveti tanımlar. Olağan kuvvetle karşılaşan bir protez kuvvet kaldırıldıktan sonra da fonksiyonlarını yerine getirebilmektedir. Maksimum dayanım: Olağan üstü bir durumda protezin karşılayabileceği azami yükü tanımlar. Bu yük protez tarafından karşılanabildiği halde, yük kaldırıldıktan sonra protez fonksiyonlarını yerine getiremeyecektir. Yorulma dayanımı: Protezin belirli bir çevrim sayısında fonksiyonlarını kaybetmeden karşıladığı dinamik kuvvettir. Farklı ayak seviyelerinin dayanım limitleri dört farklı grupta değerlendirilir. Standartta bu gruplar kullanıcının vücut ağırlığı ve aktivite seviyesine bağlı olarak P3, P4, P5 ve P6 kodlarıyla isimlendirilmiştir (ISO 10328:2006). Her grup için belirlenmiş test kuvvetleri Çizelge 8-2 de gösterilmiştir Test ekipmanı Test ekipmanı Çizelge 8-2 de gösterilen test kuvvetlerini belirli koşullarda test numunesine uygulayabilmelidir. Statik testler için yükleme hızı 100 N/s ile 250 N/s arasında olmalıdır. Ancak alternatif maksimum yüklemeler için 1 kn/s ile 5 kn/s yükleme hızları da seçilebilir. Ayrıca test makinesi Şekil 8.1 de gösterilen doğrultularda ve Çizelge 8-1 de belirtilen açılarda uygulanmalıdır. Şekil 8.1 de gösterildiği gibi, plakalar yükleme sırasında ortaya çıkan teğet kuvvetleri asgari seviyeye indirebilecek yapıya sahip olmalıdır. Ayrıca plakalar ayakta oluşacak deformasyonlarda bile ayakla tam temas edebilmesi için yeterli genişlik ve uzunlukta olmalıdır.

96 68 Ön ayak testlerinde oluşabilecek aşırı deformasyonlarda bile topuk yükleme plakasına temas etmemelidir. Topuk testleri sırasında da ön ayak plakaya temas etmemelidir. Şekil 8.1 Ayağın test ekipmanındaki pozisyonu (ISO 10328:2006) Çizelge 8-1 Test kuvvetlerinin uygulanma açıları (ISO 10328:2006)

97 69 Çizelge 8-2 Test türleri ve Test kuvvetleri (ISO 10328:2006) Dinamik testlerde, test ekipmanının test kuvvetlerini belirli bir profile uygun şekilde uygulaması beklenir. Bu kuvvetler ön ayağa ve topuğa gelecek birbirini takip eden iki ayrı dalga şeklindedir. Bu kuvvet dalgalarının Şekil 8.2 de gösterilen sinüzoidal eğrilere uygun olması beklenir. Eğer sinüzoidal profil elde etmek mümkün değilse, aşağıdaki kuvvetlerin Çizelge 8-2 deki değerlere erişmesi sağlanmalıdır. Minimum test kuvveti Çevrim menzili Maksimum test kuvveti Ortalama test kuvveti

98 70 Şekil 8.2 Dinamik yükleme profilleri (ISO 10328:2006)

99 Olağan statik dayanım testi Test numunesi test ekipmanına yerleştirildikten sonra (Bkz. Şekil 8.1) numuneye daha önce testler uygulanmışsa, bunların türü kaydedilmelidir. Yapılacak testin yükleme seviyesi belirlenerek uygulanacak kuvvetin üst limiti kaydedilmelidir. Belirlenen kuvvet N/s hızla topuğa uygulanır. Ölçülen test kuvveti belirlenen limite geldiğinde süre başlatılır ve kuvvetin 30 (±3) saniye süreyle numune üzerinde kalması sağlanır. Bu süre sonunda test kuvveti sıfıra indirilir. Ayak test sonunda fonksiyonunu kaybetmediyse testten başarıyla geçmiş olur. Eğer numune istenen kuvvete ulaşılamadan zarar görürse ulaşılan maksimum kuvvet kaydedilir. Eğer kuvvete ulaşılmış ancak 30 saniyelik süre içinde zarar görmüşse, ulaşılan süre kaydedilir. Numune topuk testini başarıyla tamamladıysa ön ayak testiyle devam edilir. Belirlenen kuvvet N/s hızla topuğa uygulanır. Ölçülen test kuvveti belirlenen limite geldiğinde süre başlatılır ve kuvvetin 30 (±3) saniye süreyle numune üzerinde kalması sağlanır. Bu süre sonunda test kuvveti sıfıra indirilir. Ön ayak testi sonunda, protez fonksiyonunu kaybetmediyse testten başarıyla geçmiş olur. Eğer numune istenen kuvvete ulaşılamadan zarar görürse ulaşılan maksimum kuvvet kaydedilir. Eğer kuvvete ulaşılmış ancak 30 saniyelik süre içinde zarar görmüşse, ulaşılan süre kaydedilir. Şekil 8.3 te olağan dayanım testinin uygulanma şeması gösterilmiştir.

100 72 Şekil 8.3 Olağan statik dayanım testi uygulama şeması (ISO 10328:2006)

101 Maksimum statik dayanım testi Test numunesi test ekipmanına yerleştirildikten sonra (Bkz. Şekil 8.1) numuneye daha önce testler uygulanmışsa, bunların türü kaydedilmelidir. Yapılacak testin yükleme seviyesi belirlenerek uygulanacak kuvvetin üst limiti kaydedilmelidir. Belirlenen kuvvet N/s hızla ya da 1-5 kn/s olarak belirlenmiş alternatif yükleme hızıyla topuğa veya ön ayağa uygulanır. Belirlenen uygulama hızı kaydedilir. Maksimum dayanım testinde amaç ayağın zarar gördüğü maksimum kuvveti tespit etmek olduğundan ulaşılacak hedef test kuvveti, standartta F 1su,upper limit, F 2su,upper limit sembolleri ile belirtilmiştir (Bkz. Çizelge 8-2). Verilen bu kuvvet üst limitine ulaşmadan protez zarar görürse, zararın meydana geldiği kuvvet kaydedilerek test sonlandırılır. Fakat üst limite kadar zarar meydana gelmezse, uygulanan kuvvet üst limitlere ulaştığında test sonlandırılır. Testin başarı kriterlerinden biri topuk veya ön ayak yüklemesi sırasında kuvvetin üst limite gelene kadar ayakta herhangi bir zararın görülmemesidir. İkinci başarı kriteri ise ayakta oluşan zararın alt limit ile üst limit arasındaki kuvvetler etkisiyle gerçekleşmesidir. Birinci başarı kriterini sağlayan ayak protezlerine ikinci defa ön ayak ya da topuk testi uygulanabilir. Ancak Şekil 8.4 teki şemada görüldüğü gibi numune ikinci testte başarısız olursa yeni bir numune kullanılarak test tekrar edilmelidir. Maksimum dayanım testi yüksek hızla uygulanır ve numune testin başarı kriterlerini karşılarsa, testin hemen ardından olağan dayanım testi de numuneye uygulanır. Olağan statik dayanım testinden başarıyla geçen numuneler, maksimum dayanım testinden de başarıyla geçmiş olur.

102 74 Şekil 8.4 Maksimum dayanım testi uygulama şeması (ISO 10328:2006)

103 Dinamik dayanım testi Ayak protezinin ön ayak ve topuk kısımlarına sırayla uygulanan tekrarlı yüklerin uygulandığı çevrimsel testtir. Kullanım süresi boyunca meydana gelebilecek tahribatları ve servis gereksinimlerini belirlemek için uygulanır. Testte uygulanacak yükleme seviyesi için belirlenmiş kuvvetler tespit edildikten sonra, numune test ekipmanına bağlanır. İlk olarak belirlenen dinamik kuvvetin maksimum noktası olan F 1cmax ve F 2cmax kuvvetleri statik olarak numuneye sırayla uygulanır (Bkz. Çizelge 8-2). Numune bu kuvvetler karşısında zarar görürse ulaşılan en yüksek kuvvet kaydedilerek test sonlandırılır. İlk statik yüklemeyi başarıyla karşılayan numuneye çevrimsel kuvvetlerin kontrol amacıyla uygulanmasıyla teste devam edilir. 0,5 ile 3 Hz arasında seçilen bir frekansta uygulanan test kuvvetlerinin minimum ve maksimum noktalarının istenen koşulları sağladığı kontrol edilir. Uygulanan çevrimsel kuvvetin maksimum noktası öngörülen maksimum kuvvetten %10 oranından daha fazla olmamalıdır. Çünkü % 10 dan daha büyük fark numunede erken tahribata neden olabilir. Çevrim sırasında oluşan kuvvet profili, izin verilen parametreler dahilinde elde edilemiyorsa test sonlandırılır. Test sırasında, üreticinin verdiği servis direktiflerine göre belirli çevrim sayılarında belirli parçaların değiştirilmesi gerekiyorsa, test ekipmanı durdurulduktan sonra parça değiştirilir ve gerekirse numune test prosedürüne uygun şekilde tekrar ekipmana bağlanarak teste devam edilir. Hedeflenen çevrim sayısına ulaşılmadan numunede tahribat meydana gelirse, zararın oluştuğu çevrim sayısı kaydedilmelidir. Hedeflenen çevrim sayısını tamamlayan numunelerde ise son olarak olağan statik dayanım testi uygulanır. Son statik testte numune zarar görürse, tahribatın oluştuğu kuvvet kaydedilir. Tahribatın oluştuğu bölge ve tahribatın şekli test raporuna kaydedilir. Son statik dayanım testini de başarıyla tamamlayan numune, dinamik dayanım testini başarıyla tamamlamış olur (Şekil 8.5).

104 76

105 77 Şekil 8.5 Dinamik dayanım testi uygulama şeması (ISO 10328:2006)

106 78 9. AYAK-BİLEK PROTEZİ TEST MAKİNESİ TASARIMI VE İMALATI 9.1 Test Makinesi Özellikleri Ayak-bilek protez bileşenlerinin testlerinde izlenecek prosedür Bölüm 7 de ISO test standardı doğrultusunda ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Testlerde kullanılacak test makinesinin ISO standardında belirtilen şartları sağlaması gerekmektedir. Piyasada kullanılan bir test cihazı yeni bir test makinesi tasarımında bir başlangıç noktası oluşturmuştur. Şekil 9.1 de görülen test makinesi Si-Plan Electronics Research Ltd. isimli İngiliz şirkete aittir. Şekil 9.1 Üniversal ayak-bilek test makinesi (Si-Plan Ltd., 2009, yazılı görüşme) Şekil 9.1 de görülen makine, 1550mmx950mmx760mm dış ölçülere ve 400 kg ağırlığa sahiptir. 110/230 V, maksimum 4amp akımla çalışır bar temiz ve kuru basınçlı hava ile çalışmaktadır. Ön ayak kısmındaki pnömatik silindir 80

107 79 mm, topuk kısmındaki ise 60 mm kurs boyuna sahiptir. Silindirler 6 bar basınçlı hava ile 3000N kuvvet uygulamaktadır. ön ayak silindiri 60 mm, topuk silindiri ise 30 mm kurs boyunda çalışırken 1 Hz çalışma frekansına ulaşabilmektedir. Normal frekansta çalışırken dakikada 325 litre hava sarfiyatı yapmaktadır. Test makinesinde kullanıcı ara yüzü olarak PC kullanılmaktadır. Kullanılan yazılım test koşullarını, grafik göstergeleri, veri toplama ve kaydetme seçeneklerini ve otomatik kontrolü ayarlamak için yeterli bir yapıya sahiptir. Her bir servo-pnömatik silindir ölçme ünitelerini içinde bulundurur. Silindirlerin dikey ve yatay eksendeki konumları ayarlanabilmektedir. Test makinesi maksimum 3 Hz frekansta çalışabilmektedir. (Si-Plan Ltd., 2009, yazılı görüşme) Aynı anda iki numuneye test uygulanmasını mümkün kılan çift taraflı test makinesi de mevcuttur (Şekil 9.2). Şekil 9.2 Çift taraflı test makinesi (Si-Plan Ltd., 2009, yazılı görüşme)

108 Test Makinesi Tasarımı ve Üretimi Tasarımlar sırasında test makinesi üç kısma ayrılmıştır; Aktüatörler Gövde ve mekanik aksam Kontrol ünitesi Aktüatör seçimi Öncelikle testler sırasında uygulanacak kuvvetlerin hangi yöntemle üretileceği belirlenmiştir. Aktüatörler standartta belirtildiği gibi yüksek frekanslarda çalışabilmelidir. Bu nedenle hidrolik ünitelerden kaçınılmalıdır. Pnömatik aktüatörler seçilmelidir. Testler için gerekli büyük kuvvetler geniş pnömatik silindirler gerektirmektedir. Çünkü kullanılacak azami hava basıncı 6 bar olacaktır. Aktüatör tercihinde başka bir seçenek de pnömatik kaslardır (Şekil 9.3). Pnömatik kas, yüksek hızlar gerektiren uygulamalarda tercih edilen bir ürün haline gelmiştir. Şekil 9.3 Pnömatik kas (Çatak, 2001) Pnömatik kas, çapraz takviye malzemesiyle birleştirilmiş hava geçirmez esnek hortumun basınçlı hava etkisiyle şişerek boyunun kısalması prensibiyle çalışır. Kas membran, iki konik bağlantı ve iki somundan oluşur (Şekil 9.4).

109 81 Şekil 9.4 Pnömatik kasın yapısı (Çatak, 2001) Kaslar sisteme bağlanırken bazı bağlantı araçları gerektirmektedir. Şekil 9.5 de bağlantı araçları gösterilmiştir. Şekil 9.5 Kas ile beraber kullanılan bağlantı parçaları (Çatak, 2001) Silindirlerden farklı olarak, pnömatik kas en fazla boyunun %25 i kadar kısalabilir. Ayrıca kısalma miktarı arttıkça uyguladığı kuvvet azalmaktadır. Fakat aynı çapta bir silindirle karşılaştırıldığında kas, on kat fazla kalkış kuvveti uygulamaktadır. Silindirlerde düşük hızlarda görülen titreme hareketi kasın çalışması sırasında meydana gelmez. Basınç regülasyonuyla, hassas konumlama yapılabilir. Sürtünme kayıplarının silindire göre az olması enerji sarfiyatını azaltmaktadır (Çatak, 2001). Pnömatik kasın sunduğu avantajlar nedeniyle imalatı yapılacak test makinesinde aktüatör olarak kas seçilmiştir.

110 82 Kullanılacak kasın ölçülerinin belirlenmesinde bir dizi parametre rol oynamaktadır. Bu parametreler kas çapı, istenen kuvvet, kurs boyu ve hava basıncıdır. Pnömatik kas üreticisi olan Festo A.Ş. şirketinden edinilen MuscleSim yazılımı yardımıyla, ihtiyaç duyulan kasın anma boyu ve hava tüketimi hesaplanmıştır. Standartta bildirilmiş en yüksek test seviyesinde kullanılan en büyük yük miktarı 5600 N dur. Bu nedenle kasın, maksimum kurs boyunda bu kuvveti üretmesi gerekmektedir. Şekil 9.6 da görüldüğü gibi en geniş çapta elde edilebilen 5544 mm boyundaki kas dahi bu kuvveti karşılayamamaktadır. Şekil 9.6 Kas boyutlarının hesaplanması Bu nedenle test makinesinde iki kasın paralel bağlanmasıyla istenen kuvvetlere ulaşmak hedeflenmiştir. Aynı özelliklerde iki kas paralel bağlandığında kas başına düşen kuvvet miktarı yarıya inmektedir. Bu da her bir kasın 2800 N kuvvet üretmesi demektir. Şekil 9.7 deki hesaplamaya göre her bir kas 465,8 mm boyda olmalıdır. Bu şartlarda kaslar bir kez doldurulduğunda 6,554 litre hava sarf etmektedir.

111 83 Şekil 9.7 Kas boyu hesaplaması Paralel bağlanan 465 mm boydaki her bir kas, P6 seviyesinde 1 Hz frekansla yapılan dinamik bir test sırasında tek çevrimde 1,471 litre hava tüketmektedir (Şekil 9.8). Test sırasında 4 adet kas kullanılacağı, ve kaslar dakikada 60 kez doldurulacağı fakat tam olarak boşaltılmayacağı için test sırasında, 1 dakikada harcanan hava miktarı 353 litreden daha az olacaktır. Şekil 9.8 Bir çevrimde bir kastan boşaltılan hava miktarı

112 84 Kullanılan yazılım yardımıyla, ihtiyaç duyulan pnömatik kas boyutları ve özellikleri tespit edilmiştir Gövde ve mekanik aksam Gövde, tüm mekanik ve elektronik üniteleri ve test numunesini taşıma görevindedir. Gerekli mekanik ayar elemanlarını üzerinde bulundurur. Gövdenin şekillendirilmesi için mekanik aksamın tamamlanması gerekmektedir. Test numunesinin gövdeye bağlantısı, ayak protezinin boruya, borunun da sıkma mekanizmasıyla gövdeye sabitlenmesiyle yapılır (Şekil 9.9). Şekil 9.9 Numunenin test makinesine tespiti Test kuvvetlerinin numuneye iletilmesi için kullanılacak plakalar, teğetsel kuvvetleri asgari seviyeye indiren ve kuvvet ölçümünü yapacak yük hücrelerini taşıyan bir sistem üzerinde bulunmalıdır. Şekil 9.10 de aktüatörlerden gelen kuvveti numuneye ileten sistem tasarımı gösterilmiştir.

113 85 Şekil 9.10 Kuvvet iletim sistemi Şekil 9.11 Kuvvet iletim sistemi bileşenleri

114 86 Şekil 9.11 deki büyük rayların gövdeye bağlanırken düşey eksenle yaptıkları açılar ayarlanarak, test kuvvetleri standarda uygun yönlerde numunenin topuk ve ön ayak kısmına iletilebilmektedir. Aktüatör olarak seçilen pnömatik kasın tek etkili silindir mantığıyla, sadece çekme yönünde çalışması, kuvvetin ayağa iletilmesi için bir kuvvet kolu gereksinimi doğurmuştur. Kuvvet kolunun yapısı ve diğer parçalara bağlanma biçimi, yatay pozisyonlama plakası, deformasyon ölçümleri için kullanılan lineer cetvel, Şekil 9.12 de görülmektedir. Şekil 9.12 Kuvvet kolu ve bağlantılar Mekanik aksamın tasarımının tamamlanmasından sonra ortaya çıkan ölçüler doğrultusunda gövde şekillendirilmiştir. Gövdede taşıyıcı kolon ve kiriş olarak 60x80 dikdörtgen profil kullanılmıştır. Mekanik aksamın üzerine yerleştirileceği 12 mm kalınlığında plaka da cıvata ve kaynaklı birleştirmeyle profillere sabitlenmiştir (Şekil 9.13).

115 87 Şekil 9.13 Test makinesi gövdesi Kasların çalışması sırasında bağlantı elemanlarında radyal yükler ortaya çıkabileceği için kas ile gövde arasındaki bağlantılarda dana gözü mafsallar kullanılmıştır. Şekil 9.14 de kaslarla gövde arasındaki bağlantılar gösterilmiştir. Şekil 9.14 Kasların gövdeye bağlanma biçimi

116 88 Test makinesinin tasarımı tamamlandıktan sonra belirlenen ölçüleri 1700mmx1420mmx600mm dir. Şekil 9.15 ve Şekil 9.16 da test makinesinin tamamlanan modeli gösterilmiştir. Şekil 9.15 Test makinesinin tamamlanmış modeli

117 89 Şekil 9.16 Ayak-bilek protezi test düzeneği Kontrol ünitesi Test makinesinin test süresince standartta belirlenmiş toleranslarda kalabilmesi için geri beslemeli otomatik kontrol ünitesi tasarlanması gerekmektedir. Projenin bu kısmında Dizayn Elektronik Ltd. firmasından hizmet alınmıştır. Elektronik devreler ve kontrol yazılımı firma tarafından hazırlanmıştır. Makineden kullanılacak yük hücreleri basma kuvvetlerini ölçebilecek tipte ve küçük boyutlu olmalıdır. Bu nedenle HBM marka 1-C9B/10KN kod numaralı 10 kn maksimum kapasiteli yük hücresi ve elektronik ünite ile bağlantıyı sağlayan HBM marka 1-RM4220 kod numaralı yükseltici seçilmiştir (Şekil 9.17). Şekil 9.17 Test makinesi için seçilen yük hücresi ve yükseltici (HBM, 2009)

118 90 Test sırasında kasların istenen kuvvetleri üretebilmesi için oransal valflere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu nedenle SMC marka ITV3000 kod numaralı 4000 litre/dakika hava kapasitesine sahip oransal valf seçilmiştir (Şekil 9.18). Şekil 9.18 Test makinesinde kullanılan oransal valf ( Test makinesinde kullanıcı ara yüzü olarak PC kullanılmıştır. Kullanıcı test makinesini Achilles adı verilen bir yazılım ile kontrol edebilmektedir. Yazılım içerisinde kullanıcı test türünü, yükleme seviyesini, yükleme hızı, süresi ve frekansını seçebilmektedir. Ayrıca esneklik grafiklerinin çıkarılması için yapılan özel testler için oransal valflerin elle kontrolü de mümkündür. Yazılım, protezde oluşan herhangi bir tahribat sırasında testi durdurarak son verileri kaydetmekte ve test raporunu Excel dokumanı olarak kullanıcıya sunmaktadır. Ayrıca havanın gerekli basınç değerinin altında olması durumunda kullanıcıya uyarı vermektedir. Test makinesi kesintisiz güç kaynağından beslendiği için elektrik kesintisi olması durumunda son test verilerini kaydeder ve sistemi kapatır. Kullanıcı daha sonra testi kaldığı yerden devam ettirebilmektedir. Teknik dosyası hazırlanan makine aksamı lazer kesim ve talaşlı imalat yöntemleriyle üretilmiş ve montajı tamamlanmıştır. Şekil 9.19 da Test makinesinin fotoğrafı görülmektedir.

119 91 Şekil 9.19 Ayak-bilek protezi testleri için üretilen test makinesi Elektronik kontrol ünitesi ve bilgisayar bağlantılarının tamamlanmasının ardından deneme çalışmaları yapılmıştır. Şekil 9.20 de test makinesinde topuk yüklemesi yapılmış bir SACH ayak protezi gösterilmiştir. Şekil 9.20 SACH ayak protezine uygulanan bir deneme testi

120 92 Elektronik kontrol ünitesi ve bilgisayar bağlantılarının tamamlanmasının ardından deneme çalışmaları yapılmıştır. Yazılımda ortaya çıkan eksikler tamamlanmış ve mekanizmalarda gerekli düzeltmeler yapılmıştır.

121 AYAK PROTEZİ TASARIMININ MEKANİK ANALİZİ VE TASARIM İYİLEŞTİRMELERİ 10.1 Sonlu Elemanlar Yöntemi Sonlu elemanlar yöntemi, kısmi diferansiyel denklemlerle ifade edilen veya fonksiyonel minimizasyonu olarak formüle edilebilen problemleri çözmek için kullanılan sayısal bir yöntemdir. Sonlu elemanlardaki yaklaşık fonksiyonlar, araştırılan fiziksel alanın noktasal değer terimlerinde belirlenmektedir. Sürekli fiziksel problem, bilinmeyen noktasal değerli kesikli sonlu eleman problemine dönüştürülmektedir. Bu yöntemin uygulanması için basit yaklaşım fonksiyonları oluşturulur. Sonlu elemanlar yöntemi, katı cisim mekaniği, akışkanlar mekaniği, akustik, elektromanyetizma, biyomekanik, ısı transferi gibi alanlarda ortaya çıkan karmaşık sınır koşullarına ve düzgün olmayan geometriye sahip sistemlere, kararlı hal, zamana bağlı ve özdeğer problemlerine, lineer ve lineer olmayan problemlerin çözümünde uygulanabilir (Güven, 2007) Ayak Protezinin Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Mekanik Analizi Geometrik tasarımı yapılan ayak protezinin geometrisinin ve imalatında kullanılacak kompozit malzemenin, mekanik davranışlar üzerindeki etkisinin incelenmesi için sonlu elemanlar yöntemi kullanılmıştır. Kompozit malzemelerin doğrultuya bağlı olarak değişen özellikleri mekanik analizde geleneksel mühendislik hesap yöntemlerinin kullanılmasını zorlaştırmaktadır. Bu nedenle bilgisayar destekli mühendislik analizi programları yardımıyla, sonlu elemanlar yöntemi uygulanarak karmaşık geometrik yapıda ve değişken malzeme özelliklerine sahip olan bir ayak protezinin mekanik davranışını incelemek daha kolay olmaktadır. Protez ayağın mekanik analizinde izlenecek adımlar şöyle sıralanabilir; Malzeme özelliklerinin belirlenmesi, Sonlu elemanlar modelinin oluşturulması,

122 94 Sınır koşullarının belirlenmesi ve çözüm, Mekanik analizin üç aşamasının ayak protezindeki uygulaması aşağıda açıklanmıştır Malzeme özelliklerinin belirlenmesi Ayak protezinde, sahip olduğu üstün özellikler nedeniyle prepreg malzeme kullanılmasına karar verilmiştir. Prepreg malzeme üreticileri olan Hexcel Corporation ve SGL Technologies GmbH şirketleriyle yapılan görüşmelerde ayak protezi üretiminde kullanılabilecek prepreg türleri seçilmiştir. Çizelge 10-1 de Hexcel HexPly M9/M10 reçine sistemi ve eş yönlü karbon fiber içeren prepreg malzemenin mekanik özellikleri verilmiştir. Çizelge 10-1 HexPly M9/M10 UD Carbon Prepreg özellikleri (Hexcel, 2007) Eş yönlü HS 12k karbon elyaf 300 g/m 2 0 Çekme Dayanımı MPa (Ksi) 2000 (290) 0 Çekme Modülü GPa (Msi) 130 (18.8) 0 Esneme Dayanımı MPa (Ksi) 1850 (268) 0 Esneme Modülü GPa (Msi) 120 (17.4) 0 Basma Dayanımı MPa (Ksi) 1300 (188) 0 Kısa kiriş Dayanımı MPa (Ksi) 85 (12.3) Hacimsel Fiber İçeriği % 60 Tabaka Kalınlığı mm 0.16 Hexcel HexPly M9/M10 reçine sistemi 23 C sıcaklıkta 60 gün, -18 C sıcaklıkta ise 12 ay raf ömrüne sahiptir. Çizelge 10-2 de SGL eş yönlü karbon fiber içeren prepreg malzemenin mekanik özellikleri verilmiştir.

123 95 Çizelge 10-2 SIGRAFIL CE Prepreg özellikleri (SGL, 2009) Eş yönlü 50k karbon elyaf 230 g/m 2 0 Çekme Dayanımı MPa Çekme Modülü Gpa Esneme Dayanımı MPa Esneme Modülü GPa Tabakalararası Kayma Dayanımı MPa 75 Hacimsel Fiber İçeriği % 55 Tabaka Kalınlığı mm 0.23 SIGRAFIL CE Prepreg malzeme içinde bulunan E201 reçine sistemi 20 C sıcaklıkta 90 gün, -18 C sıcaklıkta ise 12 ay raf ömrüne sahiptir. Sonlu elemanlar analizinde, kompozit malzeme programa ortotropik malzeme olarak tanıtılmaktadır. Bu nedenle malzemelerin üretici tarafından verilen mekanik özelliklerinden faydalanılarak yönlere bağlı elastik modül, kayma modülü ve poisson oranları hesaplanmıştır. Özelliklerinin çok benzer olması sebebiyle her iki marka için de aynı mekanik değerler kullanılmıştır. Çizelge 10-3 te analizde kullanılan mekanik değerler verilmiştir. Çizelge 10-3 Sonlu elemanlar analizi için belirlenen ortotropik malzeme özellikleri Ex Ey Ez MPa 7800 MPa 7800 MPa PRxy 0.29 PRyz 0.3 PRxz 0.29 Gxy Gyz Gxz 4800 MPa 2000 MPa 4800 MPa

124 96 Bu mekanik değerler, paket programın içerisinde malzemenin lineer ortotropik olarak tanımlanmasından sonra, malzeme özellikleri kısmında programa tanıtılır (Şekil 10.1). Özellikleri farklı birden fazla tür malzeme kullanılacaksa, bunları farklı malzeme numaralarıyla programa tanıtmak mümkündür. Şekil 10.1 Lineer ortotropik malzemenin mekanik değerlerinin programa girilmesi Sonlu elemanlar modelinin oluşturulması Kompozit ayak protezinin sonlu elemanlar modelinin oluşturulması katı model üzerinde bazı değişiklikler yapılmasını gerektirir. Kompozit yapı üst üste sıralanan prepreg tabakalardan oluşturulduğu için sonlu elemanlar analizinde de aynı yöntem kullanılmaktadır. Kompozit parça analizinde tabakalı yapıyı sisteme tanıtmak için operasyon ağacındaki Element Type kısmında eleman şekli tanımlanmalıdır. Bu çalışmada Shell99 eleman türü kullanılmıştır (Şekil 10.2).

125 97 Şekil 10.2 "Shell99" eleman türü (ANSYS, 2009) Kullanılan eleman türüyle kompozit yapının oluşturulmasında iki yöntem bulunmaktadır (Şekil 10.3). Bunlardan biri nötr eksende bulunan bir alanın alt ve üst yüzeylerine tabakaları dizmektir. Diğer yöntem ise alanı taban almak ve bu alanın üstüne tabakaları dizmektir. Bu çalışmada ilk yöntem seçilmiştir. Şekil 10.3 Kompozit parça analizinde kullanılan taba dizilim çeşitleri (ANSYS, 2009) Bu nedenle önce nötr eksendeki alanın oluşturulması gereklidir. Ancak tasarımda da görüldüğü gibi ayak gövdesi ve topuk bileşenleri eşit kesit kalınlığına sahip değildir. Bunun nedeni de bütün yapıda eşit gerilme dağılımını sağlamaktır.

126 98 Kompozit bir yapıda kesit kalınlığını değiştirmek için ara tabakaların geometrik şekli değiştirilir. Diğer bir deyişle kompozit ayak gövdesini oluşturan ara fiber tabakaların boyları adım adım kısaltılarak, ayak ucuna doğru incelen bir kesit kalınlığı sağlanabilir. Böylece basamaklı bir yapı oluşturulur. Ancak kür işleminden sonra bu basamaklı yapı gözle fark edilemez. Sonlu elemanlar analizinde, ayak gövdesinin nötr eksenini oluşturacak alan yaratılmış ve ayak ucundan bileğe kadar 12 alana ayrılmıştır. Aynı uygulama topuk bileşenlerine de yapılmıştır (Şekil 10.4). Şekil 10.4 Alanlara ayrılmış sonlu elemanlar modeli Alanların oluşturulmasından sonra her bir alanda bulunacak tabaka sayısı, tabakaların fiber açı oryantasyonu, tabaka kalınlıkları programa girilmelidir. İlk analiz için en kalın kesitinde 64 tabaka içeren bir yapı oluşturulmuştur. Daha sonraki analizlerde istenen esneme değerlerine ulaşılana dek çeşitli tabaka sayıları, açı oryantasyonu denenmiştir. Her bir alandaki tabaka sayısı, her bir tabakanın malzeme numarası, açı oryantasyonu ve kalınlığı gibi fiziksel özellikler operasyon ağacındaki Real Constants kısmında tanımlanır. Her bir farklı dizilim durumu için bir set tanımlanır. Tanımlanan set değerinde öncelikle tabaka sayısı girilir (Şekil 10.5).

127 99 Şekil 10.5 "Real Constants" tanımlanması Ayak gövdesinde kısa tabakalar orta kısımda bulunacağı için parçanın en kalın bölgesi için tespit edilen tabaka sayısı tüm set numaralarına aynı değerde girilir. Ancak kesilen tabakalar için tabakanın kalınlık değeri 0 olarak girilir. Şekil 10.6 da görülen ilk sütun malzeme numarası, ikinci sütun fiber oryantasyon açısı, üçüncü sütun ise tabaka kalınlığıdır. Tabaka kalınlığı 0 olarak girildiğinde sistem aradaki tabakanın diğerlerinden kısa olduğunu algılayarak uzun olan iki tabakayı üst üste ekler (Şekil 10.7). Şekil 10.6 Tabakaların malzeme, açı, kalınlık özelliklerinin girilmesi

128 100 Şekil 10.7 Kısa tabakaların program tarafından algılanması (ANSYS, 2009) Tanımlanan her bir set değerleri uygun alanlara atandıktan sonra, elemanlara ayırma (mesh) işlemi gerçekleştirilir. Elemanların büyüklüğü ve şekli kullanıcı tarafından ayarlanabilmektedir. Şekil 10.8 de elemanlara ayrılmış ayak modeli gösterilmiştir. Şekil 10.8 Elemanlara ayrılmış ayak modeli Bu çalışmanın ardından sınır koşullarının belirlenerek sisteme girilmesi ve çözümün yapılması gerekmektedir Sınır koşullarının belirlenmesi ve çözüm Sonlu elemanlar analizinin son adımında modelin mesnetlenmesi ve kuvvet, basınç, moment gibi fiziksel etkilerin uygulanması söz konusudur.

129 101 Ayak modeli piramit adaptöre bağlanacağı üç delikten ankastre mesnetle sabitlenmiştir (Şekil 10.9). Şekil 10.9 Mesnet noktaları Statik test kuvvetleri, ilk etapta 1650 N olarak seçilmiştir. Kuvvetler gövdenin veya topuğun sağ ve sol yarısına birer noktadan uygulanacağı için test kuvveti ikiye bölünmüştür. Her bir noktaya uygulanacak 825 N şiddetindeki kuvvetin bileşenleri hesaplanmıştır (Çizelge 10-4). Böylece test kuvvetleri ayak ucuna veya topuk bileşeninin ucuna, standartta belirtilen yönlerde yerleştirilmiştir. (Şekil 10.10). Çizelge 10-4 Test kuvvetlerinin üç eksendeki bileşenleri

130 102 Şekil Test kuvvetinin ayak ucunda tanımlanması Test kuvvetleri ve mesnet noktalarının tanımlanmasının ardından çözüm yapılarak modelde meydana gelen deformasyonlar, gerilme, birim şekil değiştirme, depolanan enerji vb. sonuçlar elde edilmektedir Mekanik Analiz Sonuçları ISO test standardında yer alan P6 sınıfı maksimum dayanım ve dinamik dayanım testleri için belirlenmiş kuvvetleri ayak ucuna uyguladıktan sonra elde edilen deformasyon miktarları Şekil ila Şekil te gösterildiği gibi elde edilmiştir. Şekil ve Şekil de ayakucu ve topuğa uygulanan kuvvet, dinamik dayanım testi için belirlenen azami yük olan 1650 N dur.

131 103 Şekil Ayak ucuna uygulanan 1650 N kuvvet etkisiyle oluşan deformasyon Şekil Topuğa uygulanan 1650 N kuvvet etkisiyle oluşan deformasyon Şekil ve te ayakucu ve topuğa uygulanan kuvvet, maksimum dayanım testi için belirlenmiş azami yük olan 5600 N dur.

132 104 Şekil Ayak ucuna uygulanan 5600 N kuvvet etkisiyle oluşan deformasyon Şekil Topuğa uygulanan 5600 N kuvvet etkisiyle oluşan deformasyon Yapılan analizler sonucunda istenen dayanıma ve esneme değerlerine, HexPly M10 UD Carbon Prepreg malzemeyle ulaşılmaya çalışıldığında, tabaka kalınlığının daha az (0,16 mm) olması sebebiyle daha fazla malzeme sarfiyatı ortaya çıkmaktadır. Diğer bir deyişle 0.23 mm tabaka kalınlığına sahip

133 105 SIGRAFIL CE Prepreg malzeme ile daha az sayıda tabaka kullanılarak istenen sonuçlara ulaşılabilecektir. SIGRAFIL CE Prepreg malzemenin birim maliyeti diğer markaya göre daha ekonomik olması ve malzeme sarfiyatının daha az olması sebebiyle tasarım ve üretim çalışmalarına bu malzeme ile devam edilmesi kararlaştırılmıştır. Sonlu elemanlar analizi sonuçlarında karşılaşılan gerilme değerlerine göre, kesit kalınlığının arttığı bilek bölgesinde tabakalar arası kayma gerilmeleri izin verilenden yüksek olmaktadır. Bu nedenle tasarımın iyileştirilmesi gereği ortaya çıkmıştır Tasarım İyileştirmeleri Kompozit malzemeden imal edilmiş parçalarda sıklıkla karşılaşılan sorun kalın kesitlerde oluşan, tabakalar arası kayma gerilmeleri sebebiyle delaminasyon, diğer bir deyişle tabaka ayrışması oluşumudur. Eğilmeye maruz kalan bir kirişte oluşan tabaka ayrışması Şekil de gösterilmiştir. Fiber açı oryantasyonuna bağlı olmakla beraber, genellikle parçanın nötr ekseninde çatlak şeklinde görülür. Şekil Tabaka ayrışması ( Tabakalar arası kayma gerilmeleri sebebiyle oluşan bu tür çatlaklar, kompozit malzemenin yorulma davranışına doğrudan etki etmektedir. Bir darbe yükü etkisiyle oluşabilecek küçük bir çatlak bile küçük dinamik kuvvetler etkisiyle ilerleyerek zamanla tabaka ayrışmasına sebep olabilmektedir. Bu nedenlerle ayak protezinin omurgasında değişiklikler yapılmıştır. Bilek kısmında oluşan büyük momentleri, tabakalar arası kayma gerilmelerini arttırmadan karşılayabilecek ayrı bir kompozit parça tasarlanmıştır. Şekil da katı modeli gösterilen ek parça, Şekil de gösterildiği gibi sisteme monte edilmektedir.

134 106 Şekil Kompozit bilek parçası Şekil Revize edilmiş ayak modeli Kompozit bilek parçası ve piramit adaptör köşeleri kompozit omurganın üzerinde çentik oluşturmayacak yuvarlatılmıştır (Bkz. Şekil 10.17). Revize edilen bilek kısmında yer alan kompozit parça ile kompozit omurga arasında büyük kuvvetler etkisiyle rölatif hareket meydana gelecektir. Böylece herhangi bir bileşende çatlak oluşumu engellenecektir Analizlerin Tekrarlanması Ayak protezinin geometrisinde yapılan yenilemeler ve iyileştirmeler sonlu elemanlar analizinin tekrarlanmasını gerektirmektedir. Sonlu elemanlar yöntemiyle yapılan mekanik analizin önemli bir kısmı da ayak protezinin konfor ihtiyaçlarına cevap verebilecek esneme değerlerine ulaşabilmektir. Piyasada ilgi

135 107 gören bazı ayakların esneme davranışlarının incelenmesi analizlerde ulaşılacak hedefin belirlenmesinde yardımcı olmuştur. Kanada, Queen s Üniversitesinde yapılan bir çalışmada, farklı ayak protezlerinde değişik açılarda gelen yüklerin etkisiyle meydana gelen deformasyonlar incelenmiştir. Projede üretilen test makinesinde ayakucu yüklemesinde 20 o, topuk yüklemesinde ise 15 o açı kullanıldığı için grafikler incelenirken ilgili açılar referans alınmıştır.(haberman, 2008) En fazla 80 kg vücut ağırlığında hastaların kullanımına sunulan 25 cm ölçüsündeki Niagara Foot numunesi esneme testi sonucunda Şekil ve Şekil daki grafikler oluşturulmuştur. Şekil Niagara Foot Ayakucu yük - deformansyon grafiği (Haberman, 2008) Şekil Niagara Foot Topuk yük - deformasyon grafiği (Haberman, 2008)

136 108 En fazla 106 kg vücut ağırlığında hastaların kullanımına sunulan 26 cm ölçüsündeki Otto Bock Axtion numunesi esneme testi sonucunda Şekil ve Şekil deki grafikler oluşturulmuştur. Şekil Otto Bock Axtion 106 kg Ayakucu yük - deformansyon grafiği (Haberman, 2008) Şekil Otto Bock Axtion 106 kg Topuk yük - deformansyon grafiği (Haberman, 2008) En fazla 124 kg vücut ağırlığına sahip hastaların kullanımına sunulan 26 cm ölçüsündeki Otto Bock Axtion numunesi esneme testi sonucunda Şekil ve Şekil deki grafikler oluşturulmuştur.

137 109 Şekil Otto Bock Axtion 124 kg Ayakucu yük - deformansyon grafiği (Haberman, 2008) Şekil Otto Bock Axtion 124 kg Topuk yük - deformansyon grafiği (Haberman, 2008) Grafiklerdeki değerlerden çıkarılan sonuçlara göre tespit edilen maksimum kullanıcı ağırlığı altında, bir ayak protezinin önayak kısmındaki deformasyon mm arasında olmaktadır. Aynı yük altında, protezin topuk kısmında meydana gelen deformasyon ise 7 20 mm arasında olmaktadır. Bu çalışmadan alınan sonuçlara göre 100 kg olarak belirlenen kullanıcı vücut ağırlığı için önayak ve topuk kısmında gerçekleşecek deformasyon miktarı mm olarak hedeflenmiştir. Gerçekte, topuk yüklemesinde deformasyon miktarı hem omurganın hem de topuk bileşenlerinin esneme miktarına bağlıdır (Şekil 10.24). Ancak kompozit malzemelerin birbirlerine bağlantısı sağlanamadığı için topukta sonlu elemanlar analizi ile elde edilen esneme miktarı üzerine, omurgada oluşan esneme miktarı

138 110 eklenmelidir. Bu nedenle aynı kuvvetle önayakta oluşan esneme miktarının yarısı topuğun deformasyon miktarına eklenecektir. Diğer bir deyişle topuk bileşenlerinin tekil analizlerinde hedeflenen deformasyon miktarı 10 mm olacaktır. Şekil Ayak protezinde oluşan esneme biçimleri Önayak kısmını içeren ayak protezi omurgasındaki fiber açı oryantasyonu Şekil de gösterilmiştir. Toplam 32 tabakadan oluşan omurgada, nötr eksen simetri ekseni olarak seçilmiştir. Omurganın mesnet noktaları ve kuvvetlerin uygulandığı noktalar Şekil da gösterilmiştir.

139 111 Şekil Ayak gövdesinde kullanılan fiber açı oryantasyonu Şekil Ayak ucundan uygulanan kuvvetler ve mesnetleme bölgesi Omurgaya ait analiz sonuçları, Şekil ve de deformasyon miktarı ve depolanan enerji olarak gösterilmiştir. Maksimum enerji depolanan bölgeler normal ayakta bilek kısmına denk gelen iki parçanın birleştiği noktalardadır.

140 112 Şekil kg kuvvet etkisiyle gövdede oluşan deformasyon Şekil kg kuvvet etkisiyle gövdede depolanan enerji Topuk kısmındaki fiber açı oryantasyonu Şekil da gösterilmiştir. Toplam 34 tabakadan oluşan topuk bileşenlerinde, nötr eksen simetri ekseni olarak seçilmiştir.

141 113 Şekil Topukta kullanılan fiber açı oryantasyonu Topuk bileşenlerine ait analiz sonuçları, Şekil ve de deformasyon miktarı ve depolanan enerji olarak gösterilmiştir. Maksimum enerji depolanan bölgeler, topuk bileşenlerini omurga ile birleştiren cıvata - somun bağlantılarının çevresindeki kısımlardır. Şekil kg kuvvet etkisiyle topukta oluşan deformasyon

142 114 Şekil kg kuvvet etkisiyle topukta depolanan enerji Bu sonlu elemanlar analizinin sonuçları prototiplere uygulanacak testlerin sonuçlarıyla karşılaştırıldığında tespit edilecek sapma miktarları, gelecek çalışmalarda, diğer ölçülerdeki ayak protezlerinin modellenmesinde göz önüne alınarak daha isabetli sonuçlara ulaşmayı sağlayacaktır.

143 PROTOTİP ÜRETİMİ Kompozit parçaların üretiminde, yüksek kaliteye sahip ve çok isabetli ölçü toleranslarında ürünler sunması, ayrıca otomasyona çok elverişli olması nedeniyle, kapalı kalıplama yöntemi seçilmiştir Kalıpların Tasarımı ve İşlenmesi Kalıpların tasarımı için, işlenmemiş kompozit parçaların modellerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu nedenle ayak protezinde kullanılan kompozit parçaların delme ve yarma işlemlerinin uygulanacağı yarı mamul parçalar modellenmiştir. (Şekil 11.1) (a) (b) (c) Şekil 11.1 Yarı mamul omurga (a), bilek parçası (b), topuk (c) modelleri Kalıp tasarımında, kalıp boyutları belirlenirken kür işleminde kullanılacak ısıtma ve soğutma yöntemi, bir kalıpta kaç parçanın üretileceği belirlenmelidir.

144 116 Çalışmada ilk olarak her kalıpta tek bir parça üretilmesine karar verilmiştir. Ayrıca üretimde kullanılacak pres ünitesinde alt ve üst ısıtma plakaları bulunması sebebiyle kalıplara ayrı bir ısıtma sistemi entegre etmeye gerek görülmemiştir. Fakat pres plakaları üzerinde soğutma sistemi bulunmadığı için kalıplara soğutma kanalları açılacaktır. Soğutma işlemi su kullanılarak yapılacaktır. Kalıp malzemesi olarak yüksek sertlikte 7075 kalite alüminyum seçilmiştir. Malzemenin ısı iletim katsayısının yüksek olması sebebiyle sıcaklık kontrolü daha iyi yapılabilecektir. Kalıp malzemesiyle kompozit malzemenin arasındaki genleşme farklılığından dolayı, 4-6 derecelik bir çıkış açısı verilmesi uygundur. Ayrıca ürünü kalıptan çıkarabilmek için itici pimler de yerleştirilmelidir. Bu faktörler göz önüne alınarak kalıp modelleri hazırlanmıştır. Şekil 11.2 de omurga parçasının kalıp modeli görülmektedir. (a) (b) (c) Şekil 11.2 Omurga kalıbı dişi yarı (a), erkek yarı (b), kapalı kalıp kesiti (c). Benzer biçimde, topuk kalıbı ve bilek parçası kalıbı da modellenmiştir (Şekil 11.3 ve 11.4).

145 117 (a) (b) Şekil 11.3 Topuk kalıbı dişi (a) ve erkek (b) kalıp bileşenleri (a) (b) Şekil 11.4 Bilek parçası kalıbı dişi (a) ve erkek (b) kalıp bileşenleri Kalıpların modellenmesinin ardından, CNC dik işlem tezgahlarında işlenmesi için nümerik kodlar hazırlanmıştır. Bu işlem için bir CAM paket programı kullanılmıştır. Kalıpların işlenmesinde 3 aşama takip edilmiştir. Öncelikle 12 mm çapında düz çakı kullanılarak kaba işleme gerçekleştirilmiştir. Şekil 11.5 de omurga parçasının dişi kalıbı için çıkarılan kaba işleme takım yolu simülasyonu gösterilmiştir. İkinci adımda 10 mm çapında düz çakı ile ara kaba işlemiyle kaba işlemden kalan talaş kaldırılmıştır. Son adımda 8 mm çapında küresel uçlu çakı ile hassas işleme yapılarak kalıp yüzeyleri tamamlanmıştır. Bu işlemlerin ardından kolon delikleri, itici yatakları ve soğutma kanalları delinerek kalıp montaja hazır hale getirilmiştir.

146 118 Şekil 11.5 Omurganın dişi kalıbının kaba işleme takım yolu simülasyonu Tamamlanan omurga ve topuk kalıpları Şekil 11.6 da gösterilmiştir. (a) (b) Şekil 11.6 Omurga kalıbı (a) ve topuk dişi kalıbı (b) Son olarak kalıpların yüzeyleri parlatılarak kullanıma hazır hale getirilmiştir.

147 Prepreg Malzemenin Kesilmesi ve Kalıplara Yerleştirilmesi Prepreg malzemenin karmaşık şekillerde kesilmesi amacıyla bilgisayar kontrollü kesim makineleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak prototip çalışmalarında bu uygulama maliyeti çok fazla yükselteceğinden elle kesme yöntemi uygulanmıştır. Tabaka sınırlarının eğrilerden oluşması sebebiyle prepreg malzemenin çizimini hızlandırmak amacıyla protezi oluşturan her bir parçada kullanılan tabakalar için bir şablon hazırlanmıştır. Şekil11.7 de iki boyutlu tasarım programında hazırlanmış şablonlar görülmektedir. Şekil 11.7 Omurga (a), topuk (b) ve bilek parçası (c) için hazırlanan şablon çizimleri Prepreg rulosunun genişliği 600 mm olması nedeniyle, hizalamayı kolaylaştırmak için şablonların her biri 600 mm genişliğinde hazırlanmıştır. Enine uzanan parçalarda fiberler 90 derecede uzanmaktadır. Şablonlar, 3 mm kalınlığında sac malzemeden lazer kesim yöntemiyle üretilmiştir. Şekil 11.8 de topuğu oluşturacak prepreg tabakalarının çizilmesi için kullanılan şablon görülmektedir. Şekil 11.9 da ise kesilmiş prepreg tabakaları gösterilmiştir.

148 120 Şekil 11.8 Topuk şablonu Şablonlar yardımıyla kolaylıkla çizilen prepreg malzeme sertleştirilmiş kesici ağızlara sahip özel makaslarla kesilmektedir. Şekil 11.9 da ise kesilmiş prepreg tabakaları gösterilmiştir. Şekil 11.9 Kesilmiş prepreg tabakaları

149 121 Kesilen prepreg tabakaları sonlu elemanlar analizi ile belirlenen sırayla Şekil da gösterildiği gibi kalıba yerleştirilir. Ancak Prepreg malzemenin kalıba yerleştirilmesinden önce kalıp itina ile temizlenmelidir. Eğer kalıp ayırıcı sıvılar uygulanacaksa temizlik işlemi solvent kullanılarak yapılmalıdır. Fakat prepreg malzemenin kalıp yüzeylerine yapışmasını önlemek amacıyla, kalıp ayırıcı sıvılar yerine, teflon film de kullanılabilir. Bu çalışmada ilk prototip imalatında kalıp ayırıcılar kullanılmıştır. Ancak parçanın kalıptan alınmasında sıkıntılarla karşılaşıldığı için sonraki kalıplama işlemlerinde 0.15 mm kalınlığa sahip teflon film kullanılmıştır. Ancak teflon filmin katlanması ve kalıbın şeklini almasının zorluk yaratması sebebiyle, daha karmaşık kalıplarda bu yöntem kullanışlı olmayacaktır. Şekil Kalıba yerleştirilmiş prepreg tabakaları Prepreg tabakaları belirlenen sırada kalıplara özenle yerleştirildikten sonra kalıp kapatılarak kür işlemine hazır hale getirilir Kür İşlemi Kapalı kalıplama yönteminde kür işleminde kullanılacak sıcaklık ve basınç değerleri prepreg içeriğindeki reçinenin türüne bağlı olduğu için, kür çevrimi üretici tarafından belirtilmektedir. Üretici tarafından belirlenen kür grafiği Şekil de gösterilmiştir. Fakat grafik otoklav yöntemi için geçerlidir.

150 122 Şekil SGL Firması tarafından E201 için verilen kür çevrimi (SGL, 2000) Kapalı kalıplama yönteminde vakum kullanılmayacaktır. Ayrıca işlem süresini kısaltmak amacıyla kür sıcaklığı olarak 150 o C seçilmiştir. Üreticiden alınan bilgiye göre reçinenin 150 o C sıcaklıktaki kür süresi 10 dakikadır. Kalıplanacak parçaların kesit kalınlıklarının ince olması ısıtma hızının 5 o C/dakika, soğutma hızı ise 10 o C/dakika olarak seçilmesine izin vermektedir. Basınç zaman grafiğinde bir değişiklik yapılmamıştır. Bu durumda kapalı kalıplama için öngörülen kür çevrimi Şekil de gösterilmiştir. Şekil Kapalı kalıplama yönteminde E201 için belirlenen kür çevrimi

151 123 Kür işlemi sırasında uygulanacak basınç, pres tarafından uygulanan kuvvete bağlı değişecektir. Parçaların yüzey alanı farklı olduğundan, her kalıba uygulanacak kuvvet de farklı olacaktır. Her parçanın yüzey alanı CAD programıyla hesaplanmıştır. Kalıplara uygulanacak kuvvetler Çizelge 11-1 de verilmiştir. Çizelge 11-1 Kalıplara uygulanan pres kuvvetleri Parça Adı: Yüzey alanı: Kür Basıncı: Pres [mm 2 ] [kpa] kuvveti: [N] Omurga Topuk ,6 Bilek Parçası ,6 Prototiplerin üretiminde Ege Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü laboratuarında bulunan sıcak pres kullanılmıştır (Şekil 11.11). Şekil Sıcak pres ( İlk üretimlerde kullanılan sıcak pres ünitesinde sıcaklık takibi, basınç ayarı ve soğutma problemleri yaşanmıştır. Sıcaklık ve basınç parametrelerinin hassas kontrolü sağlanamadığı için prototiplerin yüzey kalitesi ve mekanik değerleri istenen seviyeye ulaşamamıştır. Bu nedenle sıcaklık kontrollü yeni bir pres ünitesi yapılması gerekli görülmüştür.

152 124 Bilgisayarlı sıcaklık kontrol ünitesine sahip pres ünitesi tasarlanmış ve üretilmiştir (Şekil 11.14). Şekil Sıcaklık kontrollü ısıtmalı pres Üniteye entegre edilmiş adım kontrol cihazı ile ısıtma ve soğutma hızları, kür sıcaklığı ve süresi ayarlanabilmektedir. Ünitede, her biri 3600 W gücünde 350x550x27mm ölçülerinde iki adet ısıtıcı plaka bulunmaktadır. Üniteye en fazla 350 mm yüksekliğe sahip kalıplar yerleştirilebilmektedir. Silindir çapı 80 mm dir. Çizelge 11-2 de her bir parça için hesaplanan hidrolik basınç değerleri verilmiştir. Çizelge 11-2 Kalıplar için hesaplanmış hidrolik basınç değerleri Parça Adı: Pres kuvveti: Hidrolik [N] basınç: [Bar] Omurga ,4 Topuk 6561,6 13,0 Bilek Parçası 2501,6 4,9 Kür işlemini izlemek ve kaydetmek üzere PC ve Opik 04 proses izleme ve kayıt yazılımı kullanılmaktadır. (Şekil 11.15)

153 125 Şekil Opik 04 proses izleme ve kayıt yazılımı ( Kür işlemi boyunca hedef sıcaklığa ±3 o C toleransla ulaşılmaktadır. Soğutma sıvısı olarak su kullanılmaktadır. Yapılan prototip üretiminde kaydedilen proses grafiği Şekil da gösterilmiştir. Grafikte sıcaklık değişimi yeşil, basınç değişimi ise kırmızı renkle gösterilmiştir. Gerçekleştirilen kür çevrimi, öngörülen grafikle örtüşmüştür. Böylece başarılı bir kür işlemi gerçekleştirilmiştir. Şekil Kür prosesi grafiği

154 Yarı Mamullerin İşlenmesi ve Montaj Kür işlemi sonrasında kalıptan çıkarılan yarı mamullerin yüzey özellikleri oldukça iyidir. (Şekil 11.17) Şekil Yarı mamul kompozit parçalar Elde edilen yarı mamul parçalar, montaja hazır hale getirilmek için talaşlı imalat aşamasından geçirilir. Öncelikle parçaların kenarlarındaki çapaklar bant zımpara ile temizlenir. Ardından montaj delikleri delinir. Topuk parçası ortadan kesilerek iki bileşene ayrılır ve paslanmaz çelik montaj somunları iki bileşenli epoksi yapıştırıcı ile yapıştırılır. Omurga ise ortadan yarılır. (Şekil 11.18) (a) (b) (c) Şekil İşlenmiş omurga (a), topuk (b) ve bilek (c) parçaları

155 127 İşlenen parçaların montajı tamamlanarak, kompozit ayak protezi mekanik testlere hazır hale getirilmiştir. Marka, aktivite seviyesi, ayak ölçü numarası ve seri numarası kullanılarak ürünlerin ayırt edilmesi gerekmektedir. Bu nedenle 0.5 mm kalınlığında paslanmaz sac parçalar kestirilmiş ve bilgiler bu sac üzerine lazer markalama yöntemiyle yazılarak, montaj sırasında piramit adaptör ile kompozit bilek parçası arasına yerleştirilmiştir. (Şekil 11.19) Şekil Kompozit Ayak Protezi

156 Topuk Takozu Aynı vücut ağırlığına ve aynı aktivite seviyesine sahip olan iki kullanıcının yürüme biçimlerinden kaynaklanan farklı esneklik beklentisi ortaya çıkabilmektedir. Bu nedenle ayak protezinin tasarımı sırasında, topuk ile omurga arasına yerleştirilebilecek bir poliüretan takoz sayesinde topuktaki esneme miktarının azaltılabileceği düşünülmüştür. Poliüretan takoz (Şekil 12.20), topukta meydana gelen esneme miktarının hasta konforunu olumsuz etkileyecek kadar fazla olduğu durumlarda kullanılarak esnemeyi belli oranda azaltarak, hastanın daha güvenli ve konforlu yürümesini sağlamaktadır. Şekil Topuk takozu modeli Topuk takozunun yerleşimi Şekil deki modelde gösterilmiştir. Şekil Topuk takozunun yerleştirilmesi

157 129 Topuk takozu, poliüretan malzemenin açık döküm yöntemiyle üçlü kalıba dökülerek, pişirilmesiyle üretilecektir. Kullanılacak kalıp modeli Şekil de gösterilmiştir. Şekil Topuk takozu kalıbı Topuk takozları üç farklı sertlikte ve üç ayrı renkte üretilmiştir. 70 Shore A sertliğinde olan takoz sarı, 80 Shore A sertliğinde olan takoz kırmızı, 90 Shore A sertliğindeki takoz ise mavi renkte üretilmiştir. Uygulama sırasında en uygun sertlikteki takoz ortopedi uzmanı tarafından seçilerek, hastanın konforlu yürümesi sağlanabilecektir.

158 MEKANİK TESTLER 12.1 Standart Dayanım Testleri Üretilen prototip ürünler, öncelikle statik testlere tabi tutulmuştur. En fazla yüz kilogram ağırlığında ve orta aktivite seviyesindeki kullanıcılar için üretilen üç numuneye, ISO test standardında açıklanmış yükleme seviyelerinden P5 seviyesi için belirlenmiş kuvvetlerle, olağan statik dayanım testi uygulanmıştır (Bkz. Çizelge 8-2). Numuneler olağan statik dayanım testinden başarıyla geçmiştir. Statik üst dayanım testinde kullanılmak amacıyla üç numune daha seçilmiştir. Numunelerden ilki topuk yüklemesi sırasında 3700 N yük karşısında gövde ile birleştiği bölgeden çatlayarak zarar görmüştür. İkinci numunede ise ön ayak yüklemesi sırasında 3500 N kuvvete ulaşıldığında bilek bölgesinde tabaka ayrışması gerçekleşmiştir. Fakat omurganın kırılması 3800 N yük altında kompozit bilek parçasının önüne düşen bölgede gerçekleşmiştir. Üçüncü numunenin testinde ön ayak yüklemesi yapılmış ve 3750 N kuvvette ikinci numune ile aynı bölgeden kırılmıştır. Ancak ulaşılan test kuvvetlerinin öngörülen alt limitlerden fazla olması sebebiyle numuneler statik üst dayanım testinden başarıyla geçmişlerdir. Dinamik dayanım testinde 2 numune kullanılmıştır. Numunelerden ilki ayak protezinin servis süresini tespit etmek üzere dinamik dayanım testine tabi tutulmuştur (Şekil 12.1). P5 seviyesinde dinamik kuvvetlerle yüklenen protezde kullanılan metal elemanlardan topuk bileşenleriyle omurgayı birleştiren cıvatalar çevrimden sonra, metal yorulmasından dolayı kırılmıştır. Bu nedenle 1,4 güvenlik katsayısı seçilerek, çevrimde cıvataların değiştirilmesi uygun görülmüştür. İkinci numunenin dinamik dayanım testinde, her çevrim sayısına ulaşıldığında civatalar değiştirilmiştir. Böylece dinamik testte 7 kez ara verilerek çevrim sayısına erişilmiştir. Test sonunda yapılan kontrollerde kompozit parçalarda herhangi bir zarar görülmemiştir.

159 131 Dinamik dayanım testinde hedeflenen çevrim sayısının, iki yıllık kullanıma karşılık geldiği kabul edilerek servis süresi 3 ay olarak belirlenmiştir. Şekil 12.1 Dinamik dayanım testi uygulaması 12.2 Esneklik Testleri Prototiplerin dayanım testlerinde başarılı olmaları ISO standardıyla belirlenen koşulları karşıladığını gösterir. Fakat standardizasyonu mümkün olmayan ve kullanıcının vücut ağırlığının yanı sıra günlük faaliyetleri ve yürüyüş biçimine de bağlı olarak değerlendirilen, konfor özellikleri de protezin kullanılabilirliğini etkilemektedir. Bu nedenle sonlu elemanlar yöntemi ile mekanik analiz sonucu elde edilen esneme değerlerinin, fiziksel deney sonuçlarıyla karşılaştırılması gerekmektedir. Test makinesinde yapılan esneme deneyleri uygulayıcı kontrolünde gerçekleştirilmiştir. PC ara yüzü kullanılarak, oransal valfler yardımıyla, test makinesinin aktüatörlerine gönderilen hava basıncının adım adım arttırılarak, test gerçekleştirilmiştir. Belli aralıklarla, uygulanan kuvvetler arttırılmış ve her kuvvete karşılık gelen esneme miktarı komparatör ile ölçülerek kaydedilmiştir. (Şekil 12.2)

160 132 Şekil 12.2 Topuğa uygulanan esneklik testi Esneme testi sonuçları Şekil 12.3 de verilmiştir. Sonuçların sonlu elemanlar analizi sonuçlarına çok yakın olduğu görülmektedir. (Bkz. Şekil 10.28) Şekil 12.3 Kompozit ayak protezine ait yük - deformasyon grafiği Eneklik testleri sonucunda, 100 kg yükte meydana gelen topuk esnemesinin 70 Shore A sertliğinde olan takoz kullanıldığında %10, 80 Shore A sertliğinde takoz kullanıldığında %20, 90 Shore A sertliğinde takoz kullanıldığında ise %30 azaldığı tespit edilmiştir. Uygulama sırasında en uygun sertlikteki takoz ortopedi uzmanı tarafından seçilerek, hastanın konforlu yürümesi sağlanabilecektir.

161 KOZMETİK KILIF TASARIMI VE ÜRETİMİ Tasarlımı tamamlanan kompozit ayak protezinin hastalar tarafından kullanılabilmesi için estetik beklentileri de karşılaması gerekmektedir. Gerçek ayak görüntüsünden çok uzak olan kompozit omurga tek başına hastalar tarafından tercih edilmeyecektir. Bu nedenle kompozit ayak protezi, şekil ve renk özellikleri gerçek insan ayağına benzeyen bir kozmetik kılıf içinde kullanıcıya sunulmalıdır. Ayak protezinin ticari değer kazanabilmesi için son aşama olarak kozmetik kılıfın tasarım ve üretim çalışmaları yapılmıştır Kozmetik Kılıfın Modellenmesi Birçok firma tarafından üretilmiş değişik ayak modelleri incelendiğinde farklı şekil ayrıntılarına ve renk tonlarına sahip ayak ve kozmetik kılıf türleriyle karşılaşılmıştır. Kompozit kılıfın modellenmesinde iki aşama bulunmaktadır. Bunlardan biri kılıfın dış yüzeyinin modellenmesi, diğeri ise iç boşluğunun modellenmesidir. Kılıfın dış yüzeyinin modellenmesinde geniş çapta kullanılan ithal bir ürünün kozmetik kılıfı baz alınmıştır. Elde edilen kılıf numunesi, üç boyutlu lazer tarama cihazı kullanılarak taranmıştır. Tarama işlemi sonunda kılıfın dış yüzeyleri bilgisayar ortamına aktarılmıştır. CAD programları yardımıyla yüzey modelinden katı model oluşturulmuştur. (Şekil 13.1). Şekil 13.1 Kozmetik kılıf modeli 13.2). Model üzerine omurga yerleştirilerek gerekli değişiklikler yapılmıştır (Şekil

162 134 Şekil 13.2 Kompozit omurganın kozmetik kılıf içindeki yerleşimi Kompozit omurganın kılıf modeli içindeki yerleşiminden yararlanılarak, iç boşluk oluşturulmuştur. Yürüyüş sırasında kompozit omurganın kılıftan kolaylıkla çıkmasını engellemek üzere, kılıfın topuk kısmının iç yüzeyinde, iki tırnak bulunmaktadır. Değişik ayak tasarımları söz konusu olduğunda imalat sırasında iç boşluğu oluşturan maça değiştirilerek, iç boşluğun şekli de kolaylıkla değiştirilebilir Plastik Enjeksiyon Kalıbı Tasarımı ve Üretim Araştırmalar ve diğer ürünler üzerinde yapılan kimyasal analizler sonucunda kılıf için kullanılan malzemenin 75 Shore A sertliğinde termoplastik poliüretan (TPU) olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle kılıfın üretimi için plastik enjeksiyon yöntemi seçilmiştir.

163 135 Kompozit omurgayı tutması amacıyla topuğun iç kısmında bulunacak tırnakları oluşturmak üzere, maça iki parçalı olarak tasarlanmıştır (Şekil 13.3). Enjeksiyon sonrası, ürün kalıptan çıkarılırken topuk maçası, ana maçadan ayrılarak ürünle birlikte alınır ve elle çekilerek üründen çıkarılır. Şekil 13.3 Kozmetik kılıf kalıbı Kozmetik kılıf kalıbı Şekil 13.4 te gösterildiği gibi enjeksiyon makinesine yerleştirilerek enjeksiyon işlemi gerçekleştirilir. Şekil 13.4 Kozmetik kılıf enjeksiyonu

164 136 Enjeksiyon denemeleri sırasında, TPU malzemeye eklenen köpürtücü oranı değiştirilerek ürünün yoğunluğu ayarlanmıştır. Renk maddeleri eklenerek ten rengi elde edilmiştir. Elde edilen kozmetik kılıf örnekleri Şekil 13.5 de gösterilmiştir. Şekil 13.5 Kozmetik kılıf Kompozit ayak protezinin kılıf içine yerleştirilmesinde veya kılıftan çıkarılmasında yardımcı araç olarak ayakkabı çekeceği kullanılmaktadır. Bunun sebebi, topuktaki tırnakların omurganın kılıfa oturmasını ve kılıftan çıkmasını zorlaştırmasıdır. Kompozit ayak protezi Şekil 13.6 da gösterildiği gibi kılıfa yerleştirilip, kılıftan çıkarılmaktadır. Şekil 13.6 Protezin kılıf içine yerleştirilmesi ve kılıftan çıkarılması