Trabeküler kemik geometrisine sahip gözenekli metal yapıların seçimli lazer ergitme yöntemi ile üretilebilirliğinin ve mekanik özelliklerinin araştırılması
Investigation of producibility and mechanical properties of porous metal structures from trabecular bone geometry by selective laser melting method
Yazar: ARİF BALCI
Danışman: PROF. DR. YUSUF USTA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Gözenekli metal yapı üretiminde seçimli lazer ergitme (SLE) yöntemi kontrollü üretim avantajına sahip olup düzenli veya karmaşık gözenekli yapıların tasarım veya kopyalama yoluyla oluşturulmasını ve üretimini mümkün kılmaktadır. Bu tezde, seçimli lazer ergitme (SLE) yöntemi kullanılarak, koyun vertebra ve femurundaki trabeküler yapıyı (gözenekli kemik) temsil eden Ti6Al4V ELI (Extra Low Interstitial) ve CoCr alaşımından farklı gözeneklerde ve farklı ölçeklerde numuneler üretilerek gözenek boyut dağılımı incelenmiş ve mekanik testleri yapılmıştır. Öncelikle koyuna ait femur ve vertebra kemiklerinin mikro-CT ile taramaları kullanılarak kemiğe ait gözenek ağ yapısı ve boyut dağılımı belirlenmiştir. Gerçek kemik boyutlarına göre 3-farklı büyütmedeki (1:1, 1:1,25 ve 1:1,50) mikro-CT görüntüleri ile gözenek/boyut dağılım analizi gerçekleştirilmiştir. Bunun neticesinde, deney numunelerinin 1:1,00, 1:1,10 ve 1:1,20 ölçeklerinde tasarımları, Ti6Al4V ELI alaşımından üretimleri ve mekanik testleri (basma ve basma-kayma testleri) yapılmış ve sonlu elemanlar yöntemiyle sayısal olarak da incelenmiştir. Ayrıca hem Ti6Al4V ELI alaşımı hem de CoCr alaşımından vertebra ve femurun başka bir bölgesinden yeni (ikincil) numuneler tasarlanarak üretimleri yapılmış ve mekanik testleri doğrulama amaçlı olarak gerçekleştirilmiştir. Gözenek ağ modelleri çıkarılan vertebra ve femura ait gözeneklerin ortalama eş değer çaplarının 767±265 µm ve 623±245 µm olduğu tespit edilmiş olup 1:1 ve 1:1,25 ölçek aralığında üretimi yapılan numunelerin kemikteki gözenek boyut dağılımını temsil edebildiği sonucuna varılmıştır. Basma testleri sonucunda femur ve vertebra gözenek geometrisine sahip numunelerin elastisite modüllerinin Ti6Al4V ELI numunelerde 2,84±0,33 GPa ve 2,14±0,15 GPa ve CoCr numunelerde 2,20±0,23 GPa ve 1,95±0,22 GPa olduğu gözlemlenmiştir. Kuru ağırlıklandırma yöntemi ile yapılan gözeneklilik ölçümlerinde, üretilen numunelerdeki gözenekliliklerin tasarımdakine göre Ti6Al4V ELI alaşımı için %19,1±6 azalma ve CoCr alaşımı için %0,5±0,4 artış şeklinde olduğu görülmüştür. Mekanik test sonuçları ve gözeneklilik oranlarındaki değişim göz önüne alındığında CoCr alaşımlarından yapılan üretimlerin, gözenek geometrisi ve elastisite modülü bakımından kemiği temsil kabiliyetinin yüksek olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
The selective laser melting (SLE) method has the advantage of controlled production and enables the creation and production of regular or complex porous structures by design or copying for production of porous metal structures. In this thesis, samples have different pores and scales were produced from Ti6Al4V ELI (Extra Low Interstitial) and CoCr alloy representing the trabecular (porous bone) sheep vertebra and femur structure by selective laser melting (SLE) method, and the pore size distribution was examined and mechanical tests were performed. First, by using micro-CT scans of sheep's femur and vertebral bones, the pore network structure and pore size distribution of the bone were determined. Pore / size distribution analyses were performed with micro-CT images at 3 different scales (1: 1, 1: 1.25 and 1: 1.50) according to the actual bone sizes. As a result of this, the designs of the test samples in 1: 1.00, 1: 1.10 and 1: 1.20 scales, their production from Ti6Al4V ELI alloy and their mechanical tests (compression and compression-shear tests) were performed and were analyzed numerically by the finite element method. In addition, new (secondary) specimens from both Ti6Al4V ELI alloy and CoCr alloy were designed and produced from another part of vertebra and femur, and their mechanical tests were carried out for verification. It was determined that the mean equivalent diameters of vertebra and femoral pores, from which the pore network models were removed, were 767 ± 265 µm and 623 ± 245 µm, and it was concluded that the samples produced in the scale range of 1: 1 and 1: 1.25 could represent the pore size distribution in the bone. As a result of the compression tests, the elasticity modulus of the samples with femur and vertebral pore geometry was 2.84 ± 0.33 GPa and 2.14 ± 0.15 GPa from Ti6Al4V ELI samples and 2.20 ± 0.23 GPa and 1.95 ± GPa from CoCr samples. From porosity measurements made by dry weighting method, it was seen that the porosity of the produced samples was 19.1 ± 6% decrease at Ti6Al4V ELI alloy and 0.5 ± 0.4% increase at CoCr alloy from compare to the design. Considering the mechanical test results and the change in porosity rates, it was concluded that the productions made from CoCr alloys have a high bone representation ability in terms of pore geometry and modulus of elasticity.