Yeni tasarım toz enjeksiyon kalıplama yöntemi ile üretilen biyo-uyumlu alaşımların üretilebilirliği ve karakterizasyonu
Manufacturing and characterization of bio-compatible alloys manufactured by the new designed powder injection molding method
Yazar: BÜNYAMİN ÇİÇEK
Danışman: PROF. YAVUZ SUN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, toz enjeksiyon kalıplama (TEK) mantığı üzerinden yola çıkılarak yeni bir TEK makinesi tasarlanmış ve imal edilmiştir. Bu makinenin üretim yeterliliği, farklı toz tipleri ve kalıplama parametreleri uygulanarak belirlenmiştir. Sonrasında Magnezyum (Mg) ve 316L paslanmaz çelik tozları kullanılmış ve kalıplama süreçleri analiz edilmiştir. Mg elementi Ca ile alaşımlandırılmış ve sinter süreci sonrasında değerlendirilmiştir. 316L tozları kalıplama sonrasında farklı sinter sıcaklıklarında sinterlenmiş ve elde edilen numunelere biyo-uyumluluk deneyleri yapılmıştır. 

Tasarlanan makine tamamen bu tez kapsamında imal edilmiştir. Tüm aşamaları tam otomatik ve programlanabilir mantık kontrolü (PLC) ile oluşturulmuştur. Yeni sistemin temel mantığında; daha önceden elde edilen polimer/toz karışımı hammaddeler bir hazne içerisinde, jel sıcaklığında, yüksek Ar gazı basıncı ile uygun kalıba aktarılmaktadır. Tüm aşamalar özel kodlanan bir program ile çalışmaktadır. Makinede solenoid valfler, basınç ölçerler, kalıp, hidrolik sistem ve sıcaklık üniteleri bulunmaktadır. Sonuç olarak, tez kapsamında yeni bir toz enjeksiyon kalıplama sistemi tasarlanmıştır. 

Bu çalışmada, ilk olarak yeni tasarlanan cihazın yeterliliği ve kalıplama özelliğini belirlemek için Mg, SiO2, SiC ve 316L tozları kullanılarak ön deneyler yapılmıştır. Bu tozlar Polietilen Glikol (PEG), Polipropilen (PP), Parafin Wax (PW), Etilen Vinilasetat (EVA), Poli Metil Meta Akrilat (PMMA) ve Stearik Asit (SA) kullanılarak hammadde haline getirilmiştir. Bu hammaddeler en optimum kalıplama özellikleri ile kalıplanmıştır. Kalıplanan malzemelere Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) incelemesi, basma deneyi, viskozite ve polimer bağ tork ölçümü deneyleri uygulanmıştır. Böylece sistemin çalışabilirliği ve kalıplama özelliği belirlenmiştir. Bu ilk deney setinde PEG+PMMA+SA karışımında polimer bağlayıcı reçetesi kurutulma sonrası formunu korumuştur. Küresel tozlar ile oluşturulan ürünlerin basma deneyinde 3500 N seviyesinde basma kuvveti elde edilmiştir.    

Tasarım ve imalatı yapılan cihazın yeterliği belirlendikten sonra biyo uyumlu alaşım üretiminin ilk aşamasında Mg-Ca tozları homojen şekilde karıştırılmıştır. Kalıplama parametrelerinin araştırıldığı bir önceki aşamada elde edilen verilerde en iyi sonucu veren PEG+PMMA+SA polimer karışımı ile Mg-Ca tozları yeni TEK sisteminde kalıplanmıştır. Üretilen numuneler yine bu çalışma sırasında tasarlanan ve imal edilen basit vakum sinter fırınında farklı sıcaklıklarda sinterlenmiştir. Sinterlenen numunelere SEM ve sertlik (Vickers) incelemeleri yapılmış ve sinter süreci mikroyapı fotoğrafları ile kayıt altına alınmıştır. Mikroyapı düzeni en başarılı olarak 600°C ve 5 saat sinter süresinde oluşmuştur. Sertlik sonucu ise aynı numunede 50 HV değerlerinde ölçülmüştür. 

Biyo uyumlu alaşım üretiminin ikinci aşamasında, 316L tozları farklı toz/polimer oranlarında yine PEG+PMMA+SA polimer yapısı ile yeni TEK sisteminde kalıplanmış ve sinterlenmiştir. Farklı sıcaklıklarda uygulanan sinter ısıl işlemi sonrasında metalik formlar elde edilmiştir. Bu metalik malzemelere SEM incelemeleri ve sertlik deneyleri yapılmıştır. Bunların yanı sıra yeni tasarlanan toz enjeksiyon kalıplama ünitesinde üretilen malzemelerin biyo-uyumluluğu araştırılmıştır. Biyo-uyumluluk deneyleri için yapay vücut solüsyonlarında potansiyodinamik korozyon ve daldırma korozyon deneyleri yapılmıştır. Son olarak numunelere özütleme yöntemi ile sitotoksisite testi uygulanmış ve % canlılık durumları incelenmiştir. Bu deney setinde en uygun ve oksit barındırmayan mikroyapı 1300°C/2 saat şartlarında elde edilmiştir. Sertlik deneyi sonucunda ise 280 HV seviyeleri ölçülmüştür. Sitotoksisite deneyi sonucunda ise çözelti ortamındaki bakteri hücresi sayısı 100 birimden 205 birime ulaşmıştır ve akredite laboratuvar tarafından ürünler biyo-uyumlu olarak rapor edilmiştir.

Abstract:
In this study, a new machine was designed and manufactured based on the logic of powder injection molding (PIM). The production capability of this machine was determined by applying different powder types and molding parameters. Afterwards, Magnesium (Mg) and 316L stainless steel powders were used and molding processes were analyzed. Mg element was alloyed with Ca and evaluated after sintering process. 316L powders were sintered at different sinter temperatures after molding and biocompatibility tests were carried out on the samples obtained.

The designed machine was completely manufactured within the scope of this thesis. All stages are created with fully automatic and programmable logic control (PLC). In the basic logic of the new system; the previously obtained polymer/powder mixture raw materials were transferred to the appropriate mold in a chamber, at the gel structure temperature, with high Ar gas pressure. All stages work with a specially coded program. There are solenoid valves, pressure gauges, mold, hydraulic system, and temperature units in the machine. As a result, a new powder injection molding system was designed within the scope of the thesis.

In this study, firstly, preliminary experiments were carried out using Mg, SiO2, SiC, and stainless steel (316L) powders to determine the proficiency and molding properties of the newly designed device. These powders were turned into raw materials using Polyethylene Glycol (PEG), Polypropylene (PP), Paraffin Wax (PW), Ethylene Vinyl acetate (EVA), Poly Methyl Methacrylate (PMMA) and Stearic Acid (SA). These raw materials are molded with the most optimum molding properties. Scanning Electron Microscopy (SEM), compression test, viscosity and polymer bond torque measurement tests were applied to the molded materials. Thus, the operability and molding feature of the system were determined. In this first set of experiments, the polymer binder recipe in the mixture of PEG+PMMA+SA preserved its form after drying. In the compression test of the products formed with spherical powders, a compression force of 3500 N was obtained.

After determining the adequacy of the designed and manufactured device, Mg-Ca powders were mixed homogeneously in the first stage of biocompatible alloy production. Mg-Ca powders were molded in the new PIM system with the PEG+PMMA+SA polymer mixture, which gave the best results in the data obtained in the previous stage where the molding parameters were investigated. The produced samples were sintered at different temperatures in the simple vacuum sinter furnace designed and manufactured during this study. SEM and hardness (Vickers) examinations were performed on the sintered samples and the sintering process was recorded with microstructure photographs. The microstructure was formed most successfully at 600°C and 5 hours of sintering time. The hardness result was measured at 50 HV values in the same sample.

In the second stage of biocompatible alloy production, 316L powders were molded and sintered in the new PIM system with PEG+PMMA+SA polymer structure in different powder/polymer ratios. Metallic forms were obtained after sinter heat treatment applied at different temperatures. SEM examinations and hardness tests were carried out on these metallic materials. In addition, the biocompatibility of the materials produced in the newly designed PIM unit was investigated. For biocompatibility experiments, potentiodynamic corrosion and immersion corrosion tests were carried out in artificial body solutions. Finally, cytotoxicity test was applied to the samples by extraction method and bacterial life processes were examined. In this experiment set, the most suitable and oxide-free microstructure was obtained at 1300°C/2 hours. As a result of the hardness test, 280 HV levels were measured. As a result of the cytotoxicity test, the number of bacterial cells in the solution medium increased from 100 units to 205 units, and the products were reported as biocompatible by the accredited laboratory.