fabricarea implanturilor prin topire selectivã laser

Upload: parjea-marius

Post on 14-Apr-2018

269 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

  • 7/30/2019 Fabricarea implanturilor prin topire selectiv laser

    1/6

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

    Fabricarea implanturilor prin topire selectiv laser

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

    Department of Manufacturing Technology

    Abstract

    n ultimii ani, digitizarea i automatizareaau ctigat un loc important n fabricarea

    pieselor medicale. Prototipuri rapid obinute arputea fi foarte potrivite pentru aplicaiimedicale datorit geometriei complexe,volumului redus i individualizrii puternice.Studiul prezentat investigheaz posibilitatea dea produce piese medicale sau dentare prinTopire Selectiv Laser (SLM). Procesul detopire selectiv laser este optimizat i pe deplincaracterizat pentru diferite aliaje de metale

    biocompatibile, cum ar fi: TiAl6V4 iCoCrMo. Potenialul SLM ca tehnic defabricare a implanturilor medicale se dovedete

    prin procedura de fabricare a cadrelor pentruproteze dentare complexe.

    1. Introducere

    Tehnicile de topire selectiv laser permitgenerarea de materiale multistratificateinteligente a unor pri selective complexe 3D

    prin consolidarea unor straturi succesive dematerial pudr, folosind energia termicfurnizat de o raz laser controlat iconcentrat de computer. Diferite mecanisme

    pot fi responsabile pentru consolidarea pudrei:sinterizarea fazei solide, sinterizarea fazeilichide, topirea parial sau complet.Avantajele competitive ale SLS/SLM suntlibertatea geometric, personalizarea iflexibilitate materialelor. Spre deosebire detehnicile de eliminare a unor materiale, forme

    complexe pot fi fabricate fr a fi nevoie de

    calcule instrumentale de lung durat, iarpudrele rmase neprelucrate pot fi refolosite.

    n ultimul deceniu, procesele de topireselectiv laser au dobndit o acceptare larg catehnici de prototipare rapid (RP). Multeaplicaii ar putea profita de aceast evoluiefolosind topirea selectiv laser nu numai pentruconceptul modelelor vizuale i a prototipurilorfuncionale, dar, de asemenea, pentru matrie,inserturi de pri funcionale finale cuconsisten pe termen lung. Pentru a transforma

    procesele de topire selectiv laser n tehnici deproducie pentru componentele reale, unelecondiii trebuie s fie ndeplinite. n primulrnd, cererile de fabricaie cresc preteniile

    privind materialele i proprietile lormecanice. Procesul trebuie s garantezecoerena pe tot ciclul de via al produsului. nal doilea rnd, precizia, rugozitatea suprafeeii posibilitatea de a fabrica componentegeometrice, cum ar fi suprafeele suspendate istructurile interne devin foarte important lafabricaie. n cele din urm, descoperirea

    proceselor SLM ca tehnici rapide de fabricaiedepind de fiabilitate, performana i aspecteleeconomice, cum ar fi timpul de producie icosturile.

    Lucrrile prezentate investigheaz dacprocesele de topire selectiv laser ndeplinescaceste cerine de fabricaie i ncearc s arateoportunitile fabricrii implanturilor metalice

    prin intermediul SLM (1).

    Fig.1 Procesul SLM (topire selectiva laser)

  • 7/30/2019 Fabricarea implanturilor prin topire selectiv laser

    2/6

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

    Procesul de topire selectiv laser (fig.1)ncepe cu un model complet definit CAD din

    partea care urmeaz s fie fcut. mprit nseciunile transversale de un software special,modelul este apoi direct utilizat n acest proces.Operaiunea esenial este trecerea unuifascicul laser peste suprafaa unui strat subire

    de pudr, anterior depozitat pe un substrat.Procesul de execuie merge de-a lunguldireciei de scanare a fascicolului laser. Fiecareseciune transversal (strat) al implantului estesecvenial completat cu noi straturi de praf topit(vectori). Calitatea unei piese produs prinaceast tehnologie depinde mult de calitateafiecrui vector i a fiecrui strat. Identificarea

    parametrilor optimi ai puterii i vitezeifascicolului laser de scanare este o sarcin

    esenial pentru c aceti parametrii sentmpl s fie cei mai influeni asupracaracteristicilor piesei (porozitate, duritatea i

    proprieti mecanice).

    2. Metoda i tehnologia topirii selective

    laser

    MTT cu tehnologi a topirii selective laser estecea a ununi proces de fabricaie adiionalcapabil s produc piese pe deplin dense demetal direct din modelul CAD 3D utiliznd unlaser de mare putere. Piesele sunt construitedintr-o gam de pulberi metalice fine care sunt

    pe topite ntr-o atmosfer bine controlat nstraturi cu grosimi variind de la 20 la 100microni.

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

    Mainile (fig.2) au fost proiectate pentrua uura utilizarea ntr-un mediu de fabricaie i

    pentru multiple utilizri, avnd o interfatouch screen i diverse opiuni de meniu pentru

    producie i curare. Sistemele MTT cu SLMau prelucrat o gam larg de materiale i nouazon nu este o excepie, dar cu beneficiilesuplimentare ale schimbrii rapide amaterialelor prin intermediul unui sistem de

    livrare a materialelor de tip caset; deosebit deutil n cazul n care sunt necesare dezvoltareanoilor materiale sau a unui nou produs.Capacitatea de a procesa n condiii desiguran reactiv materiale cum ar fi Titan ialuminiu este o caracteristic standard pemainile MTT SLM. n particular, prezenacuitului de gaz care ndeprteaz emisiilereactive de funingine i placa nclzitincorporat sunt premise pentru prelucrarea cusucces a materialelor.

    Pregtirea fiierelor este realizat off-lineprintr-o alegere de interfa, fie cu software-ulMarcam Autofab sau prin intermediul Magics

    Materialise Odat ce fiierul este completconstruit este ncrcat la main printr-o reeasecurizat sau o conexiune direct.

    Geometriile pot fi abordate cu un astfelde sistem complex, fiind create direct dinndatele 3D CAD, instalarea de software care

    permite punerea lor n aplicare prin adugareaunor straturi succesive de pudr (cu o grosimede aproximativ 20 microni / strat), apoi

    sinterizate. Este un proces de modelare avndca rezultat procesarea cu precizie i naltrezoluie a pieselor, cu suprafa de buncalitate i proprieti mecanice similare cu celeobinute prin procedee de turnareconvenionale.

    3. Materiale utilizate de echipamente SLM

    Materialele utilizate de echipamente SLMMCP Realizer sunt diverse, fiind clasificate noel, aliaje de titan, aliaje de cobalt i crom.Aplicaii ale acestor materiale pot fi n

    domeniul medical, industria aerospaial izonele industriale.

  • 7/30/2019 Fabricarea implanturilor prin topire selectiv laser

    3/6

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

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

    Pulberea de aliaj de titan Titan 6Al-7NBaliaj (UNS R56700), a fost conceput idezvoltat n 1977 de o echipa de cercetatori dela Gebruder Sulzer din Winterthur, Elveia.Obiectivul a fost de a crea un aliaj de titan

    pentru aplicaii i dispozitive medicale ichirurgicale, cu proprieti aproape identice cuATI Ti-6Al-4V, nlocuind niobiu pentruvanadiu ca elementul de stabilizare beta. Dupase ani de testare i evaluare, aliajul a fostintrodus de Sulzer-Protek ca Protasul 100 n1985, i a fost utilizat clinic din 1986. ATI Ti-6Al-7NB aliaj este utilizat pe scar larg nindustria dispozitivelor medicale, n primulrnd pentru aplicaii ortopedice, cum ar fi:sisteme de nlocuire de old, plci de fixare

    fractura, tije i cuie intermedulare, uruburi,dispozitive ale coloanei vertebrale i fire.

    Proprieti fizice (fig.3): -intervalul detopire: 1538-1649 C;

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

    C);

    -Modul de elasticitate: 105 GPa n soluiarecoapte condiie;-Aliaj ATI-7NB Ti-6Al este furnizat de

    obicei ca un produs de fabrica semi-finit nsoluia de retopire;

    -Temperatura: 704.4-732.2 C, 1 or, recede aer;

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

    Duritatea tipice n stare retopit este HRC30-34.

    Fig.3 Tabelul datelor tehnice, Company Ati Allvac SUA

    Deoarece tranziia beta i alte proprietiale aliajului ATI Ti-6Al-7NB sunt att deasemntoare cu cele ale aliajului ATI Ti-6Al-4V, condiiile de topire i forjare sunt, deasemenea, similare. ATI Ti-6Al-7NB aliaj

    poate fi forjatcomplet la temperaturi de la954.4 C, la 787.8 C. Reduceri minime de35% sunt recomandate pentru a obine

    proprieti optime. Formabilitatea aliajului ATITi-6Al-7NB este de aproximativ aceeai clasaca i a aliajului standard ATI Ti-6Al-4V.Aliajul ATI Ti-6Al-7NB poate fi prelucratfolosind practicile uzuale pentru oelurileinoxidabile, utiliznd viteze lente, feed-urigrele, scule rigid, precum i cantiti mari de

    lichid non-clorurate de achiere.Ca aliajele ATI Ti-6Al-4V ELI si Ti-6Al-4V, aliajul ATI Ti-6Al-7NB poate fi uor sudat

    n stare retopita. Msuri de precauie trebuie sfie luate pentru a preveni contaminarea cuoxigen, azot i hidrogen. Sudarea prin topire se

    poate face n camere de gaz inert sau prinsudare completa cu gaz inert a metalului topiti a zonelor adiacente nclzite cu ajutorul unuiscut suplimentar. La faa locului, mbinarea desudura si de flash poate fi efectuat fr arecurge la atmosfere de protecie.

    Aliajul ATI Ti-6Al-7NB poate fi supusela contaminarea pe baz de hidrogen n timpuldecapare necorespunztoare i prin preluare deoxigen, azot i de carbon n timpul forjrii,tratamentul termic, lipire, etc Aceastcontaminare duce la o deteriorare n ductilitate

    care ar putea afecta n mod negativcaracteristicile de sensibilitate i formarea decrestturi.

    87

  • 7/30/2019 Fabricarea implanturilor prin topire selectiv laser

    4/6

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

    Fig.4 Rezistena la coroziune i biocompatibiliti Allvac SUA

    Aceast diagram (fig.4) ilustreaz relaiadintre rezistena la polarizare i

    biocompatibilitile metalelor pure, aliajelor decobalt-crom i oel inoxidabil. Studii decoroziune n soluii saline sugereaz cvanadiul i fierul n aliaje de titan suntelemente solubile, n vreme ce oxizii de

    aluminiu i Niobiu sunt produse stabile iinsolubile (Al2O3, Nb2O5), ca i Titanul(TiO2). Acest strat protector pasive foarte densi stabil care se formeaz pe suprafee Ti-6Al-7Nb este motivul rezistenei mbuntite lacoroziune i biocompatibilitii mrite,comparativ cu ATI Ti-6Al-4V i aliaje ATI Ti-

    6Al-4V ELI. Oxidul de Niobiu (Nb2O5) dinstratul de suprafa este chimic mai stabil, mai

    puin solubil i mai biocompatibil dect oxidulde vanadiu (V2O5) gsit n straturi de suprafaTi 6-4.

    4. Applications of SLM technology

    Tehnologia topirii selective laser esteutilizat n aplicaii medicale i industriale. naplicaii medicale, porozitatea mare esteimportant pentru ca implantul s se ataezemai uor de masa muscular i n timp s sesuprapun cu cea a OS-ului implantat.

    Aplicatii stomatologice

    Fig.5 a) modele 3D, b) piese fabricate, c) proteze dentareO procedur complet digital este

    dezvoltat pentru proiectarea i fabricarea de

    cadre personalizate pentru proteze dentarecomplexe prin tehnici de topire selectiv laser a

    aliajelor de Titan sau cobalt-crom. Cadrul estestructura metalic pentru protez care sprijin

    dinii artificiali (fig.5).

    88

  • 7/30/2019 Fabricarea implanturilor prin topire selectiv laser

    5/6

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

    Un astfel de cadru este prins n uruburide implanturi orale plasate n maxilarul

    pacientului edentat.Procedura permite o fabricaie eficienti

    particularizat a acestor cadre complexe igaranteaz parametrii de precizie necesarioptimizrii procesului i a unei strategii de

    producie corespunztoare.Utilizatorii implanturilor ortopedicebeneficiaz semnificativ de capacitatea detopire selectiv laser n ortopedia medical

    pentru fabricarea de geometrii complexe i astructurilor din materiale de titan.

    La implanturile pacient-specifice n celedin urm, volumul produciei de implanturiortopedice dispunnd hibrid structurile itexturi; cu laser de topire are potenialul de adebloca capabiliti de fabricaie care combin

    forma liber i structurile zbrele complicatecare mbuntesc inseria osoas, ducnd larezultate mult mbuntite la pacient.

    Fig.6 Implant trabecular al maxilarului i plac de craniu dens

    n fig.6 sunt prezentate un implanturipacient-specifice din aliaje TiAl6Nb7, n acest

    caz, cu geometrii specifice, cu ncorporare de

    corpuri chirurgicale, OS structurate, cuintegrarea i mbinarea suprafeelor i

    potrivirea precis oase-implant.

    Fig.7 cu raze X, reconstrucie cu calculator tomografie i software-ul special

    Fig.7 arat un accident de alpinismsever, pacientul a primit un THR care a fostrevizuit de mai multe ori pn cnd o revizuiresuplimentar a fost imposibil. 3D X-ray itomografie computerizat au permis analizamduvei existente a pacientului. Au fost fcute

    modele geometrice. Au fost conceputeimplanturi care s se potriveasc osului existenti fixate prin uruburi. Rezultatele: eliminareaminim a structurii osoase sntoase ireducerea duratei de operaie.

    89

  • 7/30/2019 Fabricarea implanturilor prin topire selectiv laser

    6/6

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

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

    Aceast operaiune a fost fcut la RoyalHospital Perth (Australia) cu urmtorii pai:analiza i sterilizarea protezelor construite,

    pregtirea pacientului, nici o montare necesarn timpul funcionrii, din cauza particularizriiimplantului i inseriei cu urub fcute dinTiAl6Nb7. Avantajul acestor implanturi

    personalizate obinute prin SLM este dat de

    timpul operaie, care a fost redus la 2 h-3 h ncomparaie cu protezele standard.

    5. Concluzii

    Tehnica de topire selectiv laser estecaracterizat ca o tehnic rapid de fabricaie aimplanturilor medicale de titan si cobalt-crom.Parametrii procesului sunt optimizai pentru aminimiza porozitatea, care duce la piese cudensiti mai mari de 99.8% pentru TiAl6V4 i

    99,9% pentru CoCrMo. ncercri mecanicediferite au dovedit c piesele SLM satisfaccerinele privind proprietile mecanice precumduritate, rezisteni rigiditate. Testele chimicearat un comportament favorabil la coroziune.

    Pentru fabricarea de cadre specificepacientului pentru proteze dentare complexe,dovedete c SLM permite o producieeficient de piese medicale sau dentare cu un

    puternic potenial economic, fiind dezvoltat ometod digital de producie.

    Articolul prezent arat c implanturileosoase bioresorbable pot fi fabricate cu tehnicade topire selectiv laser (SLM). Procesul SLMa fost dezvoltat pentru a genera piese dense cuo distribuie omogen de compozite frschimbri majore n proprietile fizice ichimice ale materialelor. Pentru vascularizareaimplanturilor bioresorbable o structur poroasinterconectat este necesar. Folosind adiionaltehnologia de producie SLM, structuri poroase

    pot fi integrate n proiectarea implantului isunt introduse n pies.

    Aceste prime rezultate arat un marepotenial al structurilor poroase fabricate prinSLM pentru reconstrucia unor defecte osoasemari. Studii la scar mai mare trebuie s serealizeze pentru a confirma acest potenial.Folosind SLM o libertate mare de design alstructurii poroase interconectate este posibil sse realizeze i care deschide noi abordri pentru

    proiectarea unor canale poroase pentruvascularizarea optimizat a implanturilor.

    6. Bibliografie

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

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

    3. Adam T. Clare, Selective laser melting ofhigh aspect ratio 3D nickeltitanium

    structures two way trained for MEMSapplications, June 2007.

    4. I. Yadroitsev, Parametric analysis of theselective laser melting process, Ecole

    Nationale dIngenieurs de Saint-Etienne(ENISE), DIPI Laboratory, 2007.

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

    6. Cosma Sorin Cosmin, cond. Prof. dr. ing.Balc Nicolae, Lucrare de licentaFabricarea rapida a prototipurilor printopire selectiva cu laser, UniversitateaTehnica, Cluj-Napoca, 2009.

    7. Cosma Sorin Cosmin, cond. Prof. dr. ing.Balc Nicolae, Lucrare de dizertatieExperimental studies on titanium and steelalloy parts using selective laser meltingfabrication, Universitatea Tehnica, Cluj-

    Napoca, 2011.8. www.Allvac.com9. www.mtt-group.com