Unidirectional fiber-reinforced composite as an oral implant abutment material: Experimental studies of E-glass fiber/BisGMA-TEGDMA polymer in vitro

Fiber-reinforced composites (FRCs) are a new group of non-metallic biomaterials showing a growing popularity in many dental and medical applications. As an oral implant material, FRC is biocompatible in bone tissue environment. Soft tissue integration to FRC polymer material is unclear. This series of in vitro studies aimed at evaluating unidirectional E-glass FRC polymer in terms of mechanical, chemical, and biological properties in an attempt to develop a new non-metallic oral implant abutment alternative. Two different types of substrates were investigated: (a) Plain polymer (BisGMA 50%–TEGDMA 50%) and (b) Unidirectional FRC. The mechanical behavior of high fiber-density FRCs was assessed using a three-point bending test. Surface characterization was performed using scanning electron and spinning disk confocal microscopes. The surface wettability/energy was determined using sessile drop method. The blood response, including blood-clotting ability and platelet morphology was evaluated. Human gingival fibroblast cell responses - adhesion kinetics, adhesion strength, and proliferation activity - were studied in cell culture environment using routine test conditions. A novel tissue culture method was developed and used to evaluate porcine gingival tissue graft attachment and growth on the experimental composite implants. The analysis of the mechanical properties showed that there is a direct proportionality in the relationship between E-glass fiber volume fraction and toughness, modulus of elasticity, and load bearing capacity; however, flexural strength did not show significant improvement when high fiber-density FRC is used. FRCs showed moderate hydrophilic properties owing to the presence of exposed glass fibers on the polymer surface. Blood-clotting time was shorter on FRC substrates than on plain polymer. The FRC substrates also showed higher platelet activation state than plain polymer substrates. Fibroblast cell adhesion strength and proliferation rate were highly pronounced on FRCs. A tissue culture study revealed that gingival epithelium and connective tissue established an immediate close contact with both plain polymer and FRC implants. However, FRC seemed to guide epithelial migration outwards from the tissue/implant interface. Due to the anisotropic and hydrophilic nature of FRC, it can be concluded that this material enhances biological events related with soft tissue integration on oral implant surface.

Ristikkorakenteisen hihnakuljetinsillan mitoitustyökalun kehittäminen

Hihnakuljettimia käytetään muun muassa voimalaitos- ja sellutehdasympäristöissä kuljettamaan kiinteää polttoainetta tai haketta pitkiä matkoja. Pitkät hihnakuljettimet asennetaan yleensä teräsristikoista rakennettujen kuljetinsiltojen sisään. Kuljetinsilta toimii siis hihnakuljettimen ja hoitokäytävän runkona sekä suojaa kuljetinta ja kuljetettavaa materiaalia säältä. Tässä diplomityössä on laadittu mitoitustyökalu, jolla voidaan nopeasti mitoittaa ristikkorakenteisen hihnakuljetinsillan sauvat sekä määrittää rakenteen massa. Laskentaohjelma on toteutettu Microsoft Excel -taulukkolaskentana. Sillan poikkileikkaus voi olla suljettu symmetrinen umpirakenne tai avorakenne, jossa on ulokkeellinen hoitotaso. Ristikon sauvat ovat RHS-putkia. Rakenteeseen voi vaikuttaa jatkuvia kuormia, pistekuormia sekä näistä johdetut, ekvivalenttiin staattiseen voimaan perustuvat maanjäristyskuormat. Diplomityössä on perehdytty mitoitustyökalussa sovellettuihin teorioihin. Voimasuureiden laskenta perustuu 2-tukisina palkkeina käsiteltävien siltalohkojen ratkaisuun ja palkkianalogiaan, jossa ristikon sauvavoimat ratkaistaan käsittelemällä ristikkoa palkkina. Sauvojen kestävyyden laskenta perustuu SFS-EN 1993-1-1 -normiin, joka on osa Eurocode -rakennesuunnittelunormistoa. Lisäksi työssä on käsitelty ristikkoliitosten mitoitusta SFS-EN 1993-1-8 mukaan. Mitoitusohjelman toimivuutta on testattu tarkastelemalla esimerkkisiltaa laaditulla mitoituspohjalla ja Autodesk Robot Professional 2013 -FE-analyysiohjelmisuolla. Tulosten perusteella mitoitustyökalua voidaan käyttää ainakin tarjousvaiheen nopeisiin tarkasteluihin ja omamassan määritykseen, mutta myös lopulliseen mitoitukseen, mikäli hyväksytään konservatiivinen mitoitus.

Lujasta teräksestä valmistetun palkin poikkileikkauksen optimointi

Parin viime vuosikymmenen aikana on kehitetty huomattavasti entistä lujempia teräslaatuja, joiden käyttö ei kuitenkaan ole yleistynyt läheskään samaan tahtiin. Korkeamman hinnan lisäksi yksi merkittävä syy tähän on, että suunnittelijoilla ei usein ole riittäviä tietoja siitä, millaisissa tilanteissa lujemman teräslaadun käytöstä on merkittävää hyötyä. Tilannetta ei myöskään helpota se, että käytössä olevat standardit eivät tarjoa lainkaan ohjeistusta kaikkein lujimpien, myötörajaltaan yli 700MPa terästen käyttöön ja mitoitukseen. Tässä työssä pyritään tarjoamaan suunnittelijalle ohjeita ja nyrkkisääntöjä sopivan lujuusluokan ja profiilin valintaan sekä yleisesti lujempien teräslaatujen käyttöön. Lujemman teräslaadun käytöllä voidaan keventää suunniteltavaa rakennetta ja saada aikaan huomattavia painonsäästöjä. Usein ongelmaksi nousevat kuitenkin stabiiliuskriteerit, sillä teräksen lommahduskestävyys määräytyy suuresti sen lujuusluokasta siten, että mitä lujempaa teräs on, sitä helpommin se lommahtaa. Kun tämä yhdistetään siihen, että lujempaa terästä käytettäessä rakenteesta tulee optimoituna muutenkin pienempi ja kevyempi, kasvaa näiden kahden asian yhteisvaikutuksena kantokyvyn mukaan mitoitetun rakenteen taipuma korkeampiin lujuusluokkiin edetessä hyvin nopeasti sallittujen rajojen yli. Työssä etsitään siksi keinoja sopivan kompromissin löytämiseksi lujuuden ja jäykkyyden välille. Koska muotoilulla ja poikkileikkauksella on suuri merkitys sekä taipuman että stabiliteetin kannalta, tutkitaan erilaisia poikkileikkausvaihtoehtoja ja etsitään optimaalista poikkileikkausta taivutuspalkille matemaattisen optimointimallin avulla. Kun eri poikkileikkausvaihtoehdot on käsitelty ja optimoitu taivutuksen suhteen, tutkitaan poikkileikkauksia myös muissa kuormitustapauksissa. Huomattavan raskaan laskentatyön takia apuna käytetään Matlab-ohjelmistoa itse optimointiin ja Femap-ohjelmaa muiden kuormitustapausten tutkimiseen ja tulosten verifioitiin.

Tulevaisuuden työkonepuomin globaali optimointi -esiselvitys

Monitavoiteoptimointia käytetään laajasti auto- ja lentokoneteollisuudessa suunnittelun apu-välineenä, mutta muuten sen käyttö ei ole vielä yleistynyt laajemmin. Tässä työssä on tarkoi-tus tehdä laaja esiselvitys monitavoiteoptimoinnista ja sen hyödyntämisestä työkonepuomien suunnittelun apuvälineenä. Työ tehtiin yhteistyössä Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja projektiin osallistuvien FIMA ry:n jäsenten kanssa. Tulosten ja johtopäätösten perusteella tutkimusta tullaan mahdollisesti jatkamaan Tampereen teknillisen yliopiston tohtorikoulussa. Työssä selvitettiin mitä monitavoiteoptimoinnilla tarkoitetaan ja esitellään sen etenemisvai-heet. Lisäksi työssä esitellään lyhyesti kuusi monitavoiteoptimointiohjelmistoa pääominai-suuksineen sekä selvitetään ohjelmistolisenssien hintoja. Työssä optimointiin perehdyttiin teleskooppipuomin jatkoksen case -tutkimuksen avulla. Ni-velpuomit ja nivel- ja teleskooppipuomien yhdistelmät rajattiin työn ulkopuolelle. Työssä muodostettiin teleskooppipuomin jatkoksen poikkileikkauksen optimointityökalu. Sen avulla voidaan laskea luotettavasti optimit mitat painon suhteen niin, että lommahdusrajoitteet, tai-vutusvastus sekä taipuma otetaan huomioon ja samalla voitiin arvioida optimointiprosessin etuja ja haittoja. Optimoinnin tuloksia voidaan käyttää edelleen monitavoiteoptimoinnin lähtö-arvoina. Optimointi tehtiin Matlabin avulla ja tulokset verifioitiin AGIFAP -elementtimenetelmäohjelmistolla. Optimoituja tuloksia tutkittiin edelleen Femap -elementtimenetelmäohjelmistolla, jolla haettiin vuorovaikutussuhteita monitavoiteoptimoinnin tueksi. FE -analyysien avulla muodostettiin kaksi apuohjelmaa optimoinnin tueksi. Työssä havaittiin, että teleskooppipuomin jatkoksen optimointi vaatii FE -analyysiohjelmiston rinnalleen, jotta voidaan varmistua rakenteen kestävyydestä ja optimoida väsymiskestävyyt-tä. Liukupalojen vaikutus teleskooppipuomin käytökseen sekä väsymiskestävyyden optimoin-ti vaatii jatkotutkimusta.

Double grade – rakenneputkien puristuskestävyys

Double grade S420MH/S355J2H – rakenneputki on Ruukin kylmämuovattujen rakenneputkien vakioteräslaji. Se voidaan mitoittaa joko lujuusluokan S355 tai S420 mukaisesti. Teräslajin S355 mukaisesti mitoitettaessa on suunnittelu yksinkertaista. Painonsäästöä ja pidennettyjä jännevälejä haluttaessa käytetään lujuusluokan S420 mukaista mitoitusta. Työn tavoitteena oli selvittää kylmämuovattujen teräsrakenneputkien todellinen puristuskestävyys. Eurocode 3:n mukaan kylmämuovatut teräsrakenneputket kuuluvat nurjahduskäyrälle c. Tutkimukseen valittiin viisi eri profiilia olevaa rakenneputkea, joiden poikkileikkausluokat olivat 1, 2, 3 ja 4. Käytettäessä rakenneputkia puristussauvoina, on teräksen käyttö tehokkainta poikkileikkausluokassa 3, lähellä poikkileikkausluokkaa 4. Rakenneputkista laskettiin muunnetun hoikkuuden arvoilla 0.1, 0.5, 1.0 ja 1.5 koesauvojen pituudet kaikille profiileille. Valmistettiin kolme samanlaista koesauvaa jokaisesta koosta ja puristuskokeita suoritettiin yhteensä 57 kappaletta. Koesauvojen todelliset pituudet, alkukäyryydet ja poikkileikkaukset mitattiin. Ainestodistuksista saatiin materiaalin todelliset lujuudet. Laskettiin Eurocode 3:n mukaisesti kestävyydet nurjahduskäyrille a, b ja c. Laskennallisia kestävyyksiä verrattiin puristuskokeiden tuloksiin. Puristuskokeiden tulosten perusteella voidaan b-käyrää pitää oikeana profiileille 100x100x3, 150,150x5 ja 200x200x6. Profiili 150x150x5 kuuluu poikkileikkausluokkaan 2. Profiilit 100x100x3 ja 200x200x6 kuuluvat poikkileikkausluokkaan 4. Profiili 50x50x2 kuuluu nurjahduskäyrälle c. Profiilin poikkileikkausluokka on 1 ja aiemmat tutkimukset tukevat nurjahduskäyrän c käyttöä. Profiilista 300x300x8.8 ei saatu testattua täyttä sarjaa sen suuren kapasiteetin rikottua testilaitteiston, mutta puristuskokeiden perusteella se kuuluu nurjahduskäyrälle b. Profiili kuuluu poikkileikkausluokkaan 4.

Kylmälaitekoneikon runkorakenteen kehittäminen

Kylmälaitekoneikot ovat kylmäkomponentteja sisältäviä rakenteita, joiden avulla toteutetaan suurten tilojen, kuten elintarvikemyymälöiden sisäilman jäähdytys. Lisäksi koneikkojen avulla jäähdytetään matalampiin lämpötiloihin pienempiä kylmähuoneita. Osa koneikoista ottaa talteen kylmäprosessissa syntyvän lämmön, jota hyödynnetään tilojen lämmityksessä. Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella ja mitoittaa kahdeksalle eri kylmälaitekoneikolle entistä kustannustehokkaammat runkorakenteet, jotka ovat niin kestäviä, että koneikkoja on mahdollista pinota tilan säästämiseksi kolme päällekkäin. Lisäksi runkorakenteilta vaadittiin helppoa kuljetettavuutta, hyviä kiinnitysominaisuuksia ja korroosionkestävyyttä. Aluksi työssä selvitettiin runkorakenteisiin kohdistuvat vaatimukset, jonka jälkeen materiaalin valinta tehtiin materiaaliin kohdistuvien vaatimusten perusteella. Rakenteiden palkit mitoitettiin tarvittavan taivutusvastuksen ja kiepahduksen mukaan. Pilarit puolestaan mitoitettiin nurjahduksen ja kaksiaksiaalisen taivutustilan perusteella. Tämän jälkeen mitoitettiin eri sauvojen väliset hitsi- ja ruuviliitokset siten, että rakenne hajoaa ylikuormitustilanteessa mahdollisimman turvallisesti. Työssä tehdyt laskelmat varmennettiin elementtimenetelmän avulla ja lopullisille rakenteille tehtiin elementtimenetelmällä vielä ominaistaajuusanalyysejä. Lopuksi työssä suunniteltiin runkorakenteille sopiva korroosionsuojaus.

Hygro-elasto-plastic behavior of planar orthotropic material

The mechanical and hygroscopic properties of paper and board are factors affecting the whole lifecycle of a product, including paper/board quality, production, converting, and material and energy savings. The progress of shrinkage profiles, loose edges of web, baggy web causing wrinkling and misregistration in printing are examples of factors affecting runnability and end product quality in the drying section and converting processes, where paper or board is treated as a moving web. The structural properties and internal stresses or plastic strain differences built up during production also cause the end-product defects related to distortion of the shape of the product such as sheet or box. The objective of this work was to construct a model capable of capturing the characteristic behavior of hygroscopic orthotropic material under moisture change, during different external in-plane stretch or stress conditions. Two independent experimental models were constructed: the elasto-plastic material model and the hygroexpansivity-shrinkage model. Both describe the structural properties of the sheet with a fiber orientation probability distribution, and both are functions of the dry solids content and fiber orientation anisotropy index. The anisotropy index, introduced in this work, simplifies the procedure of determining the constitutive parameters of the material model and the hygroexpansion coefficients in different in-plane directions of the orthotropic sheet. The mathematically consistent elasto-plastic material model and the dry solids content dependent hygroexpansivity have been constructed over the entire range from wet to dry. The presented elastoplastic and hygroexpansivity-shrinkage models can be used in an analytical approach to estimate the plastic strain and shrinkage in simple one-dimensional cases. For studies of the combined and more complicated effects of hygro-elasto-plastic behavior, both models were implemented in a finite element program for a numerical solution. The finite element approach also offered possibilities for studying different structural variations of orthotropic planar material, as well as local buckling behavior and internal stress situations of the sheet or web generated by local strain differences. A comparison of the simulation examples presented in this work to results published earlier confirms that the hygro-elasto-plastic model provides at least qualitatively reasonable estimates. The application potential of the hygro-elasto-plastic model is versatile, including several phenomena and defects appearing in the drying, converting and end-use conditions of the paper or board webs and products, or in other corresponding complex planar materials.

Distortion and internal warping torsion of a double symmetric hollow section

This thesis is made in cooperation with Laboratory of Steel Structures and the steel company SSAB. Maximization of the benefits of high-strength steel usually requires the usage of thin wall thicknesses. This means the failures related to buckling, distortion and warping stand out. One must be aware of these phenomena to design thin-walled structures stressed with forces such as torsional loading. It is also important to take into account small stress ranges when evaluating the accurate fatigue strength of structures. The objective of this thesis is to clarify the theory of the uniform and non-uniform torsion. This paper focuses on warping due to the non-uniform torsion in double symmetric box girder and structural hollow section. The arisen stress states are explained and researched using the finite element method. Another research target is the distortion in double symmetric box girder due to torsion, and the restraining effect of transverse diaphragms at the load end. Multiple transverse diaphragms are used to study more efficient restraining against warping and distortion than a common one end plate structure.

Monolithic zirconium dioxide as a full contour restorative material: With special emphasis on the optical and mechanical properties

Full contour monolithic zirconia restorations have shown an increased popularity in the dental field over the recent years, owing to its mechanical and acceptable optical properties. However, many features of the restoration are yet to be researched and supported by clinical studies to confirm its place among the other indirect restorative materials This series of in vitro studies aimed at evaluating and comparing the optical and mechanical properties, light cure irradiance, and cement polymerization of multiple monolithic zirconia material at variable thicknesses, environments, treatments, and stabilization. Five different monolithic zirconia materials, four of which were partially stabilized and one fully stabilized were investigated. The optical properties in terms of surface gloss, translucency parameter, and contrast ratio were determined via a reflection spectrophotometer at variable thicknesses, coloring, sintering method, and after immersion in an acidic environment. Light cure irradiance and radiant exposure were quantified through the specimens at variable thicknesses and the degree of conversion of two dual-cure cements was determined via Fourier Transform Infrared spectroscopy. Bi-axial flexural strength was evaluated to compare between the partially and fully stabilized zirconia prepared using different coloring and sintering methods. Surface characterization was performed using a scanning electron microscope and a spinning disk confocal microscope. The surface gloss and translucency of the zirconia investigated were brand and thickness dependent with the translucency values decreasing as the thickness increased. Staining decreased the translucency of the zirconia and enhanced surface gloss as well as the flexural strength of the fully stabilized zirconia but had no effect on partially stabilized zirconia. Immersion in a corrosive acid increased surface gloss and decreased the translucency of some zirconia brands. Zirconia thickness was inversely related to the amount of light irradiance, radiant exposure, and degree of monomer conversion. Type of sintering furnace had no effect on the optical and mechanical properties of zirconia. Monolithic zirconia maybe classified as a semi-translucent material that is well influenced by the thickness, limiting its use in the esthetic zones. Conventional acid-base reaction, autopolymerizing and dual-cure cements are recommended for its cementation. Its desirable mechanical properties give it a high potential as a restoration for posterior teeth. However, close monitoring with controlled clinical studies must be determined before any definite clinical recommendations can be drawn.

Reconstruction of cranial bone defects with fiber-reinforced composite–bioactive glass implants

A cranial bone defect may result after an operative treatment of trauma, infection, vascular insult, or tumor. New biomaterials for cranial bone defect reconstructions are needed for example to mimic the biomechanical properties and structure of cranial bone. A novel glass fiber-reinforced composite implant with bioactive glass particulates (FRC–BG, fiber-reinforced composite–bioactive glass) has osteointegrative potential in a preclinical setting. The aim of the first and second study was to investigate the functionality of a FRC–BG implant in the reconstruction of cranial bone defects. During the years 2007–2014, a prospective clinical trial was conducted in two tertiary level academic institutions (Turku University Hospital and Oulu University Hospital) to evaluate the treatment outcome in 35 patients that underwent a FRC–BG cranioplasty. The treatment outcome was good both in adult and pediatric patients. A number of conventional complications related to cranioplasty were observed. In the third study, a retrospective outcome evaluation of 100 cranioplasty procedures performed in Turku University Hospital between years 2002–2012 was conducted. The experimental fourth study was conducted to test the load-bearing capacity and fracture behavior of FRC–BG implants under static loading. The interconnective bars in the implant structure markedly increased the load-bearing capacity of the implant. A loading test did not demonstrate any protrusions of glass fibers or fiber cut. The fracture type was buckling and delamination. In this study, a postoperative complication requiring a reoperation or removal of the cranioplasty material was observed in one out of five cranioplasty patients. The treatment outcomes of cranioplasty performed with different synthetic materials did not show significant difference when compared with autograft. The FRC–BG implant was demonstrated to be safe and biocompatible biomaterial for large cranial bone defect reconstructions in adult and pediatric patients.