316L çelik esaslı implantların çeşitli kesilme yöntemleri ile kesilmesinin ve kesim sonrası tavlama işlemlerinin karakterizasyonu
Microstructural characterization of cutting methods and annealing of 316L stainless steel implants
Yazar: LEVENT ÖNCEL
Danışman: PROF. DR. M. ERCAN AÇMA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Paslanmaz çelik = Stainless steel

Özet:
İmplantlar her geçen yıl teknolojinin ve bilimin ilerlemesi ile fonksiyonları geliştirilerek sağlık sektöründe daha çok yer edinmektedir. İmplantlarda en çok kullanılan malzeme, iyi mekanik özellikleri, korozyon dayanımı ve biyouyumlulu yapısı ile 316L paslanmaz çeliktir.İmplant üretiminde hassas üretim proseslerine ihtiyaç vardır. Özellikle stent gibi, üzerinde 100µm altında desenler bulunduran bir implantın üretiminde, kullanılan üretim teknikleri sonuç ürünün performansında çok önemli bir paya sahiptir.Bir implantın üretiminde ilk ve en önemli aşama hammaddeye şekil verme işlemidir. Kesme işlemi, şekil vermenin ana adımıdır. Kesim işlemi sırasında kesimin yapıldığı bölgede malzeme yapısında değişiklik olmaktadır. Malzeme yapısındaki bu değişiklik hassas boyut töleransları ile çalışılan implantlarda büyük önem teşkil etmektedir.Kesim işleminde kullanılan yönteme göre, ısıl ve/veya mekanik etkiler sebebi ile malzeme yapısında değişiklikler meydana gelmektedir. Bu değişiklikler, kesim işlemi ardından yapılan ısıl işlem ile ortadan kaldırılmaya çalışılmaktadır.Bu çalışmada 316L çelik tüp lazer kesim, plazma kesim, otojen kesme, su jeti ile kesim, tel erozyon ile kesim, avuç içi taşlama ile kesim ve metal testeresi ile kesim yöntemleri ile kesilmiştir. Kesimlerin yapılmasının ardından numunelerin yapıları SEM ve optik mikroskopta incelenerek kesimlerin malzeme yapısına etkisi değerlendirilmiştir. İncelemenin ardından bu kesim yöntemleri ile kesilen numunelere normalizasyon tavlaması yapılmıştır. Normalizasyon tavlamasının ardından, numuneler kesim sonrasında olduğu gibi SEM ve optik mikroskopta incelenmiş ve her bir kesim yöntemi için normalizasyon tavlamasının etkisi değerlendirilmiştir.Kesim ve tavlama işlemleri ile ilgili deneysel çalışmalardan elde edilen veriler değerlendirildiğinde; kesim hassasiyeti, düzgün kesim yüzeyi, malzeme boyunca homojen tane boyutu elde edilebilmesi, yapıda krom-karbür ve oksit oluşturmaması ile lazer kesimin stent gibi hassas implantların üretimi için en uygun yöntem olduğu belirlenmiştir.Üretimi stent seviyesinde hassasiyet gerektirmeyen implantlarda ise lazer kesimden sonra kullanılabilecek en iyi yöntemin tel erozyon ile kesme olduğu tespit edilmiştir.Plazma kesim ve otojen kesme yöntemlerinin malzeme yapısını bozduğu ve düzgün kesim yüzeyi elde edilemediği için implant üretimine uygun olmadıkları belirlenmiştir.Su jeti ile kesim yönteminin malzemede distorsiyon yarattığı ve aşındırıcı olarak kullanılan garnetin malzemeye verdiği hasarın ilerleyen zamanlarda çatlak oluşumunu kolaylaştıracağı tespitler arasındadır.Avuç içi taşlama ile kesim ve metal testeresi ile kesme yöntemlerinin malzemede yüksek distorsiyon oluşturduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Year after year, implants are becoming more important in medical area, with improving of their functions due to the advancements in technology and science. 316L stainless steel is the most common material used in implants because of it?s good mechanical properties, high corrosion resistance and biocompatible structure.Accurate production processing methods must be used at implant production. Especially in stent production, which has design patterns under 100 µm, production method has a significant effect on final products performance.Shaping of raw material is the first and the most important step in an implant production process. Cutting is the main step of shaping. During the cutting operation, material structure changes near the cutting zone. The change of material structure is very important at the implants which has low dimensional tolerances.In the cutting operation, changes occur in the material structure because of thermal and/or mechanical effects depending on the cutting method used. Heat treatment is used for removing these changes in structures.In this study, 316L stainless steel tube is cut by laser cutting, plasma cutting, otogen gas cutting, water jet cutting, wire edm cutting, angle grinder cutting and hacksaw cutting. Cut pieces are examined under SEM (scanning electron microscope) and optical microscope. The effect of cutting methods on material structure is evaluated. After the consideration, normalization annealing is applied on the samples. Samples are examined under SEM and optical microscope. The effect of the normalization annealing is evaluated for each cutting method.As an evaluation of datas obtained in experimental studies about the cutting and annealing operations; laser cutting is the best cutting method for the cutting of sensitive implants like stent. Laser cutting provides good cutting accuracy, homogenous grain size distribution through the material and doesn?t cause forming of oxides and chromium-carbides in the material structure.In production of implants, which need less sensitivity in the cutting process, wire electrical discharge maching could be an alternative for laser cutting.It?s seen that plasma cutting and otogen gas cutting creates rough cutting surfaces and harms the material structure, for these reasons these methods are not convenient for implant production.Water jet creates distortions at the material and abrasive material (garnet) damages the material structure. This damages will facilitate forming of cracks in the material.Eventually, it has been observed that angle grinder cutting and hacksaw cutting creates big amounts of distortions in the material structure.