Progettazione e ottimizzazione di protesi biomedicali a gradiente di materiale a base di Ti via ingegnerizzazione di processo LMD
Creators: name: Trutalli, Beatrice
Publisher: name: Scuola Universitaria della Svizzera Italiana (SUPSI)
Year: 2024
Subjects: prosthesis
laser

description: L’obiettivo del progetto è quello di identificare i parametri di processo idonei alla produzione di una protesi di un disco intervertebrale lombare tramite la tecnologia di Laser Metal Deposition andando a monitorare e raccogliere dati relativi agli effetti della composizione della lega di titanio oggetto di studio. Per poter strutturare una soluzione efficace, è stata inizialmente analizzata la modalità di produzione dei dispositivi medici in esame, in particolare sono state prese in considerazione le tecnologie di produzione attuali e i materiali idonei all’uso in ambiente fisiologico. Sono, quindi, stati definiti i vantaggi competitivi che la tecnologia a deposizione diretta di energia e la lega a gradiente di materiale a base di titanio offrono. Successivamente, è stata pianificata la campagna sperimentale che ha richiesto la realizzazione e l’analisi di geometrie di prova conosciute come Round Robin Parts (RRPs). La stampa di queste geometrie è stata necessaria per identificare le capacità del processo e del sistema. In particolare, in seguito all’analisi dei RRPs, è stato possibile ottimizzare le combinazioni dei parametri di stampa monitorati: utilizzando una potenza laser di 500 W, una velocità di avanzamento del laser di 450 o 600 mm/min e mantenendo costante la velocità di alimentazione della polvere a 2 rpm, è possibile produrre delle strutture con accuratezza dimensionale e rugosità media inferiore a 30 μm. In base ai risultati ottenuti, è quindi possibile prevedere dei trattamenti di post-processing. Infine, analizzando le sollecitazioni a cui la protesi è sottoposta durante le attività quotidiane svolte dal paziente, è stata realizzata una proposta di geometria che mantenga le funzionalità già implementate dalla soluzione aziendale proposta. Per garantire la producibilità della protesi, è stata proposto l’utilizzo di un macchinario avente cinque assi su cui effettuare movimenti che permettano quindi di ottenere una forma near-net-shape; è stata indicata una nuova unità di base per il reticolo utilizzato per migliorare l’osteointegrazione e, infine, prevista un’unità di supporto per la superficie curva inferiore, da eliminare con tecnologie di asportazione di truciolo. ___ The aim of the project is to identify process parameters suitable for the production of a lumbar intervertebral disc prosthesis using Laser Metal Deposition technology by monitoring and collecting data on the effects of the composition of the titanium alloy under study. In order to structure an effective solution, the production method of the medical devices under investigation was initially analysed, in particular, current production technologies and materials suitable for use in a physiological environment were considered. The competitive advantages that direct energy deposition technology and titanium-based material gradient alloying offer were then defined. Next, the experimental campaign was planned, which involved the fabrication and analysis of test geometries known as Round Robin Parts (RRPs). The printing of these geometries was necessary to identify the capabilities of the process and the system. In particular, following the analysis of the RRPs, it was possible to optimise the combinations of printing parameters monitored: using a laser power of 500 W, a laser feed speed of 450 or 600 mm/min, and keeping the powder feed speed constant at 2 rpm, it is possible to produce structures with dimensional accuracy and average roughness of less than 30 μm. Depending on the results obtained, post-processing treatments can then be envisaged. Finally, by analysing the stresses to which the prosthesis is subjected during the daily activities performed by the patient, a geometry proposal was made that maintains the functionalities already implemented by the proposed company solution. In order to guarantee the manufacturability of the prosthesis, the use of a machine with five axes on which movements can be made, thus allowing a near-net-shape to be obtained, a new basic unit for the lattice used to improve osseointegration and, finally, a support unit for the lower curved surface, to be eliminated by means of chip removal technologies, were proposed.