Implants are vital structures that act as physical and functional replacements for damaged bones. The optimal structure for mandibular implants in particular is still being heavily researched on owing to the complex structure and functioning of the human mandible. This study focuses on the mechanical effects of introducing geometrical modifications to an isometric Kelvin Cell structure for use in mandibular implants. Also, the bending deformations and stresses of such structurally altered Kelvin Cells in sandwich panels featuring uniform, single-graded and multi-graded cores were compared and analyzed as candidates for mandibular implants under numerical bending mimicking incisal clenching. For this, four geometric modifications (in-plane twisting of the Kelvin Cell’s square faces, adding cross-struts in the Z-direction, stretching/shrinkage of square faces and increasing strut diameter) were each individually added to an RVE (Representative Volume Element) of Kelvin Cells and changes in its equivalent Hooke’s tensor were studied. Then, addition of cross-struts in the Z-direction were used in sandwich panels with uniform and gradient cell-heights as well as in a multi-graded core based on unit cell height and varying strut diameter to understand its bending behavior. Results indicated that each of the geometric modifications on the Kelvin Cell investigated in this study brought about significant changes to its Hooke’s tensor components and hence, must be carefully introduced when designing implants to prevent unfavorable mechanical properties. This study also proved that multi-graded cores with support struts in the loading direction are far better in terms of achieving higher bending stiffness, relatively uniform stress distribution and significantly lower stress concentrations in the core, which is ideal for mandibular implants that are generally stiff and subjected to larger loads in the vertical direction.

Implantat är vitala strukturer som fungerar som fysiska och funktionella ersättningar för skadade ben. Den optimala strukturen för i synnerhet underkäksimplantat forskas fortfarande hårt på på grund av den komplexa strukturen och funktionen hos den mänskliga underkäken. Denna studie fokuserar på de mekaniska effekterna av att införa geometriska modifieringar av en isometrisk Kelvin-cellstruktur för användning i mandibulära implantat. Dessutom jämfördes böjningsdeformationerna och spänningarna hos sådana strukturellt förändrade Kelvin-celler i sandwichpaneler med enhetliga, enkelgraderade och multigraderade kärnor och analyserades som kandidater för underkäksimplantat under numerisk böjning som efterliknar incisal hopspänning. För detta sattes fyra geometriska modifieringar (inplanvridning av Kelvin-cellens fyrkantiga ytor, tillägg av tvärstag i Z-riktningen, sträckning/krympning av fyrkantiga ytor och ökande strävdiameter) var och en individuellt till en RVE (Representative Volume Element) av Kelvin-celler och förändringar i dess ekvivalenta Hookes tensor studerades. Sedan användes tillägg av tvärstag i Z-riktningen i sandwichpaneler med enhetliga och gradientcellhöjder samt i en flergradig kärna baserad på enhetscellhöjd och varierande stagdiameter för att förstå dess böjningsbeteende. Resultaten indikerade att var och en av de geometriska modifieringarna på Kelvin-cellen som undersöktes i denna studie medförde betydande förändringar av dess Hookes tensorkomponenter och därför måste introduceras noggrant vid design av implantat för att förhindra ogynnsamma mekaniska egenskaper. Denna studie visade också att flergradiga kärnor med stödstag i belastningsriktningen är mycket bättre när det gäller att uppnå högre böjstyvhet, relativt jämn spänningsfördelning och betydligt lägre spänningskoncentrationer i kärnan, vilket är idealiskt för underkäksimplantat som generellt är styva och utsätts för större belastningar i vertikal riktning.