fabricarea implanturilor prin topire selectivã laser
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