Balneo-Research Journal Vol.3, Nr.3, 2012

Fabricarea implanturilor prin topire selectivã laser

Drd. Ing. Cosma Sorin Cosmin Technical University Cluj-Napoca, Faculty of Machine Building,

Department of Manufacturing Technology

Abstract În ultimii ani, digitizarea şi automatizarea

au câştigat un loc important în fabricarea pieselor medicale. Prototipuri rapid obţinute ar putea fi foarte potrivite pentru aplicaţii medicale datoritã geometriei complexe, volumului redus şi individualizãrii puternice. Studiul prezentat investighează posibilitatea de a produce piese medicale sau dentare prin Topire Selectivã Laser (SLM). Procesul de topire selectivã laser este optimizat şi pe deplin caracterizat pentru diferite aliaje de metale biocompatibile, cum ar fi: TiAl6V4 şi CoCrMo. Potenţialul SLM ca tehnicã de fabricare a implanturilor medicale se dovedeşte prin procedura de fabricare a cadrelor pentru proteze dentare complexe.

1. Introducere Tehnicile de topire selectivã laser permit

generarea de materiale multistratificate inteligente a unor părţi selective complexe 3D prin consolidarea unor straturi succesive de material pudră, folosind energia termică furnizată de o razã laser controlatã şi concentratã de computer. Diferite mecanisme pot fi responsabile pentru consolidarea pudrei: sinterizarea fazei solide, sinterizarea fazei lichide, topirea parţială sau completă. Avantajele competitive ale SLS/SLM sunt libertatea geometricã, personalizarea şi flexibilitate materialelor. Spre deosebire de tehnicile de eliminare a unor materiale, forme

complexe pot fi fabricate fără a fi nevoie de calcule instrumentale de lungă durată, iar pudrele rămase neprelucrate pot fi refolosite.

În ultimul deceniu, procesele de topire selectivã laser au dobândit o acceptare largă ca tehnici de prototipare rapidã (RP). Multe aplicaţii ar putea profita de această evoluţie folosind topirea selectivã laser nu numai pentru conceptul modelelor vizuale şi a prototipurilor funcţionale, dar, de asemenea, pentru matriţe, inserturi de părţi funcţionale finale cu consistenţă pe termen lung. Pentru a transforma procesele de topire selectivã laser în tehnici de producţie pentru componentele reale, unele condiţii trebuie să fie îndeplinite. În primul rând, cererile de fabricaţie cresc pretenţiile privind materialele şi proprietăţile lor mecanice. Procesul trebuie să garanteze coerenţa pe tot ciclul de viaţă al produsului. În al doilea rând, precizia, rugozitatea suprafeţei şi posibilitatea de a fabrica componente geometrice, cum ar fi suprafeţele suspendate şi structurile interne devin foarte important la fabricaţie. În cele din urmă, descoperirea proceselor SLM ca tehnici rapide de fabricaţie depind de fiabilitate, performanţa şi aspectele economice, cum ar fi timpul de producţie şi costurile.

Lucrările prezentate investighează dacă procesele de topire selectivã laser îndeplinesc aceste cerinţe de fabricaţie şi încearcă să arate oportunităţile fabricãrii implanturilor metalice prin intermediul SLM (1).

Fig.1 Procesul SLM (topire selectiva laser)

Balneo-Research Journal Vol.3, Nr.3, 2012

Procesul de topire selectivã laser (fig.1) începe cu un model complet definit CAD din partea care urmează să fie făcutã. Împărţit în secţiunile transversale de un software special, modelul este apoi direct utilizat în acest proces. Operaţiunea esenţialã este trecerea unui fascicul laser peste suprafaţa unui strat subţire de pudrã, anterior depozitat pe un substrat. Procesul de execuţie merge de-a lungul direcţiei de scanare a fascicolului laser. Fiecare secţiune transversală (strat) al implantului este secvenţial completat cu noi straturi de praf topit (vectori). Calitatea unei piese produsă prin această tehnologie depinde mult de calitatea fiecãrui vector şi a fiecãrui strat. Identificarea parametrilor optimi ai puterii şi vitezei fascicolului laser de scanare este o sarcină

esenţială pentru că aceşti parametrii se întâmplă să fie cei mai influenţi asupra caracteristicilor piesei (porozitate, duritatea şi proprietăţi mecanice).

2. Metoda şi tehnologia topirii selective laser

MTT cu tehnologi a topirii selective laser este cea a ununi proces de fabricaţie adiţional capabil să producă piese pe deplin dense de metal direct din modelul CAD 3D utilizând un laser de mare putere. Piesele sunt construite dintr-o gamă de pulberi metalice fine care sunt pe topite într-o atmosferă bine controlată în straturi cu grosimi variind de la 20 la 100 microni.

Figura 2 MTT Realizer SLM 250, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca

Maşinile (fig.2) au fost proiectate pentru

a uşura utilizarea într-un mediu de fabricaţie şi pentru multiple utilizãri, având o interfaţã touch screen şi diverse opţiuni de meniu pentru producţie şi curãţare. Sistemele MTT cu SLM au prelucrat o gamã largă de materiale şi noua zonă nu este o excepţie, dar cu beneficiile suplimentare ale schimbãrii rapide a materialelor prin intermediul unui sistem de livrare a materialelor de tip casetă; deosebit de util în cazul în care sunt necesare dezvoltarea noilor materiale sau a unui nou produs. Capacitatea de a procesa în condiţii de siguranţă reactivă materiale cum ar fi Titan şi aluminiu este o caracteristică standard pe maşinile MTT SLM. În particular, prezenţa cuţitului de gaz care îndepãrteazã emisiile reactive de funingine şi placa încălzită incorporatã sunt premise pentru prelucrarea cu succes a materialelor.

Pregãtirea fişierelor este realizatã off-line printr-o alegere de interfaţă, fie cu software-ul Marcam Autofab sau prin intermediul Magics

Materialise Odată ce fişierul este complet construit este încărcat la maşină printr-o reţea securizată sau o conexiune directă.

Geometriile pot fi abordate cu un astfel de sistem complex, fiind create direct dinn datele 3D CAD, instalarea de software care permite punerea lor în aplicare prin adăugarea unor straturi succesive de pudrã (cu o grosime de aproximativ 20 microni / strat), apoi sinterizate. Este un proces de modelare având ca rezultat procesarea cu precizie şi înaltă rezoluţie a pieselor, cu suprafaţă de bună calitate şi proprietăţi mecanice similare cu cele obţinute prin procedee de turnare convenţionale.

3. Materiale utilizate de echipamente SLM Materialele utilizate de echipamente SLM

MCP Realizer sunt diverse, fiind clasificate în oţel, aliaje de titan, aliaje de cobalt şi crom. Aplicaţii ale acestor materiale pot fi în domeniul medical, industria aerospaţială şi zonele industriale.

Balneo-Research Journal Vol.3, Nr.3, 2012

Voi prezenta caracteristici fizice, chimice şi speciale ale diferitelor aliaje din titan.

Pulberea de aliaj de titan Titan 6Al-7NB aliaj (UNS R56700), a fost conceput şi dezvoltatã în 1977 de o echipa de cercetatori de la Gebruder Sulzer din Winterthur, Elveţia. Obiectivul a fost de a crea un aliaj de titan pentru aplicaţii şi dispozitive medicale şi chirurgicale, cu proprietãţi aproape identice cu ATI Ti-6Al-4V, înlocuind niobiu pentru vanadiu ca elementul de stabilizare beta. După şase ani de testare şi evaluare, aliajul a fost introdus de Sulzer-Protek ca Protasul 100 în 1985, şi a fost utilizat clinic din 1986. ATI Ti-6Al-7NB aliaj este utilizat pe scară largă în industria dispozitivelor medicale, în primul rând pentru aplicaţii ortopedice, cum ar fi: sisteme de înlocuire de şold, plăci de fixare

fractura, tije şi cuie intermedulare, şuruburi, dispozitive ale coloanei vertebrale şi fire.

Proprietăţi fizice (fig.3): -intervalul de topire: 1538-1649 ° C;

-Densitate: 0.163 kg / CU. inci; -Beta Temperatura Transus: 1010 ° C (± 15

° C); -Modul de elasticitate: 105 GPa în soluţia

recoapte condiţie; -Aliaj ATI-7NB Ti-6Al este furnizat de

obicei ca un produs de fabrica semi-finit în soluţia de retopire;

-Temperatura: 704.4-732.2 ° C, 1 oră, rece de aer;

-Reducerea stresului: 482.2-648.9 ° C, 1 oră, aerul rece.

Duritatea tipice în stare retopită este HRC 30-34.

Fig.3 Tabelul datelor tehnice, Company Ati Allvac SUA

Deoarece tranziţia beta şi alte proprietăţi

ale aliajului ATI Ti-6Al-7NB sunt atât de asemănătoare cu cele ale aliajului ATI Ti-6Al-4V, condiţiile de topire şi forjare sunt, de asemenea, similare. ATI Ti-6Al-7NB aliaj poate fi forjatcomplet la temperaturi de la 954.4 ° C, la 787.8 ° C. Reduceri minime de 35% sunt recomandate pentru a obţine proprietăţi optime. Formabilitatea aliajului ATI Ti-6Al-7NB este de aproximativ aceeaşi clasa ca şi a aliajului standard ATI Ti-6Al-4V. Aliajul ATI Ti-6Al-7NB poate fi prelucrat folosind practicile uzuale pentru oţelurile inoxidabile, utilizând viteze lente, feed-uri grele, scule rigidă, precum şi cantitãţi mari de lichid non-clorurate de aşchiere.

Ca aliajele ATI Ti-6Al-4V ELI si Ti-6Al-4V, aliajul ATI Ti-6Al-7NB poate fi uşor sudat

în stare retopita. Măsuri de precauţie trebuie să fie luate pentru a preveni contaminarea cu oxigen, azot şi hidrogen. Sudarea prin topire se poate face în camere de gaz inert sau prin sudare completa cu gaz inert a metalului topit şi a zonelor adiacente încălzite cu ajutorul unui scut suplimentar. La faţa locului, îmbinarea de sudura si de flash poate fi efectuată fără a recurge la atmosfere de protecţie.

Aliajul ATI Ti-6Al-7NB poate fi supuse la contaminarea pe bază de hidrogen în timpul decapare necorespunzătoare şi prin preluare de oxigen, azot şi de carbon în timpul forjãrii, tratamentul termic, lipire, etc Aceastã contaminare duce la o deteriorare în ductilitate care ar putea afecta în mod negativ caracteristicile de sensibilitate şi formarea de crestături.

87

Balneo-Research Journal Vol.3, Nr.3, 2012

Fig.4 Rezistenţa la coroziune şi biocompatibilitãţi Allvac SUA

Această diagramă (fig.4) ilustrează relaţia dintre rezistenţa la polarizare şi biocompatibilităţile metalelor pure, aliajelor de cobalt-crom şi oţel inoxidabil. Studii de coroziune în soluţii saline sugerează că vanadiul şi fierul în aliaje de titan sunt elemente solubile, în vreme ce oxizii de aluminiu şi Niobiu sunt produse stabile şi insolubile (Al2O3, Nb2O5), ca şi Titanul (TiO2). Acest strat protector pasive foarte dens şi stabil care se formează pe suprafeţe Ti-6Al-7Nb este motivul rezistenţei îmbunătăţite la coroziune şi biocompatibilităţii mãrite, comparativ cu ATI Ti-6Al-4V şi aliaje ATI Ti-

6Al-4V ELI. Oxidul de Niobiu (Nb2O5) din stratul de suprafaţă este chimic mai stabil, mai puţin solubil şi mai biocompatibil decât oxidul de vanadiu (V2O5) găsit în straturi de suprafaţă Ti 6-4.

4. Applications of SLM technology Tehnologia topirii selective laser este

utilizatã în aplicaţii medicale şi industriale. În aplicaţii medicale, porozitatea mare este importantã pentru ca implantul să se ataşeze mai uşor de masa muscularã şi în timp să se suprapună cu cea a OS-ului implantat.

Aplicatii stomatologice

Fig.5 a) modele 3D, b) piese fabricate, c) proteze dentare O procedură complet digitalã este

dezvoltatã pentru proiectarea şi fabricarea de cadre personalizate pentru proteze dentare complexe prin tehnici de topire selectivã laser a

aliajelor de Titan sau cobalt-crom. Cadrul este structura metalicã pentru proteză care sprijină dinţii artificiali (fig.5).

88

Balneo-Research Journal Vol.3, Nr.3, 2012

Un astfel de cadru este prins în şuruburi de implanturi orale plasate în maxilarul pacientului edentat.

Procedura permite o fabricaţie eficientă şi particularizatã a acestor cadre complexe şi garantează parametrii de precizie necesari optimizãrii procesului şi a unei strategii de producţie corespunzătoare.

Utilizatorii implanturilor ortopedice beneficiază semnificativ de capacitatea de topire selectivã laser în ortopedia medicalã

pentru fabricarea de geometrii complexe şi a structurilor din materiale de titan.

La implanturile pacient-specifice în cele din urmă, volumul producţiei de implanturi ortopedice dispunând hibrid structurile şi texturi; cu laser de topire are potenţialul de a debloca capabilităţi de fabricaţie care combină forma liberă şi structurile zăbrele complicate care îmbunătăţesc inserţia osoasã, ducând la rezultate mult îmbunătăţite la pacient.

Fig.6 Implant trabecular al maxilarului şi placă de craniu dens

În fig.6 sunt prezentate un implanturi

pacient-specifice din aliaje TiAl6Nb7, în acest caz, cu geometrii specifice, cu încorporare de

corpuri chirurgicale, OS structurate, cu integrarea şi îmbinarea suprafeţelor şi potrivirea precisã oase-implant.

Fig.7 cu raze X, reconstrucţie cu calculator tomografie şi software-ul special

Fig.7 arată un accident de alpinism

sever, pacientul a primit un THR care a fost revizuit de mai multe ori până când o revizuire suplimentarã a fost imposibilã. 3D X-ray şi tomografie computerizatã au permis analiza măduvei existente a pacientului. Au fost făcute

modele geometrice. Au fost concepute implanturi care sã se potriveascã osului existent şi fixate prin şuruburi. Rezultatele: eliminarea minimă a structurii osoase sănătoase şi reducerea duratei de operaţie.

89

Balneo-Research Journal Vol.3, Nr.3, 2012

Fig.8 Implant fabricat, caz chirurgical la Royal Perth Hospital, Australia

Această operaţiune a fost făcut la Royal

Hospital Perth (Australia) cu următorii paşi: analiza şi sterilizarea protezelor construite, pregătirea pacientului, nici o montare necesarã în timpul funcţionării, din cauza particularizãrii implantului şi inserţiei cu şurub făcute din TiAl6Nb7. Avantajul acestor implanturi personalizate obţinute prin SLM este dat de timpul operaţie, care a fost redus la 2 h-3 h în comparaţie cu protezele standard.

5. Concluzii

Tehnica de topire selectivă laser este caracterizatã ca o tehnicã rapidă de fabricaţie a implanturilor medicale de titan si cobalt-crom. Parametrii procesului sunt optimizaţi pentru a minimiza porozitatea, care duce la piese cu densităţi mai mari de 99.8% pentru TiAl6V4 şi 99,9% pentru CoCrMo. Încercări mecanice diferite au dovedit că piesele SLM satisfac cerinţele privind proprietăţile mecanice precum duritate, rezistenţă şi rigiditate. Testele chimice arată un comportament favorabil la coroziune.

Pentru fabricarea de cadre specifice pacientului pentru proteze dentare complexe, dovedeşte că SLM permite o producţie eficientă de piese medicale sau dentare cu un puternic potenţial economic, fiind dezvoltată o metodă digitală de producţie.

Articolul prezent arată că implanturile osoase bioresorbable pot fi fabricate cu tehnica de topire selectivă laser (SLM). Procesul SLM a fost dezvoltat pentru a genera piese dense cu o distribuţie omogenã de compozite fără schimbări majore în proprietăţile fizice şi chimice ale materialelor. Pentru vascularizarea implanturilor bioresorbable o structură poroasă interconectatã este necesarã. Folosind adiţional tehnologia de producţie SLM, structuri poroase pot fi integrate în proiectarea implantului şi sunt introduse în piesã.

Aceste prime rezultate arată un mare potenţial al structurilor poroase fabricate prin SLM pentru reconstrucţia unor defecte osoase mari. Studii la scarã mai mare trebuie să se realizeze pentru a confirma acest potenţial. Folosind SLM o libertate mare de design al structurii poroase interconectate este posibil sã se realizeze şi care deschide noi abordări pentru proiectarea unor canale poroase pentru vascularizarea optimizatã a implanturilor.

6. Bibliografie

1. Balc N., From CAD an RP to innovative manufacturing, septembrie 2004.

2. Clint Atwood, Manufacturing advances, applications and challenges, Capitolul 3, 2005.

3. Adam T. Clare, Selective laser melting of high aspect ratio 3D nickel–titanium structures two way trained for MEMS applications, June 2007.

4. I. Yadroitsev, Parametric analysis of the selective laser melting process, Ecole Nationale d’Inge´nieurs de Saint-Etienne (ENISE), DIPI Laboratory, 2007.

5. Edson Costa Santos, Rapid manufacturing of metal components by laser forming, Department of Mechanical Science and Bioengineering, Osaka University, Japonia, 2004.

6. Cosma Sorin Cosmin, cond. Prof. dr. ing. Balc Nicolae, Lucrare de licenta “Fabricarea rapida a prototipurilor prin topire selectiva cu laser”, Universitatea Tehnica, Cluj-Napoca, 2009.

7. Cosma Sorin Cosmin, cond. Prof. dr. ing. Balc Nicolae, Lucrare de dizertatie “Experimental studies on titanium and steel alloy parts using selective laser melting fabrication”, Universitatea Tehnica, Cluj-Napoca, 2011.

8. www.Allvac.com 9. www.mtt-group.com