Fabricarea implanturilor prin topire selectivă laser
Fabricarea implanturilor prin topire selectivă laser
Fabricarea implanturilor prin topire selectivă laser
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Balneo-Research Journal Vol.3, Nr.3, 2012<br />
<strong>Fabricarea</strong> <strong>implanturilor</strong> <strong>prin</strong> <strong>topire</strong> selectivã <strong>laser</strong><br />
Drd. Ing. Cosma Sorin Cosmin<br />
Technical University Cluj-Napoca, Faculty of Machine Building,<br />
Department of Manufacturing Technology<br />
Abstract<br />
În ultimii ani, digitizarea şi automatizarea<br />
au câştigat un loc important în fabricarea<br />
pieselor medicale. Prototipuri rapid obţinute ar<br />
putea fi foarte potrivite pentru aplicaţii<br />
medicale datoritã geometriei complexe,<br />
volumului redus şi individualizãrii puternice.<br />
Studiul prezentat investighează posibilitatea de<br />
a produce piese medicale sau dentare <strong>prin</strong><br />
Topire Selectivã Laser (SLM). Procesul de<br />
<strong>topire</strong> selectivã <strong>laser</strong> este optimizat şi pe deplin<br />
caracterizat pentru diferite aliaje de metale<br />
biocompatibile, cum ar fi: TiAl6V4 şi<br />
CoCrMo. Potenţialul SLM ca tehnicã de<br />
fabricare a <strong>implanturilor</strong> medicale se dovedeşte<br />
<strong>prin</strong> procedura de fabricare a cadrelor pentru<br />
proteze dentare complexe.<br />
1. Introducere<br />
Tehnicile de <strong>topire</strong> selectivã <strong>laser</strong> permit<br />
generarea de materiale multistratificate<br />
inteligente a unor părţi selective complexe 3D<br />
<strong>prin</strong> consolidarea unor straturi succesive de<br />
material pudră, folosind energia termică<br />
furnizată de o razã <strong>laser</strong> controlatã şi<br />
concentratã de computer. Diferite mecanisme<br />
pot fi responsabile pentru consolidarea pudrei:<br />
sinterizarea fazei solide, sinterizarea fazei<br />
lichide, <strong>topire</strong>a parţială sau completă.<br />
Avantajele competitive ale SLS/SLM sunt<br />
libertatea geometricã, personalizarea şi<br />
flexibilitate materialelor. Spre deosebire de<br />
tehnicile de eliminare a unor materiale, forme<br />
Fig.1 Procesul SLM (<strong>topire</strong> selectiva <strong>laser</strong>)<br />
complexe pot fi fabricate fără a fi nevoie de<br />
calcule instrumentale de lungă durată, iar<br />
pudrele rămase neprelucrate pot fi refolosite.<br />
În ultimul deceniu, procesele de <strong>topire</strong><br />
selectivã <strong>laser</strong> au dobândit o acceptare largă ca<br />
tehnici de prototipare rapidã (RP). Multe<br />
aplicaţii ar putea profita de această evoluţie<br />
folosind <strong>topire</strong>a selectivã <strong>laser</strong> nu numai pentru<br />
conceptul modelelor vizuale şi a prototipurilor<br />
funcţionale, dar, de asemenea, pentru matriţe,<br />
inserturi de părţi funcţionale finale cu<br />
consistenţă pe termen lung. Pentru a transforma<br />
procesele de <strong>topire</strong> selectivã <strong>laser</strong> în tehnici de<br />
producţie pentru componentele reale, unele<br />
condiţii trebuie să fie îndeplinite. În primul<br />
rând, cererile de fabricaţie cresc pretenţiile<br />
privind materialele şi proprietăţile lor<br />
mecanice. Procesul trebuie să garanteze<br />
coerenţa pe tot ciclul de viaţă al produsului. În<br />
al doilea rând, precizia, rugozitatea suprafeţei<br />
şi posibilitatea de a fabrica componente<br />
geometrice, cum ar fi suprafeţele suspendate şi<br />
structurile interne devin foarte important la<br />
fabricaţie. În cele din urmă, descoperirea<br />
proceselor SLM ca tehnici rapide de fabricaţie<br />
depind de fiabilitate, performanţa şi aspectele<br />
economice, cum ar fi timpul de producţie şi<br />
costurile.<br />
Lucrările prezentate investighează dacă<br />
procesele de <strong>topire</strong> selectivã <strong>laser</strong> îndeplinesc<br />
aceste cerinţe de fabricaţie şi încearcă să arate<br />
oportunităţile fabricãrii <strong>implanturilor</strong> metalice<br />
<strong>prin</strong> intermediul SLM (1).
Balneo-Research Journal Vol.3, Nr.3, 2012<br />
Procesul de <strong>topire</strong> selectivã <strong>laser</strong> (fig.1)<br />
începe cu un model complet definit CAD din<br />
partea care urmează să fie făcutã. Împărţit în<br />
secţiunile transversale de un software special,<br />
modelul este apoi direct utilizat în acest proces.<br />
Operaţiunea esenţialã este trecerea unui<br />
fascicul <strong>laser</strong> peste suprafaţa unui strat subţire<br />
de pudrã, anterior depozitat pe un substrat.<br />
Procesul de execuţie merge de-a lungul<br />
direcţiei de scanare a fascicolului <strong>laser</strong>. Fiecare<br />
secţiune transversală (strat) al implantului este<br />
secvenţial completat cu noi straturi de praf topit<br />
(vectori). Calitatea unei piese produsă <strong>prin</strong><br />
această tehnologie depinde mult de calitatea<br />
fiecãrui vector şi a fiecãrui strat. Identificarea<br />
parametrilor optimi ai puterii şi vitezei<br />
fascicolului <strong>laser</strong> de scanare este o sarcină<br />
esenţială pentru că aceşti parametrii se<br />
întâmplă să fie cei mai influenţi asupra<br />
caracteristicilor piesei (porozitate, duritatea şi<br />
proprietăţi mecanice).<br />
2. Metoda şi tehnologia topirii selective<br />
<strong>laser</strong><br />
MTT cu tehnologi a topirii selective <strong>laser</strong> este<br />
cea a ununi proces de fabricaţie adiţional<br />
capabil să producă piese pe deplin dense de<br />
metal direct din modelul CAD 3D utilizând un<br />
<strong>laser</strong> de mare putere. Piesele sunt construite<br />
dintr-o gamă de pulberi metalice fine care sunt<br />
pe topite într-o atmosferă bine controlată în<br />
straturi cu grosimi variind de la 20 la 100<br />
microni.<br />
Figura 2 MTT Realizer SLM 250, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca<br />
Maşinile (fig.2) au fost proiectate pentru<br />
a uşura utilizarea într-un mediu de fabricaţie şi<br />
pentru multiple utilizãri, având o interfaţã<br />
touch screen şi diverse opţiuni de meniu pentru<br />
producţie şi curãţare. Sistemele MTT cu SLM<br />
au prelucrat o gamã largă de materiale şi noua<br />
zonă nu este o excepţie, dar cu beneficiile<br />
suplimentare ale schimbãrii rapide a<br />
materialelor <strong>prin</strong> intermediul unui sistem de<br />
livrare a materialelor de tip casetă; deosebit de<br />
util în cazul în care sunt necesare dezvoltarea<br />
noilor materiale sau a unui nou produs.<br />
Capacitatea de a procesa în condiţii de<br />
siguranţă reactivă materiale cum ar fi Titan şi<br />
aluminiu este o caracteristică standard pe<br />
maşinile MTT SLM. În particular, prezenţa<br />
cuţitului de gaz care îndepãrteazã emisiile<br />
reactive de funingine şi placa încălzită<br />
incorporatã sunt premise pentru prelucrarea cu<br />
succes a materialelor.<br />
Pregãtirea fişierelor este realizatã off-line<br />
<strong>prin</strong>tr-o alegere de interfaţă, fie cu software-ul<br />
Marcam Autofab sau <strong>prin</strong> intermediul Magics<br />
Materialise Odată ce fişierul este complet<br />
construit este încărcat la maşină <strong>prin</strong>tr-o reţea<br />
securizată sau o conexiune directă.<br />
Geometriile pot fi abordate cu un astfel<br />
de sistem complex, fiind create direct dinn<br />
datele 3D CAD, instalarea de software care<br />
permite punerea lor în aplicare <strong>prin</strong> adăugarea<br />
unor straturi succesive de pudrã (cu o grosime<br />
de aproximativ 20 microni / strat), apoi<br />
sinterizate. Este un proces de modelare având<br />
ca rezultat procesarea cu precizie şi înaltă<br />
rezoluţie a pieselor, cu suprafaţă de bună<br />
calitate şi proprietăţi mecanice similare cu cele<br />
obţinute <strong>prin</strong> procedee de turnare<br />
convenţionale.<br />
3. Materiale utilizate de echipamente SLM<br />
Materialele utilizate de echipamente SLM<br />
MCP Realizer sunt diverse, fiind clasificate în<br />
oţel, aliaje de titan, aliaje de cobalt şi crom.<br />
Aplicaţii ale acestor materiale pot fi în<br />
domeniul medical, industria aerospaţială şi<br />
zonele industriale.
Balneo-Research Journal Vol.3, Nr.3, 2012<br />
Voi prezenta caracteristici fizice, chimice<br />
şi speciale ale diferitelor aliaje din titan.<br />
Pulberea de aliaj de titan Titan 6Al-7NB<br />
aliaj (UNS R56700), a fost conceput şi<br />
dezvoltatã în 1977 de o echipa de cercetatori de<br />
la Gebruder Sulzer din Winterthur, Elveţia.<br />
Obiectivul a fost de a crea un aliaj de titan<br />
pentru aplicaţii şi dispozitive medicale şi<br />
chirurgicale, cu proprietãţi aproape identice cu<br />
ATI Ti-6Al-4V, înlocuind niobiu pentru<br />
vanadiu ca elementul de stabilizare beta. După<br />
şase ani de testare şi evaluare, aliajul a fost<br />
introdus de Sulzer-Protek ca Protasul 100 în<br />
1985, şi a fost utilizat clinic din 1986. ATI Ti-<br />
6Al-7NB aliaj este utilizat pe scară largă în<br />
industria dispozitivelor medicale, în primul<br />
rând pentru aplicaţii ortopedice, cum ar fi:<br />
sisteme de înlocuire de şold, plăci de fixare<br />
fractura, tije şi cuie intermedulare, şuruburi,<br />
dispozitive ale coloanei vertebrale şi fire.<br />
Proprietăţi fizice (fig.3): -intervalul de<br />
<strong>topire</strong>: 1538-1649 ° C;<br />
-Densitate: 0.163 kg / CU. inci;<br />
-Beta Temperatura Transus: 1010 ° C (± 15<br />
° C);<br />
-Modul de elasticitate: 105 GPa în soluţia<br />
recoapte condiţie;<br />
-Aliaj ATI-7NB Ti-6Al este furnizat de<br />
obicei ca un produs de fabrica semi-finit în<br />
soluţia de re<strong>topire</strong>;<br />
-Temperatura: 704.4-732.2 ° C, 1 oră, rece<br />
de aer;<br />
-Reducerea stresului: 482.2-648.9 ° C, 1<br />
oră, aerul rece.<br />
Duritatea tipice în stare retopită este HRC<br />
30-34.<br />
Fig.3 Tabelul datelor tehnice, Company Ati Allvac SUA<br />
Deoarece tranziţia beta şi alte proprietăţi<br />
ale aliajului ATI Ti-6Al-7NB sunt atât de<br />
asemănătoare cu cele ale aliajului ATI Ti-6Al-<br />
4V, condiţiile de <strong>topire</strong> şi forjare sunt, de<br />
asemenea, similare. ATI Ti-6Al-7NB aliaj<br />
poate fi forjatcomplet la temperaturi de la<br />
954.4 ° C, la 787.8 ° C. Reduceri minime de<br />
35% sunt recomandate pentru a obţine<br />
proprietăţi optime. Formabilitatea aliajului ATI<br />
Ti-6Al-7NB este de aproximativ aceeaşi clasa<br />
ca şi a aliajului standard ATI Ti-6Al-4V.<br />
Aliajul ATI Ti-6Al-7NB poate fi prelucrat<br />
folosind practicile uzuale pentru oţelurile<br />
inoxidabile, utilizând viteze lente, feed-uri<br />
grele, scule rigidă, precum şi cantitãţi mari de<br />
lichid non-clorurate de aşchiere.<br />
Ca aliajele ATI Ti-6Al-4V ELI si Ti-6Al-<br />
4V, aliajul ATI Ti-6Al-7NB poate fi uşor sudat<br />
în stare retopita. Măsuri de precauţie trebuie să<br />
fie luate pentru a preveni contaminarea cu<br />
oxigen, azot şi hidrogen. Sudarea <strong>prin</strong> <strong>topire</strong> se<br />
poate face în camere de gaz inert sau <strong>prin</strong><br />
sudare completa cu gaz inert a metalului topit<br />
şi a zonelor adiacente încălzite cu ajutorul unui<br />
scut suplimentar. La faţa locului, îmbinarea de<br />
sudura si de flash poate fi efectuată fără a<br />
recurge la atmosfere de protecţie.<br />
Aliajul ATI Ti-6Al-7NB poate fi supuse<br />
la contaminarea pe bază de hidrogen în timpul<br />
decapare necorespunzătoare şi <strong>prin</strong> preluare de<br />
oxigen, azot şi de carbon în timpul forjãrii,<br />
tratamentul termic, lipire, etc Aceastã<br />
contaminare duce la o deteriorare în ductilitate<br />
care ar putea afecta în mod negativ<br />
caracteristicile de sensibilitate şi formarea de<br />
crestături.<br />
87
Balneo-Research Journal Vol.3, Nr.3, 2012<br />
Fig.4 Rezistenţa la coroziune şi biocompatibilitãţi Allvac SUA<br />
Această diagramă (fig.4) ilustrează relaţia<br />
dintre rezistenţa la polarizare şi<br />
biocompatibilităţile metalelor pure, aliajelor de<br />
cobalt-crom şi oţel inoxidabil. Studii de<br />
coroziune în soluţii saline sugerează că<br />
vanadiul şi fierul în aliaje de titan sunt<br />
elemente solubile, în vreme ce oxizii de<br />
aluminiu şi Niobiu sunt produse stabile şi<br />
insolubile (Al2O3, Nb2O5), ca şi Titanul<br />
(TiO2). Acest strat protector pasive foarte dens<br />
şi stabil care se formează pe suprafeţe Ti-6Al-<br />
7Nb este motivul rezistenţei îmbunătăţite la<br />
coroziune şi biocompatibilităţii mãrite,<br />
comparativ cu ATI Ti-6Al-4V şi aliaje ATI Ti-<br />
Aplicatii stomatologice<br />
Fig.5 a) modele 3D, b) piese fabricate, c) proteze dentare<br />
O procedură complet digitalã este<br />
dezvoltatã pentru proiectarea şi fabricarea de<br />
cadre personalizate pentru proteze dentare<br />
complexe <strong>prin</strong> tehnici de <strong>topire</strong> selectivã <strong>laser</strong> a<br />
88<br />
6Al-4V ELI. Oxidul de Niobiu (Nb2O5) din<br />
stratul de suprafaţă este chimic mai stabil, mai<br />
puţin solubil şi mai biocompatibil decât oxidul<br />
de vanadiu (V2O5) găsit în straturi de suprafaţă<br />
Ti 6-4.<br />
4. Applications of SLM technology<br />
Tehnologia topirii selective <strong>laser</strong> este<br />
utilizatã în aplicaţii medicale şi industriale. În<br />
aplicaţii medicale, porozitatea mare este<br />
importantã pentru ca implantul să se ataşeze<br />
mai uşor de masa muscularã şi în timp să se<br />
suprapună cu cea a OS-ului implantat.<br />
aliajelor de Titan sau cobalt-crom. Cadrul este<br />
structura metalicã pentru proteză care sprijină<br />
dinţii artificiali (fig.5).
Balneo-Research Journal Vol.3, Nr.3, 2012<br />
Un astfel de cadru este <strong>prin</strong>s în şuruburi<br />
de implanturi orale plasate în maxilarul<br />
pacientului edentat.<br />
Procedura permite o fabricaţie eficientă şi<br />
particularizatã a acestor cadre complexe şi<br />
garantează parametrii de precizie necesari<br />
optimizãrii procesului şi a unei strategii de<br />
producţie corespunzătoare.<br />
Utilizatorii <strong>implanturilor</strong> ortopedice<br />
beneficiază semnificativ de capacitatea de<br />
<strong>topire</strong> selectivã <strong>laser</strong> în ortopedia medicalã<br />
pentru fabricarea de geometrii complexe şi a<br />
structurilor din materiale de titan.<br />
La implanturile pacient-specifice în cele<br />
din urmă, volumul producţiei de implanturi<br />
ortopedice dispunând hibrid structurile şi<br />
texturi; cu <strong>laser</strong> de <strong>topire</strong> are potenţialul de a<br />
debloca capabilităţi de fabricaţie care combină<br />
forma liberă şi structurile zăbrele complicate<br />
care îmbunătăţesc inserţia osoasã, ducând la<br />
rezultate mult îmbunătăţite la pacient.<br />
Fig.6 Implant trabecular al maxilarului şi placă de craniu dens<br />
În fig.6 sunt prezentate un implanturi<br />
pacient-specifice din aliaje TiAl6Nb7, în acest<br />
caz, cu geometrii specifice, cu încorporare de<br />
corpuri chirurgicale, OS structurate, cu<br />
integrarea şi îmbinarea suprafeţelor şi<br />
potrivirea precisã oase-implant.<br />
Fig.7 cu raze X, reconstrucţie cu calculator tomografie şi software-ul special<br />
Fig.7 arată un accident de alpinism<br />
sever, pacientul a primit un THR care a fost<br />
revizuit de mai multe ori până când o revizuire<br />
suplimentarã a fost imposibilã. 3D X-ray şi<br />
tomografie computerizatã au permis analiza<br />
măduvei existente a pacientului. Au fost făcute<br />
modele geometrice. Au fost concepute<br />
implanturi care sã se potriveascã osului existent<br />
şi fixate <strong>prin</strong> şuruburi. Rezultatele: eliminarea<br />
minimă a structurii osoase sănătoase şi<br />
reducerea duratei de operaţie.<br />
89
Balneo-Research Journal Vol.3, Nr.3, 2012<br />
Fig.8 Implant fabricat, caz chirurgical la Royal Perth Hospital, Australia<br />
Această operaţiune a fost făcut la Royal<br />
Hospital Perth (Australia) cu următorii paşi:<br />
analiza şi sterilizarea protezelor construite,<br />
pregătirea pacientului, nici o montare necesarã<br />
în timpul funcţionării, din cauza particularizãrii<br />
implantului şi inserţiei cu şurub făcute din<br />
TiAl6Nb7. Avantajul acestor implanturi<br />
personalizate obţinute <strong>prin</strong> SLM este dat de<br />
timpul operaţie, care a fost redus la 2 h-3 h în<br />
comparaţie cu protezele standard.<br />
5. Concluzii<br />
Tehnica de <strong>topire</strong> <strong>selectivă</strong> <strong>laser</strong> este<br />
caracterizatã ca o tehnicã rapidă de fabricaţie a<br />
<strong>implanturilor</strong> medicale de titan si cobalt-crom.<br />
Parametrii procesului sunt optimizaţi pentru a<br />
minimiza porozitatea, care duce la piese cu<br />
densităţi mai mari de 99.8% pentru TiAl6V4 şi<br />
99,9% pentru CoCrMo. Încercări mecanice<br />
diferite au dovedit că piesele SLM satisfac<br />
cerinţele privind proprietăţile mecanice precum<br />
duritate, rezistenţă şi rigiditate. Testele chimice<br />
arată un comportament favorabil la coroziune.<br />
Pentru fabricarea de cadre specifice<br />
pacientului pentru proteze dentare complexe,<br />
dovedeşte că SLM permite o producţie<br />
eficientă de piese medicale sau dentare cu un<br />
puternic potenţial economic, fiind dezvoltată o<br />
metodă digitală de producţie.<br />
Articolul prezent arată că implanturile<br />
osoase bioresorbable pot fi fabricate cu tehnica<br />
de <strong>topire</strong> <strong>selectivă</strong> <strong>laser</strong> (SLM). Procesul SLM<br />
a fost dezvoltat pentru a genera piese dense cu<br />
o distribuţie omogenã de compozite fără<br />
schimbări majore în proprietăţile fizice şi<br />
chimice ale materialelor. Pentru vascularizarea<br />
<strong>implanturilor</strong> bioresorbable o structură poroasă<br />
interconectatã este necesarã. Folosind adiţional<br />
tehnologia de producţie SLM, structuri poroase<br />
pot fi integrate în proiectarea implantului şi<br />
sunt introduse în piesã.<br />
Aceste prime rezultate arată un mare<br />
potenţial al structurilor poroase fabricate <strong>prin</strong><br />
SLM pentru reconstrucţia unor defecte osoase<br />
mari. Studii la scarã mai mare trebuie să se<br />
realizeze pentru a confirma acest potenţial.<br />
Folosind SLM o libertate mare de design al<br />
structurii poroase interconectate este posibil sã<br />
se realizeze şi care deschide noi abordări pentru<br />
proiectarea unor canale poroase pentru<br />
vascularizarea optimizatã a <strong>implanturilor</strong>.<br />
6. Bibliografie<br />
1. Balc N., From CAD an RP to innovative<br />
manufacturing, septembrie 2004.<br />
2. Clint Atwood, Manufacturing advances,<br />
applications and challenges, Capitolul 3,<br />
2005.<br />
3. Adam T. Clare, Selective <strong>laser</strong> melting of<br />
high aspect ratio 3D nickel–titanium<br />
structures two way trained for MEMS<br />
applications, June 2007.<br />
4. I. Yadroitsev, Parametric analysis of the<br />
selective <strong>laser</strong> melting process, Ecole<br />
Nationale d’Inge´nieurs de Saint-Etienne<br />
(ENISE), DIPI Laboratory, 2007.<br />
5. Edson Costa Santos, Rapid manufacturing of<br />
metal components by <strong>laser</strong> forming,<br />
Department of Mechanical Science and<br />
Bioengineering, Osaka University, Japonia,<br />
2004.<br />
6. Cosma Sorin Cosmin, cond. Prof. dr. ing.<br />
Balc Nicolae, Lucrare de licenta<br />
“<strong>Fabricarea</strong> rapida a prototipurilor <strong>prin</strong><br />
<strong>topire</strong> selectiva cu <strong>laser</strong>”, Universitatea<br />
Tehnica, Cluj-Napoca, 2009.<br />
7. Cosma Sorin Cosmin, cond. Prof. dr. ing.<br />
Balc Nicolae, Lucrare de dizertatie<br />
“Experimental studies on titanium and steel<br />
alloy parts using selective <strong>laser</strong> melting<br />
fabrication”, Universitatea Tehnica, Cluj-<br />
Napoca, 2011.<br />
8. www.Allvac.com<br />
9. www.mtt-group.com