Utilização de machine learning e algoritmo genético no design de ligas de titânio para aplicações biomédicas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Nogueira, Luís Guilherme Santagnelo
Data de Publicação: 2025
Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.14289/21740
Resumo: The production of metastable beta titanium alloys for biomedical applications has grown over the last decade, aiming to meet the demand for materials with an elastic modulus more compatible with bone tissue. This contributes positively to biocompatibility and improves mechanical performance. Alloys such as Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr (TNZT), Ti–12Mo–6Zr–2Fe (TMZF), and Ti–35Nb–7Zr–5Ta (TiOsteum) are widely used for their properties, such as high specific mechanical strength and corrosion resistance. These alloys also incorporate beta-phase stabilizing and biocompatible elements, such as Zr, Ta, Nb, and Mo, avoiding elements toxic to humans, such as V, Co, Cr, and Cu. A fundamental challenge in using these alloys for orthopedic implants is reducing the difference between their elastic modulus and that of human bone, minimizing the phenomenon of stress shielding, which can cause bone fragility over time. This discrepancy is governed by the final microstructure formed during alloy processing and heat treatment, which includes parameters such as average grain size, alpha phase volume fraction, martensite volume fraction, and omega phase volume fraction, all of which affect mechanical properties. The integration of machine learning, especially through genetic algorithms, can optimize the development of these alloys. This methodology helps identify compositions that minimize the elastic modulus by adjusting parameters and identifying more efficient combinations. Thus, this study aims to apply machine learning combined with genetic algorithms to obtain chemical compositions of titanium alloys with predominantly beta-phase microstructures and the lowest possible elastic modulus. To this end, both experimental data described in the literature and mathematical models were used to optimize parameters such as E, Moeq (molybdenum equivalent), Bo (bond order), and Md (mean d orbital energy level). Using genetic algorithm codes, a list of chemical compositions with potentially desirable microstructures and properties was obtained.
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Alloys such as Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr (TNZT), Ti–12Mo–6Zr–2Fe (TMZF), and Ti–35Nb–7Zr–5Ta (TiOsteum) are widely used for their properties, such as high specific mechanical strength and corrosion resistance. These alloys also incorporate beta-phase stabilizing and biocompatible elements, such as Zr, Ta, Nb, and Mo, avoiding elements toxic to humans, such as V, Co, Cr, and Cu. A fundamental challenge in using these alloys for orthopedic implants is reducing the difference between their elastic modulus and that of human bone, minimizing the phenomenon of stress shielding, which can cause bone fragility over time. This discrepancy is governed by the final microstructure formed during alloy processing and heat treatment, which includes parameters such as average grain size, alpha phase volume fraction, martensite volume fraction, and omega phase volume fraction, all of which affect mechanical properties. The integration of machine learning, especially through genetic algorithms, can optimize the development of these alloys. This methodology helps identify compositions that minimize the elastic modulus by adjusting parameters and identifying more efficient combinations. Thus, this study aims to apply machine learning combined with genetic algorithms to obtain chemical compositions of titanium alloys with predominantly beta-phase microstructures and the lowest possible elastic modulus. To this end, both experimental data described in the literature and mathematical models were used to optimize parameters such as E, Moeq (molybdenum equivalent), Bo (bond order), and Md (mean d orbital energy level). Using genetic algorithm codes, a list of chemical compositions with potentially desirable microstructures and properties was obtained.A produção de ligas de titânio beta metaestáveis para aplicações biomédicas tem crescido na última década, buscando atender à demanda por materiais com módulo de elasticidade mais compatível com o tecido ósseo, contribuindo de forma positiva para a biocompatibilidade e melhorando o desempenho mecânico. Ligas como Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr (TNZT), Ti–12Mo–6Zr–2Fe (TMZF) e Ti–35Nb–7Zr–5Ta (TiOsteum) são amplamente usadas por suas propriedades, como elevada resistência mecânica específica e resistência à corrosão, além de apresentarem alguns dos elementos estabilizantes da fase beta e biocompatibilizantes como Zr, Ta, Nb e Mo, evitando elementos com toxicidade ao ser humano, como V, Co, Cr e Cu. Um desafio fundamental na utilização dessas ligas em implantes ortopédicos é reduzir a diferença entre o módulo de elasticidade e o do osso humano, minimizando o fenômeno de stress shielding, que pode causar fragilidade óssea ao longo do tempo. Essa discrepância é regida pela microestrutura final formada no processamento da liga e no tratamento térmico, na qual apresenta parâmetros como tamanho médio de grãos, fração do volume de fase alfa, fração do volume de martensita e fração do volume de fase ômega, que afetam as propriedades mecânicas. A integração de machine learning, especialmente com o uso de algoritmos genéticos, pode otimizar o desenvolvimento dessas ligas. Esta metodologia de combinação pode ajudar a encontrar composições que minimizem o módulo de elasticidade, ajustando parâmetros e identificando combinações mais eficientes. Assim, este trabalho visa aplicar o machine learning juntamente com algoritmo genético para obter composições químicas de ligas de titânio que possuam microestrutura predominantemente de fase beta, com o menor módulo de elasticidade possível. Para isso, utilizou-se tanto dados experimentais descritos na literatura, quanto modelos matemáticos para a otimização de parâmetros, como o E, Moeq (molibdênio equivalente), o Bo (bond order, ou ordem de ligação) e o Md (mean d orbital energy level, nível médio de energia do orbital d). A partir da utilização de códigos de algoritmo genético, foi possível então obter uma lista de composições químicas potencialmente com microestrutura e propriedades desejadas.Não recebi financiamentoporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosEngenharia de Materiais - EMaUFSCarAttribution-NonCommercial 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessLiga de titânio betaMódulo elásticoAlgoritmo genéticoMachine learningENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::METALURGIA FISICAENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::METALURGIA FISICA::ESTRUTURA DOS METAIS E LIGASUtilização de machine learning e algoritmo genético no design de ligas de titânio para aplicações biomédicasUse of machine learning and genetic algorithm in the design of titanium alloys for biomedical applicationsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-81031https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/5731c62b-5d70-4db3-80ee-a99bedc480a2/downloadc52f457040770f3bbb040fa07ca7d1dfMD51falseAnonymousREADORIGINALLuis Guilherme Santagnelo Nogueira.pdfLuis Guilherme Santagnelo Nogueira.pdfapplication/pdf5610603https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/ffe21da5-e5d5-4c55-bf39-9df4f2990a4a/download28c147349173fa3faf41da31d944f1e8MD52trueAnonymousREADTEXTLuis Guilherme Santagnelo Nogueira.pdf.txtLuis Guilherme Santagnelo Nogueira.pdf.txtExtracted texttext/plain90951https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/6660f479-e6de-47f9-b3c7-2362d806b276/download0b24bb6fcf7d7950d243f1ff360a2d2eMD53falseAnonymousREADTHUMBNAILLuis Guilherme Santagnelo Nogueira.pdf.jpgLuis Guilherme Santagnelo Nogueira.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4954https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/3513313b-7927-4a79-aa73-6e28f228566f/download758f3453affb7347ea94c203b8772c4fMD54falseAnonymousREAD20.500.14289/217402025-04-02 00:21:02.697http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/br/Attribution-NonCommercial 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/21740https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-04-02T03:21:02Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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