Luận án: Chế tạo hợp kim NiTi xốp tùy chỉnh độ cứng bằng in 3D bởi Jason M. Walker
In 3D hợp kim NiTi xốp tùy chỉnh độ cứng. Tối ưu hóa cấu trúc vi mô cho ứng dụng y sinh và cơ khí chính xác.
Luan An
Luận án tiến sĩ
Năm xuất bản
Số trang
180
Thời gian đọc
27 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- 1. Tổng quan in 3D kim loại SLM LPBF cho hợp kim NiTi
- Số trang:
- 180 trang
- Trường:
- The University of Toledo
- Chuyên ngành:
- Biomedical Engineering
- Tác giả:
- Jason M. Walker
- Năm:
- 2014
Tóm tắt nội dung luận án
I. Tổng quan in 3D kim loại SLM LPBF cho hợp kim NiTi
In 3D kim loại SLM LPBF mở ra bước đột phá mới cho ngành luyện kim và y sinh. Công nghệ này sử dụng chùm tia laser hội tụ cao. Tia laser làm nóng chảy chọn lọc từng lớp bột kim loại theo mô hình số hóa. Phương pháp tạo hình trực tiếp chi tiết phức tạp từ dạng bột. Hợp kim nhớ hình Nitinol là vật liệu kim loại thông minh có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Vật liệu sở hữu tính siêu đàn hồi vượt trội. Độ tương thích sinh học của hợp kim đạt mức xuất sắc. Gia công Nitinol nguyên khối bằng phương pháp cắt gọt truyền thống gặp nhiều trở ngại. Độ bền mài mòn cao làm mòn dao cụ nhanh chóng. Độ đàn hồi lớn gây biến dạng phôi khi gia công cơ khí. Công nghệ in 3D laser giải quyết triệt để các rào cản này. Quy trình sản xuất diễn ra liền mạch. Sản phẩm sau in đạt độ chính xác hình học cao. Giải pháp in bồi đắp cho phép tạo ra các chi tiết xốp tùy chỉnh. Độ rỗng của cấu trúc được lập trình trước với độ tin cậy tuyệt đối.
1.1. Công nghệ SLM và tiềm năng in hợp kim nhớ hình Nitinol
Công nghệ in 3D kim loại SLM LPBF mang lại khả năng định hình vật liệu chính xác ở cấp độ micromet. Thiết bị quét tia laser trên lớp bột hợp kim nhớ hình Nitinol với tốc độ cao. Nhiệt độ cục bộ tức thời làm chảy hoàn toàn hạt kim loại. Quá trình đông đặc diễn ra nhanh chóng. Cấu trúc tinh thể vi mô được thiết lập ngay trong buồng in. Hợp kim Nitinol chứa tỷ lệ niken và titan tương đương. Vật liệu duy trì hai đặc tính nổi bật: hiệu ứng nhớ hình và siêu đàn hồi. Các đặc tính cơ lý phụ thuộc chặt chẽ vào tổ chức pha tinh thể. Quá trình in laser bảo toàn các tính năng cốt lõi này nếu thông số được kiểm soát chặt chẽ. Cấu trúc in ra có mật độ vật liệu đồng nhất. Tiềm năng ứng dụng bao gồm dụng cụ phẫu thuật, stent mạch máu và khớp nhân tạo. Khả năng in tự do giúp giảm thiểu đáng kể thời gian chuyển đổi từ thiết kế CAD sang sản phẩm thực tế.
1.2. Khắc phục hạn chế của các phương pháp gia công cũ
Gia công cắt gọt hợp kim Nitinol truyền thống tiêu tốn nhiều chi phí dụng cụ. Tính dẻo dai và hiện tượng biến cứng bề mặt gây mòn dao cụ nhanh. Phương pháp đúc thông thường cũng gặp nhiều hạn chế về kiểm soát bọt khí và độ chính xác rãnh rỗng. Ngược lại, kỹ thuật in 3D kim loại SLM LPBF hoàn toàn loại bỏ nhu cầu sử dụng khuôn mẫu đắt đỏ. Quy trình in laser giảm đáng kể lượng vật liệu hao phí trong sản xuất. Các kênh dẫn bên trong và cấu trúc vi mô xốp được tạo hình trực tiếp. Khả năng sản xuất cá thể hóa theo hồ sơ bệnh án trở nên khả thi. Từng bộ cấy ghép có thể điều chỉnh theo giải phẫu của từng bệnh nhân. Thời gian chế tạo sản phẩm mẫu được rút ngắn rõ rệt. Nhờ đó, hiệu quả kinh tế và độ an toàn của sản phẩm hoàn thiện được nâng cao đáng kể.
II. Tối ưu hóa thông số in 3D chế tạo hợp kim NiTi xốp
Quá trình in 3D kim loại SLM LPBF đòi hỏi sự kiểm soát nghiêm ngặt các thông số công nghệ. Chất lượng chi tiết in phụ thuộc trực tiếp vào mật độ năng lượng thể tích của chùm laser. Các thông số chính gồm công suất laser, vận tốc quét tia, khoảng cách vạch quét và chiều dày lớp bột. Việc lựa chọn thông số không chuẩn xác sẽ gây ra các khuyết tật cấu trúc nghiêm trọng. Năng lượng quá thấp dẫn đến hiện tượng thiếu nóng chảy hạt bột. Năng lượng quá cao gây bốc hơi kim loại và hình thành lỗ khí dạng lỗ khóa. Nghiên cứu thực nghiệm xác lập dải thông số tối ưu giúp giảm thiểu tối đa độ xốp không mong muốn trong phần khung kim loại đặc. Độ đặc chắc của thanh giằng đạt trên 99%. Sản phẩm hoàn thiện đạt độ bền cơ học cao và tính ổn định kích thước vượt trội.
2.1. Phân tích vệt quét đơn và tối ưu hóa năng lượng laser
Phân tích vệt quét đơn là bước cơ bản đầu tiên trong việc làm chủ quy trình in laser. Một vệt quét ổn định cần có độ liên tục cao và bề rộng đồng đều. Hình thái vũng chảy phản ánh sự tương tác giữa chùm tia laser và lớp bột kim loại. Vận tốc quét cần tương thích hoàn toàn với công suất nguồn phát. Sự mất ổn định dòng chảy mao dẫn sẽ dẫn đến hiện tượng vón cục kim loại balling. Hiện tượng này làm bề mặt thô ráp và giảm độ bám dính giữa các lớp in liên tiếp. Việc tinh chỉnh công suất và vận tốc giúp ổn định độ sâu thấu của vũng hàn. Khoảng cách giữa các đường quét kế tiếp được thiết lập để đảm bảo độ chồng lấn hợp lý. Mật độ năng lượng chuẩn xác mang lại cấu trúc tinh thể mịn và hạn chế nứt nhiệt tế vi.
2.2. Kiểm soát sự bay hơi Niken và độ tinh khiết hóa học
Nhiệt độ cực cao tại tâm vũng chảy laser có thể làm bay hơi chọn lọc nguyên tố Niken. Điểm sôi của Niken thấp hơn Titanium trong điều kiện áp suất phòng in. Sự sụt giảm hàm lượng Niken dù rất nhỏ cũng làm thay đổi mạnh nhiệt độ chuyển pha của vật liệu. Cứ giảm 0.1% nguyên tử Ni, nhiệt độ chuyển pha có thể tăng thêm 10 độ C. Do đó, kiểm soát năng lượng nhiệt là điều kiện bắt buộc để bảo toàn thành phần hợp kim danh định. Ngoài ra, sự xâm nhập của oxy và nitơ từ môi trường khí bảo vệ cần được loại bỏ triệt để. Buồng in phải duy trì môi trường khí Argon có độ tinh khiết cao. Hàm lượng oxy hấp thụ thấp giúp ngăn ngừa giòn hóa vật liệu. Cấu trúc sau in giữ vững độ dẻo dai và khả năng biến dạng đàn hồi phục hồi hoàn toàn.
III. Kiểm soát độ xốp mở và tùy biến mô đun đàn hồi NiTi
Kiểm soát độ xốp mở và kích thước lỗ xốp là trọng tâm trong chế tạo vật liệu cấy ghép xương. Cấu trúc mạng xốp lattice TPMS mang lại diện tích bề mặt riêng lớn và sự phân bố ứng suất đồng đều. Bằng phần mềm CAD hiện đại, kỹ sư có thể tạo ra các tế bào mạng không gian tuần hoàn với độ xốp từ 30% đến 70%. Công nghệ in bồi đắp chuyển đổi chính xác các mô hình số này thành cấu trúc kim loại thực tế. Sự thay đổi tỷ lệ thể tích rỗng cho phép tùy biến mô đun đàn hồi Young của hợp kim Nitinol. Mô đun đàn hồi có thể giảm từ mức 50-70 GPa của dạng đặc xuống mức 2-20 GPa. Dải giá trị này tương thích hoàn toàn với mô đun đàn hồi của xương người. Các mao quản rỗng liên thông tạo điều kiện cho tế bào sống bám dính và phát triển mạnh mẽ.
3.1. Thiết kế cấu trúc mạng xốp lattice TPMS bằng CAD
Mô hình toán học mặt tối thiểu tuần hoàn ba chiều TPMS tạo nên cấu trúc xốp có độ trơn nhẵn cao. Các bề mặt dạng Gyroid, Diamond hay Schwarz P không chứa các góc nhọn hay mối nối tập trung ứng suất. Điều này giúp tăng cường độ bền mỏi dưới tải trọng chu kỳ sinh học. Kỹ thuật thiết kế CAD cho phép điều chỉnh độc lập kích thước tế bào cơ sở và độ dày thành xốp. Nhờ đó, độ xốp tổng thể và độ mở của hệ thống mao dẫn được lập trình chính xác. Cấu trúc in ra có tính đẳng hướng hoặc dị hướng tùy theo yêu cầu chịu lực giải phẫu. Dữ liệu CAD được cắt lớp trực tiếp để điều khiển nguồn laser. Kết quả tạo nên mạng xốp kim loại có độ đồng nhất hình học cao và không có khuyết tật cục bộ.
3.2. Tùy biến mô đun đàn hồi Young chống che chắn ứng suất
Xương vỏ của con người có mô đun đàn hồi Young dao động trong khoảng từ 10 đến 30 GPa. Xương xốp chỉ đạt mức từ 0.1 đến 4.5 GPa. Các kim loại cấy ghép truyền thống như Titan đặc hay thép không gỉ có độ cứng quá cao, từ 110 đến 200 GPa. Chênh lệch độ cứng này cản trở quá trình truyền tải lực tự nhiên lên xương. Với giải pháp in 3D cấu trúc xốp, việc tùy biến mô đun đàn hồi Young của hợp kim Nitinol trở nên dễ dàng. Độ xốp tăng làm giảm độ cứng biểu kiến của cấu trúc một cách tuyến tính hoặc phi tuyến. Mức độ đàn hồi có thể hạ thấp xuống tương đương với mô xương xung quanh. Nhờ vậy, hiện tượng tiêu xương do bất tương thích cơ học được hạn chế triệt để, đảm bảo tính ổn định lâu dài.
3.3. Tối ưu độ xốp mở và kích thước lỗ xốp cho cấy ghép
Độ xốp mở và kích thước lỗ xốp đóng vai trò quyết định đến sự thẩm thấu của dịch cơ thể. Kích thước lỗ xốp lý tưởng cho sự phát triển của mô xương nằm trong khoảng từ 200 đến 800 micromet. Lỗ xốp quá nhỏ dưới 100 micromet sẽ cản trở dòng chảy của chất dinh dưỡng và oxy. Lỗ xốp quá lớn vượt quá 1000 micromet làm suy giảm nghiêm trọng độ bền cơ học của vật liệu. Các kênh rỗng liên thông hoàn toàn tạo đường dẫn cho mạch máu tân tạo xâm nhập vào sâu trong lõi. Tế bào tạo xương bám dính chặt trên bề mặt thanh giằng xốp. Quá trình vận chuyển chất thải chuyển hóa diễn ra liên tục và thông suốt. Thiết kế độ xốp tối ưu mang lại sự cân bằng hoàn hảo giữa khả năng chịu lực cơ học và hoạt tính sinh học.
IV. Ứng dụng hợp kim NiTi xốp làm vật liệu cấy ghép y sinh
Hợp kim nhớ hình Nitinol dạng xốp khẳng định vị thế vượt trội trong nhóm vật liệu cấy ghép y sinh chỉnh hình. Khả năng kết hợp giữa siêu đàn hồi và cấu trúc rỗng mang lại lợi thế độc nhất. Vật liệu đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu khắt khe của phẫu thuật thay thế xương và chỉnh hình cột sống. Cấy ghép thông thường bằng kim loại đặc dễ gây đau đớn và lỏng lẻo khớp sau nhiều năm sử dụng. Hợp kim NiTi xốp giải quyết triệt để các vấn đề lâm sàng này. Vật liệu phân phối lại tải trọng cơ học một cách tự nhiên lên mô sống. Tính tương thích sinh học cao của màng oxit titan bề mặt bảo vệ cơ thể khỏi sự ăn mòn. Tỷ lệ thành công của các ca cấy ghép phức tạp được nâng cao rõ rệt.
4.1. Khắc phục hiệu ứng che chắn ứng suất stress shielding
Hiệu ứng che chắn ứng suất stress shielding là nguyên nhân chính gây thất bại ở các ca cấy ghép kim loại truyền thống. Khi một khớp cấy ghép quá cứng tiếp nhận toàn bộ tải trọng, xương xung quanh bị giải phóng lực ép cơ học. Theo định luật Wolff, xương không chịu lực sẽ dần suy thoái, giảm mật độ khoáng và teo biến. Tình trạng này dẫn đến lỏng chuôi cấy ghép và nguy cơ gãy xương quanh khớp. Bằng cách hạ thấp độ cứng thông qua cấu trúc xốp in 3D, hợp kim NiTi cho phép ứng suất truyền đều đặn sang xương lân cận. Mô xương tiếp tục nhận kích thích cơ học cần thiết để duy trì quá trình tái tạo. Sự kích thích này bảo vệ mật độ xương tự nhiên và kéo dài tuổi thọ của bộ phận cấy ghép.
4.2. Thúc đẩy tích hợp xương osseointegration trong chỉnh hình
Quá trình tích hợp xương osseointegration quyết định sự cố định vững chắc của vật liệu cấy ghép vào cơ thể người. Cấu trúc mạng xốp in 3D tạo điều kiện cho mô xương phát triển trực tiếp vào bên trong các lỗ xốp mở. Lực khóa cơ học giữa xương và khung kim loại được hình thành bền vững theo thời gian. Sự hình thành mao mạch máu mới diễn ra thuận lợi nhờ không gian rỗng thông suốt. Mô xương trưởng thành bám chặt vào bề mặt vi cấu trúc của hợp kim Nitinol. Độ bám dính sinh học cao ngăn chặn sự dịch chuyển vi mô của chi tiết cấy ghép dưới tải trọng vận động. Bệnh nhân có thể phục hồi chức năng vận động nhanh chóng và giảm thiểu nguy cơ phải phẫu thuật chỉnh sửa lại.
V. Xử lý nhiệt và chuyển pha Austenite Martensite NiTi
Hiệu năng của hợp kim Nitinol in 3D được quyết định bởi quá trình chuyển pha Austenite Martensite. Pha Austenite ở nhiệt độ cao có cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối với độ cứng lớn. Pha Martensite ở nhiệt độ thấp sở hữu cấu trúc đơn tà dễ biến dạng dẻo giả. Dưới tác dụng của nhiệt độ hoặc ứng suất cơ học, hai pha này chuyển đổi thuận nghịch linh hoạt. Quá trình in laser SLM tạo ra tốc độ nguội nhanh đột ngột, làm phát sinh ứng suất dư nội tại lớn. Tổ chức tế vi sau in thường không đồng nhất và xuất hiện các pha thứ cấp không mong muốn. Do đó, việc xử lý nhiệt hợp kim NiTi sau in là bước bắt buộc. Quy trình nhiệt luyện giúp phục hồi trọn vẹn hiệu ứng nhớ hình và tính siêu đàn hồi cho sản phẩm.
5.1. Cơ chế chuyển pha Austenite Martensite và nhớ hình
Cơ chế chuyển pha không khuếch tán giữa Austenite và Martensite tạo nên các tính chất cơ học kỳ diệu của Nitinol. Khi chịu tải trọng trong trạng thái Austenite, vật liệu chuyển thành Martensite do ứng suất kích thích. Hiện tượng này giúp vật liệu chịu được độ biến dạng đàn hồi lên tới 8% mà không biến dạng dư vĩnh viễn. Khi dỡ tải, pha Martensite tự động chuyển ngược lại về Austenite và vật liệu phục hồi hình dạng ban đầu. Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ biến đổi pha, vật liệu có thể biến dạng và tự khôi phục hình dạng khi được gia nhiệt. Cơ chế này giúp các chi tiết cấy ghép xốp có thể co giãn linh hoạt theo cử động tự nhiên của hệ vận động. Độ dẻo dai sinh học của kết cấu được tối ưu hóa toàn diện.
5.2. Quy trình xử lý nhiệt hợp kim NiTi sau in ổn định cơ tính
Xử lý nhiệt hợp kim NiTi sau in bao gồm các công đoạn ủ đồng hóa, tôi và già hóa nhiệt luyện. Quá trình ủ khử ứng suất dư sinh ra trong chu trình quét laser cục bộ. Quá trình già hóa ở nhiệt độ từ 400 đến 550 độ C kích thích sự kết tủa của các pha giàu niken Ni4Ti3. Các hạt kết tủa nano này cản trở chuyển động của lệch mạng tinh thể, làm tăng giới hạn chảy của vật liệu. Đồng thời, việc kết tủa Niken điều chỉnh chính xác nồng độ Niken trong nền kim loại. Nhờ đó, nhiệt độ chuyển pha của chi tiết in 3D được đưa về dải nhiệt độ thân nhiệt người (37 độ C). Sản phẩm cấy ghép đạt trạng thái siêu đàn hồi hoàn hảo khi hoạt động trong cơ thể bệnh nhân.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (180 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộA Dissertation entitled Additive Manufacturing towards the Realization of Porous and Stiffness-tailored NiTi Implants by Jason M. Walker Submitted to the Graduate Faculty as partial fulfillment of the requirements for the Doctor of Philosophy Degree in Biomedical Engineering ________________________________________ Dr. Mohammad Elahinia, Committee Chair ________________________________________ Dr. Sonny Ariss, Committee Member ________________________________________ Dr.
Sarit Bhaduri, Committee Member ________________________________________ Dr. Christopher Cooper, Committee Member ________________________________________ Dr. Matthew Franchetti, Committee Member ________________________________________ Dr. Komuniecki, Dean College of Graduate Studies The University of Toledo May 2014 Copyright 2014, Jason M.
Walker This document is copyrighted material. Under copyright law, no parts of this document may be reproduced without the expressed permission of the author. An Abstract of Additive Manufacturing towards the Realization of Porous and Stiffness-tailored NiTi Implants by Jason M. Walker Submitted to the Graduate Faculty as partial fulfillment of the requirements for the Doctor of Philosophy Degree in Biomedical Engineering The University of Toledo May 2014 This research is focused on the development of an additive manufacturing process for porous and stiffness-tailored nitinol implants.
Selective laser melting (SLM) is an emerging additive manufacturing (AM) technology, which makes possible the production of 3D parts directly from metallic powders. AM enables production of 3D geometries that are not possible using traditional techniques. Other non-traditional manufacturing methods do not allow for precise control of pore geometry and distribution. With SLM, features such as engineered porosity, hollow parts, curved holes and filigree structures are suddenly realizable.
Of particular interest in this research is the ability to engineer and control porosity. The first stage of this study focused on understanding the processing parameters for manufacturing dense nitinol parts with a Phenix Systems PXM. A parametric analysis of process parameters on the quality and functionality of the SLM nitinol parts was conducted. First, a single track analysis was performed to understand the effect of basic processing parameters on the melting and re-solidification of powder.
Next, a parametric iii analysis of SLM process parameters, including laser power, scan velocity, and hatching spacing, on part density was carried out. Finally, a chemical analysis on impurity pickup during laser processing was performed. Based on the results of these studies, an optimal setup for processing nitinol on the Phenix Systems PXM was determined. Using the optimal parameter setup, SLM nitinol parts were manufactured for thermal, mechanical, and functional analysis.
It was found that the transformation temperatures of SLM nitinol parts were approximately 10 C higher than the powder. This effect is attributed to nickel evaporation during laser processing. Mechanical properties were assessed in compression testing and determined to be very similar to properties of conventionally processed nitinol. The shape memory effect was also demonstrated, indicating that SLM nitinol retains its functional characteristics.
To improve the outcome of long-term metallic implant use, the mechanical properties of implants need to better match those of bone. Nitinol structures with engineered porosity were designed and manufactured by SLM to meet these requirements. It is shown that pore size, shape, and distribution can be customized by CAD and manufactured by SLM. In this study, porous nitinol structures were manufactured with three different porosities (32%, 45%, and 58%) and featured interconnecting pores ranging from 0.0 mm in size.
A reduction in elastic modulus based on porosity is demonstrated. iv Acknowledgements First, I would like to thank my advisor, Dr. Mohammad Elahinia, for the opportunity to work on this great project. I would also like to thank him for his guidance and support in all aspects of my research.
I owe many thanks to my committee members for taking time out of their busy schedules to provide the advice and direction required to complete this research. This work would not be possible without them. I want to thank all of my colleagues and fellow researchers who I had the pleasure of working with in the Dynamic and Smart Systems Laboratory. Finally, I want to thank my family.
Mom and Dad – You inspire me every day. v Table of Contents Abstract .v Table of Contents. vi List of Tables .x List of Figures .1 Identification of Material Requirements .3 Effect of Surgical Implants on Adaptive Bone Remodeling .4 Biocompatibility of Nitinol .1 Biocompatibility of Porous Nitinol .5 History of Nitinol in Medical Devices .6 Nitinol in Orthopedic Applications .18 3 Shape Memory Alloys .1 History of Nitinol .1 Mechanical Behavior: Shape Memory and Superelasticity .1 History of AM .2 Selective Laser Melting .2 Phenix Systems PXM .3 Existing Research on AM of Nitinol .55 5 Parameter Setup, Part 1: Powder and Single Tracks.2 Quality and Width of Single Tracks .3 Mathematical Prediction of Single Track Width .71 6 Parameter Setup, Part 2: Dense Parts .85 7 Thermal, Mechanical, and Functional Properties of SLM Nitinol .100 8 Designed Porosity in Nitinol Structures .1 Review of Metallic Implant Requirements .2 Computer-aided Design of Porosity.109 9 Conclusions and Recommendations for Future Work .2 Recommendations for Future Work.4 Estimated Market Share and Sales .1 Market Entry and Growth Strategy .3 Sales Tactics and Service .8 Product Development Plan .9 Manufacturing and Operations Plan .11 Overall Project Schedule.12 Critical Risks and Assumptions .143 ix List of Tables 5.1 Transformation temperatures of nitinol powder .2 Chemical impurity contents of nitinol powder .3 Amplitude and exponent of the fitting functions by laser power.1 Impurity contents measured in powder and SLM nitinol part .2 Optimal parameters for SLM processing of nitinol on a Phenix PXM.1 Transformation temperatures of SLM nitinol part and powder .1 Dimensions of unit cells for porous structures and resulting pore formation .2 Elastic modulus for typical implant materials and porous nitinol .1 US 2004 knee implant market share, by company .2 Financial calculations for Ortho3d.142 x List of Figures 3-1 Phase diagram of the transformation temperatures of nitinol .27 3-2 Temperature-induced forward transformation in a zero stress state .28 3-3 Temperature-induced reverse phase transformation in a zero stress state .28 3-4 Twinned martensite is detwinned by an applied load .29 3-5 Martensite remains in detwinned state when the applied load is removed .30 3-6 Upon heating past Af, detwinned martensite transforms into austenite .31 3-8 (a) A crystal lattice and (b) resulting plastic deformation by an ordinary slip .32 3-9 (a) A twinned crystal lattice and (b) resulting pseudoplastic deformation .33 3-10 Stress-strain behavior of nitinol at different operating conditions.37 3-11 Phase diagram of a Ti-Ni alloy .39 3-12 Ms as a function of nickel content in quenched NiTi alloys.40 3-13 Effect of aging temperature on R-phase transformation start temperature .43 4-1 Phenix Systems PXM Selective Laser Melting Machine .49 4-2 Sequence of operations of the SLM process .51 4-3 Visual representation of the Staircase Effect and support structures .52 4-4 Basic scan strategy showing laser trajectories all in the same direction.55 4-5 Alternating x/y scan strategy .55 4-6 Alternating x/y scan strategy with 90 degree rotation per layer .56 xi 5-1 Electrode Induction-melting Gas Atomization (EIGA) .59 5-2 SEM micrograph of the nitinol powder .60 5-3 Transformation temperatures of the nitinol powder .62 5-4 Measured single track width as a function of scan velocity .65 5-5 Micrographs of SLM single track .67 5-6 Amplitude, a, of the fitting function as a function of laser power .69 5-7 Calculated single track width as a function of scan velocity .70 6-1 Cuboid blocks produced by SLM for density analysis .74 6-2 Poor surface quality caused by too high energy input .75 6-3 Relative density of SLM nitinol parts as a function of scan velocity .75 6-4 Relative density of SLM nitinol parts as a function of energy density .76 6-5 SLM nitinol samples mounted and polished for microscopy .77 6-6 Comparison of pore formation in low and high density parts .79 6-7 Optical micrograph of SLM nitinol .80 6-8 Comparison of pore formation in two SLM nitinol parts .81 6-9 Effect of hatch spacing on relative density of SLM nitinol parts .82 6-10 Oxygen content in SLM nitinol parts.85 6-11 Micrograph of SLM nitinol single track with optimal parameter setup .87 6-12 Micrograph of surface of SLM nitinol part with optimal parameter setup .88 7-1 Transformation temperatures of SLM nitinol part and nitinol powder.90 7-2 Stress-strain curve for SLM and conventional nitinol in the martensitic state .93 7-3 Fracture of SLM nitinol samples at 45º with respect to the loading direction.95 7-4 Stress-strain curves of shape memory cycling to 300 MPa .97 xii 7-5 Stress-strain curves of shape memory cycling to 900 MPa .98 7-6 Cumulative irreversible strain in SLM nitinol during cyclic testing .103 8-2 Porous SLM nitinol structures .104 8-3 Micrographs of porous SLM nitinol structures .105 8-4 Stress-strain curves to 12% strain for porous SLM nitinol .106 8-5 Stress-strain curves to 2.5% strain for porous SLM nitinol .109 10-1 (a) Typical total knee replacement and (b) porous nitinol structure .123 10-2 Estimated number of total knee replacements performed in the US .126 10-3 Projected primary total knee arthoplasties in the US through 2030 .127 10-4 Projected total knee revisions in the US through 2030 [206] .127 10-5 Break-even analysis for Ortho3d .141 xiii Chapter 1 Introduction The aim of this research is to investigate the use of laser-based additive manufacturing to produce porous and stiffness-tailored nitinol implants. To improve the outcome of long-term metallic implant use, the mechanical properties of implant materials need to better match those of bone.
Orthopedic implants are used to restore and maintain proper biomechanical function in the body, yet current technologies utilize materials that possess drastically different mechanical properties than the biological materials they replace. Furthermore, these implants are introduced into highly unique environments (i. different patients), yet are mass designed with little regard for the individuals’ needs. Most metallic implants are made out of 316 stainless steel, titanium (Ti-6Al-4V), or cobalt-chrome.
Each of these materials can be 5 – 15 times stiffer than the surrounding bone tissue. During long-term fixation, this severely disrupts the physiomechanical processes which regulate bone remodeling. As a result, surrounding bone tissue degrades which leads to implant loosening and, ultimately, catastrophic failure. 1 To meet this unmet need, nitinol is identified as a more suitable material for use in long-term metallic implants.
Nitinol features high strength, low stiffness, high recoverable strain, and good biocompatibility. Additionally, an additive manufacturing processing called selective laser melting (SLM) is identified as a better processing route than traditional methods. SLM circumvents current issues with manufacturing nitinol components (i. conventional machining of nitinol is incredibly difficult) and opens up possibilities for patient-specific implant design.
During the SLM process, a laser beam is used to manufacture a solid part by selectively binding powder particles through localized heating. The part is produced additively by manufacturing one cross-sectional layer at a time, which is digitally created by slicing a CAD model. Direct-from-CAD manufacturing allows for the design of structures with engineered porosity. In this way, the stiffness of porous structures can be modulated through the customization of pore size, shape, and distribution.
In summary, the primary objective of this research is to manufacture nitinol components with engineered porosity by selective laser melting to achieve desired mechanical properties.1 Approach SLM is a layer-based manufacturing process which utilizes direct melting of parts from a metallic powder-bed using a high-power fiber laser. The process features a considerable number of parameters which require optimization including powder characteristics, laser parameters, and layering technique. Even the smallest compositional 2 variances and all types of microstructural defects can strongly affect the integrity and functionality of nitinol parts. Considerable work has been done to optimize the SLM process for materials such as titanium and stainless steel, but it is far from being established as a processing method for nitinol.
To this end, research is conducted on an SLM machine (Phenix Systems PXM) to develop and optimize the manufacturing method for dense nitinol components. A variety of analytical methods were used to evaluate and characterize fabricated AM nitinol components. These included microscopy, density analyses, differential scanning calorimetry (DSC), chemical analyses, and mechanical testing.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Jason M. Walker (2014). Chế tạo hợp kim NiTi xốp tùy chỉnh độ cứng bằng in 3D [Luận án tiến sĩ, The University of Toledo]. LuanAn.net. https://luanan.net/ky-thuat-co-khi/cong-nghe-vat-lieu/che-tao-hop-kim-niti-xop-tuy-chinh-do-cung-in-3d
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Chế tạo hợp kim NiTi xốp tùy chỉnh độ cứng bằng in 3D" nghiên cứu về vấn đề gì?
In 3D hợp kim NiTi xốp tùy chỉnh độ cứng. Tối ưu hóa cấu trúc vi mô cho ứng dụng y sinh và cơ khí chính xác.
Luận án "Chế tạo hợp kim NiTi xốp tùy chỉnh độ cứng bằng in 3D" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại The University of Toledo. Năm bảo vệ: 2014.
Luận án "Chế tạo hợp kim NiTi xốp tùy chỉnh độ cứng bằng in 3D" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Chế tạo hợp kim NiTi xốp tùy chỉnh độ cứng bằng in 3D" thuộc chuyên ngành Biomedical Engineering. Danh mục: Công Nghệ Vật Liệu.
Luận án "Chế tạo hợp kim NiTi xốp tùy chỉnh độ cứng bằng in 3D" có bao nhiêu trang?
Luận án "Chế tạo hợp kim NiTi xốp tùy chỉnh độ cứng bằng in 3D" có 180 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Chế tạo hợp kim NiTi xốp tùy chỉnh độ cứng bằng in 3D" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.