Published April 13, 2018
| Version v1
Publication
Open
Numerical simulation of the force generated by a superelastic NiTi orthodontic archwire during tooth alignment phase: comparison between different constitutive models
Creators
- 1. University of Monastir
- 2. Arts et Metiers Institute of Technology
- 3. ParisTech
- 4. Université de Lorraine
- 5. French National Centre for Scientific Research
Description
Nickel Titanium (NiTi) Superelastic (SE) Shape Memory Alloys (SMAs) are widely considered for applications that need high reversible strain or high recovery forces. In particular, the SE SMAs present a high interest for biomedical applications such as endodontic and orthodontic apparatus. They are available in a large variety of archwires exerting continuum forces to ensure the dental displacement. The purpose of this study is to report the clinical implications of NiTi SE wires for dental treatment in a given configuration. Three main constitutive models of the literature (Lagoudas and Boyd 1996 Int. J. Plast. 12 805–842, Auricchio and Petrini 2004 Int. J. Numer. Meth. Engng. 61 807–836 and Chemisky et al 2011 Mech. Mater. 68 361–376) are considered for the finite element (FE) numerical simulations of the SMA archwires response. Tensile tests had been carried out in order to identify the material parameters of these constitutive models. The FE numerical study allowed to predict the dental displacement and its corresponding orthodontic force level exerted by the wire in similar conditions to those in the oral environment. This work allows to predict the orthodontic generated load by a NiTi SE archwire with a 0.64 × 0.46 mm2 rectangular cross section under prescribed thermomechanical conditions. The effect of the temperature and the alveolar bone stiffness on the orthodontic load level and the tooth displacement degree has been investigated. The performed numerical simulations demonstrate that the orthodontic load is sensitive to the displacement magnitude, to the tooth stiffness and to the temperature variations. The obtained forces applied continuously and at a constant level are within the acceptable orthodontic force level range. Some directives are therefore provided to help orthodontists to select the optimal archwire.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تعتبر سبائك النيكل التيتانيوم (NiTi) فائقة المرونة (SE) ذات شكل ذاكرة (SMAs) على نطاق واسع للتطبيقات التي تحتاج إلى إجهاد عالي قابل للعكس أو قوى استرداد عالية. على وجه الخصوص، تقدم SE SMAs اهتمامًا كبيرًا بالتطبيقات الطبية الحيوية مثل أجهزة اللبية وتقويم الأسنان. وهي متوفرة في مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأسلاك القوسية التي تمارس قوى متصلة لضمان نزوح الأسنان. الغرض من هذه الدراسة هو الإبلاغ عن الآثار السريرية لأسلاك NiTi SE لعلاج الأسنان في تكوين معين. ثلاثة نماذج تأسيسية رئيسية للأدب (لاجوداس وبويد 1996 جيه بلاست. 12 805–842، أوريكيو وبيتريني 2004 إنترناشيونال. J. Numer. Meth. Eng. 61 807–836 و Chemisky et al 2011 Mech. Mater. 68 361–376) للمحاكاة العددية للعنصر المحدود (FE) لاستجابة أسلاك قوس SMA. تم إجراء اختبارات الشد من أجل تحديد المعلمات المادية لهذه النماذج التأسيسية. سمحت الدراسة العددية لـ FE بالتنبؤ بإزاحة الأسنان ومستوى قوة تقويم الأسنان المقابلة لها التي يمارسها السلك في ظروف مماثلة لتلك الموجودة في البيئة الفموية. يسمح هذا العمل بالتنبؤ بالحمل الناتج عن تقويم الأسنان بواسطة سلك NITI SE مع مقطع عرضي مستطيل 0.64 × 0.46 مم 2 في ظل ظروف ميكانيكية حرارية محددة. تم التحقيق في تأثير درجة الحرارة وتصلب العظام السنخية على مستوى الحمل التقويمي ودرجة إزاحة الأسنان. توضح المحاكاة العددية التي تم إجراؤها أن حمل تقويم الأسنان حساس لمقدار الإزاحة وتصلب الأسنان وتغيرات درجة الحرارة. تكون القوى التي يتم الحصول عليها بشكل مستمر وعلى مستوى ثابت ضمن نطاق مستوى قوة تقويم الأسنان المقبول. لذلك يتم توفير بعض التوجيهات لمساعدة أطباء تقويم الأسنان على اختيار السلك القوسي الأمثل.Translated Description (French)
Les alliages à mémoire de forme (SMA) superélastiques en nickel titane (NiTi) sont largement considérés pour les applications nécessitant une contrainte réversible élevée ou des forces de récupération élevées. En particulier, les SMA SE présentent un grand intérêt pour les applications biomédicales telles que les appareils endodontiques et orthodontiques. Ils sont disponibles dans une grande variété d'arcs électriques exerçant des forces continues pour assurer le déplacement dentaire. Le but de cette étude est de rendre compte des implications cliniques des fils NiTi SE pour le traitement dentaire dans une configuration donnée. Trois principaux modèles constitutifs de la littérature (Lagoudas et Boyd 1996 Int. J. Plast. 12 805–842, Auricchio et Petrini 2004 Int. J. Numer. Meth. Engng. 61 807–836 et Chemisky et al 2011 Mech. Mater. 68 361–376) sont considérés pour les simulations numériques par éléments finis (FE) de la réponse des fils d'arc SMA. Des essais de traction avaient été réalisés afin d'identifier les paramètres matériels de ces modèles constitutifs. L'étude numérique FE a permis de prédire le déplacement dentaire et son niveau de force orthodontique correspondant exercé par le fil dans des conditions similaires à celles de l'environnement buccal. Ce travail permet de prédire la charge orthodontique générée par un arc NiTi SE de section rectangulaire 0,64 × 0,46 mm2 dans les conditions thermomécaniques prescrites. L'effet de la température et de la rigidité osseuse alvéolaire sur le niveau de charge orthodontique et le degré de déplacement des dents a été étudié. Les simulations numériques effectuées démontrent que la charge orthodontique est sensible à l'amplitude du déplacement, à la rigidité de la dent et aux variations de température. Les forces obtenues appliquées en continu et à un niveau constant se situent dans la plage de force orthodontique acceptable. Certaines directives sont donc fournies pour aider les orthodontistes à sélectionner le fil d'arc optimal.Translated Description (Spanish)
Las aleaciones con memoria de forma (SMA) superelásticas (SE) de níquel-titanio (NiTi) son ampliamente consideradas para aplicaciones que necesitan una alta deformación reversible o altas fuerzas de recuperación. En particular, los SE SMA presentan un alto interés para aplicaciones biomédicas como aparatos de endodoncia y ortodoncia. Están disponibles en una gran variedad de arcos de alambre que ejercen fuerzas continuas para asegurar el desplazamiento dental. El propósito de este estudio es informar las implicaciones clínicas de los alambres NiTi SE para el tratamiento dental en una configuración dada. Tres modelos constitutivos principales de la literatura (Lagoudas y Boyd 1996 Int. J. Plast. 12 805–842, Auricchio y Petrini 2004 Int. J. Numer. Meth. Engng. 61 807–836 y Chemisky et al 2011 Mech. Mater. 68 361–376) se consideran para las simulaciones numéricas de elementos finitos (FE) de la respuesta de los arcos de alambre de SMA. Se habían realizado ensayos de tracción con el fin de identificar los parámetros materiales de estos modelos constitutivos. El estudio numérico FE permitió predecir el desplazamiento dental y su correspondiente nivel de fuerza ortodóncica ejercida por el alambre en condiciones similares a las del entorno bucal. Este trabajo permite predecir la carga generada por ortodoncia mediante un arco de NiTi SE con una sección transversal rectangular de 0,64 × 0,46 mm2 en las condiciones termomecánicas prescritas. Se ha investigado el efecto de la temperatura y la rigidez ósea alveolar sobre el nivel de carga ortodóncica y el grado de desplazamiento dental. Las simulaciones numéricas realizadas demuestran que la carga ortodóntica es sensible a la magnitud del desplazamiento, a la rigidez dental y a las variaciones de temperatura. Las fuerzas obtenidas aplicadas de forma continua y a un nivel constante se encuentran dentro del rango de fuerza de ortodoncia aceptable. Por lo tanto, se proporcionan algunas directivas para ayudar a los ortodoncistas a seleccionar el arco de alambre óptimo.Files
document.pdf
Files
(1.6 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:09edd08491319e18b7cef811c18cdec4
|
1.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- المحاكاة العددية للقوة الناتجة عن السلك القوسي لتقويم الأسنان الفائق المرونة NITI أثناء مرحلة محاذاة الأسنان: المقارنة بين النماذج التأسيسية المختلفة
- Translated title (French)
- Simulation numérique de la force générée par un arc orthodontique NiTi superélastique lors de la phase d'alignement dentaire : comparaison entre différents modèles constitutifs
- Translated title (Spanish)
- Simulación numérica de la fuerza generada por un arco de ortodoncia NiTi superelástico durante la fase de alineación dental: comparación entre diferentes modelos constitutivos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2971060452
- DOI
- 10.1088/2053-1591/aaba4d
References
- https://openalex.org/W1469839728
- https://openalex.org/W1651110317
- https://openalex.org/W1964103699
- https://openalex.org/W1964885942
- https://openalex.org/W1969730427
- https://openalex.org/W1977145521
- https://openalex.org/W1982484060
- https://openalex.org/W1984331297
- https://openalex.org/W1986684392
- https://openalex.org/W1991808661
- https://openalex.org/W1995403815
- https://openalex.org/W1999421622
- https://openalex.org/W2006014651
- https://openalex.org/W2007370021
- https://openalex.org/W2020596690
- https://openalex.org/W2032979803
- https://openalex.org/W2057405973
- https://openalex.org/W2065637708
- https://openalex.org/W2067870911
- https://openalex.org/W2081190123
- https://openalex.org/W2084803456
- https://openalex.org/W2085619748
- https://openalex.org/W2086456719
- https://openalex.org/W2094961976
- https://openalex.org/W2106812177
- https://openalex.org/W2111780668
- https://openalex.org/W2115319361
- https://openalex.org/W2116604115
- https://openalex.org/W2131318435
- https://openalex.org/W2134400599
- https://openalex.org/W2156907132
- https://openalex.org/W2320192236
- https://openalex.org/W2329438351
- https://openalex.org/W2546226691