ニッケルチタン製回転機器のねじり剛性のパラダイムシフト：有限要素法による解析

A Paradigm Shift for Torsional Stiffness of Nickel-Titanium Rotary Instruments: A Finite Element Analysis.

抄録

はじめに:

本研究の目的は、ニッケルチタン製回転機器のねじり挙動に及ぼす質量と極慣性モーメントの影響を調査し、断面設計のどのパラメータがねじり抵抗の点で重要な役割を果たすかを理解することである。

INTRODUCTION: The aim of this study was to investigate the influence of mass and the polar moment of inertia on the torsional behavior of nickel-titanium rotary instruments to understand which parameter of cross-sectional design had a key role in terms of torsional resistance.

方法:

コンピュータ支援エンジニアリングソフトウェア（SolidWorks; Dassault Systems, Waltham, MA）を使用して、4つの異なる器具モデルを設計し、メッシュ化した。器具モデルは、断面設計を除いて同じ特徴を共有しており、三角形、長方形、正方形、および中空正方形の形状が選択された。有限要素解析は、FEEPlus内部ソルバー（Solid Works）を使用して静的ねじり試験をシミュレートした。破壊時のフォンミーゼス応力とねじり荷重を計算した。ニッケルチタン製回転機器のねじり抵抗に対する極慣性モーメント、断面積、内芯半径、体積あたりの質量の関係を調べるために線形回帰分析を行った。

METHODS: Four different instrument models were designed and meshed using computer-aided engineering software (SolidWorks; Dassault Systems, Waltham, MA). Instrument models shared the same characteristics, except for cross-sectional design; triangle, rectangle, square, and hollow square geometry was selected. Finite element analysis was performed simulating a static torsional test using the FEEPlus internal solver (Solid Works). Von Mises stress and torsional load at fracture were calculated by the software. Linear regression analysis was performed to investigate the relationship of the polar moment of inertia, cross-sectional area, inner core radius, and mass per volume on the torsional resistance of nickel-titanium rotary instruments.

結果:

極座標慣性モーメントは最大ねじり荷重に正の影響を及ぼし，最も高い相関を示した（R = 0.917）。極座標慣性モーメントが高いほど、破壊時の最大ねじり荷重が大きくなると言える。質量と断面積は、極座標慣性モーメントに比べ相関が低かった（R = 0.5533）。これによると、同じ質量/mmおよび/または断面積を持つ2つの器具は、ねじり抵抗が異なる可能性がある。

RESULTS: The polar moment of inertia positively affected the maximum torsional load with the highest level of correlation (R = 0.917). It could be stated that the higher the polar moment of inertia is, the more maximum torsional load at fracture is present. Mass and cross-sectional area had a lower level of correlation compared with the polar moment of inertia (R = 0.5533). According to this, 2 instruments with the same mass/mm and/or cross-sectional area could have different torsional resistance.

結論:

慣性極モーメントは、金属質量や断面積よりも、回転器具のねじり抵抗を決定する最も重要な断面因子であると考えることができる。

CONCLUSIONS: The polar moment of inertia can be considered as the most important cross-sectional factor in determining the torsional resistance of rotary instruments over metal mass and cross-sectional area.