Kodėl medicininės metalinės 3D spausdintos dalys reikalauja terminio apdorojimo?

Kuo skiriasi metalo 3D spausdinimas

Lazerinis spausdinimas ant metalostato dalis sluoksnis po sluoksnio. Didelės galios{1}}lazeris selektyviai tirpdo metalo miltelius ir sukuria itin didelius šiluminius gradientus, nes kiekvienas sluoksnis greitai tirpsta ir kietėja. Šie pasikartojantys ciklai sukuria didelį liekamąjį įtampą ir ne{3}}vienodas mikrostruktūras.

Kaip-sukonstruotos metalinės 3D spausdintos dalys labai skiriasi nuo tradiciškai kaltų ar lietų ekvivalentų. Jie dažnai pasižymi didesniu atsparumu tempimui, bet mažesniu lankstumu, anizotropinėmis savybėmis ir vidiniais įtempiais, kurie gali pasiekti medžiagos takumo ribą. Tai sukuria našumo atotrūkį, kurio negali toleruoti medicinos programos -, kurioms reikalingas didelis atsparumas nuovargiui ir ilgalaikis -stabilumas esant ciklinei apkrovai -.

Ortopedijos gamintojas nustatė, kad -sukonstruotas SLM Ti-6Al-4V nuovargis buvo 15–20 % mažesnis nei termiškai{8}} apdorotų ekvivalentų. Nešančiųjų implantų atveju šis skirtumas gali lemti ilgalaikę sėkmę ar nesėkmę.

Trys pagrindinės problemos, kurias išsprendžia terminis apdorojimas

Problema 1 - Liekamoji įtampa: greitas kaitinimas ir aušinimas sukuria tempimo įtempius paviršiuje ir gniuždymo įtempius viduje. Tai gali sukelti iškraipymus, įtrūkimus arba ankstyvą gedimą veikiant apkrovai.

Problema 2 - Mikrostruktūros nestabilumas: stulpelių grūdeliai, martensitinės fazės (titane) ir homogenizacijos trūkumas lemia anizotropinį elgesį ir mažesnį kietumą.

Problema 3 - Mechaninių savybių trūkumas: kaip-sukonstruotoms dalims dažnai trūksta optimalios stiprumo, lankstumo ir atsparumo nuovargiui pusiausvyros, reikalingos implantams.

Duomenų lentelė: kaip-pagamintas ir termiškai{1}}apdorotas Ti-6Al-4V SLM

Metalo 3D spausdinimasliekamasis įtempis ir optimizuota mikrostruktūra yra būtini našumui.

Medicininių metalo 3D spausdintų dalių terminio apdorojimo tipai

Įtempių mažinimo atkaitinimas: Žemiausios temperatūros pakopa, siekiant sumažinti liekamuosius įtempius be didelių mikrostruktūrinių pokyčių.

Apdorojimas tirpalu ir senėjimas (STA): optimizuoja titano lydinių stiprumą ir lankstumą.

Karštas izostatinis spaudimas (HIP): Taiko šilumą ir aukštą slėgį, kad uždarytų poringumą ir pagerintų nuovargio tarnavimo laiką.

Atkaitinimas 316L ir CoCr: stabilizuoja mikrostruktūrą ir mažina stresą.

EBM{0}}atspausdintos dalys paprastai turi mažesnį liekamąjį įtempį nei SLM dalys dėl aukštesnės gamybos temperatūros, todėl reikia skirtingų protokolų.

Duomenų lentelė: Įprasti terminiai apdorojimai

Medžiaga-pagal-Medžiagos terminio apdorojimo reikalavimai

Ti-6Al-4V: labiausiai paplitęs ir niuansuotas. Reikia kruopštaus valdymo, kad būtų pasiekta plokščia arba lygiagretė mikrostruktūra, kartu išsaugant biologinį suderinamumą.

316L nerūdijantis plienas: sutelkite dėmesį į streso mažinimą ir sensibilizacijos (chromo karbido nusodinimo) vengimą.

CoCr lydiniai: kontroliuoja karbido susidarymą, kad būtų atsparus dilimui naudojant odontologiją / ortopediją.

„Inconel“: grūdinimas krituliais, skirtas didelio{0}}stiprumo darbams.

Netinkamų parametrų naudojimas gali sukelti grūdelių augimą, iškraipymą arba sumažėjusį atsparumą korozijai.

HIP - Dvigubas terminis apdorojimas

Karštas izostatinis presavimas (HIP) vienu metu veikia aukštą temperatūrą ir izostatinį dujų slėgį. Jis uždaro vidinį poringumą (dažnas SLM), kurio kiti gydymo būdai negali visiškai pašalinti, ir žymiai padidina nuovargio efektyvumą.

HIP dažnai padidina SLM Ti-6Al-4V nuovargio tarnavimo laiką 30–100 %+, pašalindama įtrūkimų atsiradimo vietas. Jis dažnai reikalingas svarbiems implantams, nors vien tik streso mažinimo gali pakakti mažesnės-rizikos atvejais. Pirmaujantys gamintojai integruoja HIP dėl puikios kainos ir naudos į aukštos kokybės dalis.

Kaip terminis apdorojimas veikia kitus po{0}}apdorojimo veiksmus

Svarbu seka. Terminis apdorojimas paprastai atliekamas prieš galutinį apdirbimą, siekiant sumažinti įtampą ir sumažinti iškraipymus apdirbimo metu. Tai gali sukelti nedidelius matmenų pokyčius (0,1–0,5 %), į kuriuos reikia atsižvelgti projektuojant. Paviršiaus apdaila ir elektropoliravimas paprastai atliekami terminiu apdorojimu.

Duomenų lentelė: paskelbimo{0}}apdorojimo sekos parinktys

Realūs{0}}pasaulio scenarijai

1 atvejis: stuburo narvas su dideliu likutiniu įtempimu, lūžęs dėl ciklinės apkrovos bandymo metu.

2 atvejis: CoCr dantų karkasas parodė matmenų poslinkį sterilizuojant dėl ​​mikrostruktūros nestabilumo.

3 atvejis: Ti-6Al-4V ortopedinė plokštelė išlaikė statinius testus, bet nepadėjo nuovargio; Gydymas HIP pagerino nuovargio gyvenimą ~40%.

Šie atvejai pabrėžia riziką praleisti priedų gamybos stresą mažinančius implantus.

Dažnai užduodami klausimai

Kodėl metalines 3D spausdintas dalis reikia termiškai apdoroti?

Kad sumažintumėte liekamuosius įtempius, suvienodinkite mikrostruktūrą, uždarykite poringumą ir pasiekite mechanines savybes, reikalingas saugiam medicininiam naudojimui.

Koks yra geriausias SLM Ti-6Al-4V medicininių implantų terminis apdorojimas?

Dažnai streso mažinimo arba HIP derinys, po kurio atliekamas gydymas tirpalu ir senėjimas, atsižvelgiant į konkrečius reikalavimus.

Ar HIP pakeičia streso mažinimo atkaitinimą metalo 3D spausdinimui?

HIP gali tarnauti abiem tikslams, bet yra brangesnis; daugelyje darbo eigų pirmiausia naudojamas streso mažinimas, o svarbiausioms dalims – HIP.

Kaip terminis apdorojimas pagerina lazeriu spausdintų metalinių dalių nuovargio trukmę?

Mažinant liekamąjį įtempį ir pašalinant poringumą, kuris veikia kaip įtrūkimų atsiradimo vietos.

Kas atsitiks, jei praleisite metalinio 3D spausdinto implanto terminį apdorojimą?

Padidėjusi iškraipymų, įtrūkimų, ankstyvo nuovargio gedimo ir teisės aktų nesilaikymo- rizika.

Kaip sužinoti, ar mano metalinio 3D spausdinimo tiekėjas tinkamai termiškai apdoroja jų dalis?

Prašykite išsamių ciklo parametrų, patvirtinimo duomenų, krosnies įrašų ir apdorotų kuponų mechaninių bandymų rezultatų.