02.07.2013 Views

Fabricarea implanturilor prin topire selectivă laser

Fabricarea implanturilor prin topire selectivă laser

Fabricarea implanturilor prin topire selectivă laser

SHOW MORE
SHOW LESS

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

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!