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É possível produzir implantes metálicos em manufatura aditiva a laser sem o uso de suportes e com qualidade assegurada? A EOS provou que sim.

A EOS desenvolveu um processo em Titânio Ti64 sem uso de suportes! Combinado com o processo de tratamento térmico de Prensagem Isostática a Quente (HIP), este processo cria excelentes propriedades de fadiga.
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É possível produzir implantes metálicos em manufatura aditiva a laser sem o uso de suportes e com qualidade assegurada? A EOS provou que sim.

Artigo Original por Davy Orye – consultor líder em MA na EOS

Recentemente, a EOS desenvolveu um processo em Titânio Ti64 que, combinado com o processo de tratamento térmico de Prensagem Isostática a Quente (HIP), cria excelentes propriedades de fadiga. O objetivo deste projeto era destacar e testar essas propriedades de fadiga em um projeto de implante real e comparar os resultados com hastes de quadril Ti64 tradicionalmente forjadas. Além disso, queríamos facilitar o pós-processamento o máximo possível e levamos esse objetivo em consideração em nossa estratégia de configuração de construção. O desenho do implante de quadril usado neste estudo é propriedade da Monogram Orthopaedics, Austin, Texas, EUA.

Resultados de fadiga

Os testes de fadiga foram realizados pelo OIC, Orthopaedic Innovation Centre, Winnipeg Canada. As hastes do quadril foram testadas quanto às propriedades de fadiga do pescoço de acordo com a ISO 7206-6. Eles resistiram a uma carga de 5340 N por 10 milhões de ciclos. Neste estudo, 2 hastes de quadril fabricadas através do processo de manufatura aditiva foram testadas e ambas passaram no teste de execução de 10 milhões de ciclos. Isso demonstra que as propriedades de fadiga destes implantes fabricados por manufatura aditiva podem atingir qualidade igual ou até superior às hastes tradicionais obtidas pelo forjamento do Ti64. Esta é a primeira vez que essas propriedades de alta fadiga foram medidas em um implante fabricado com a Manufatura Aditiva.

Juntando as peças do quebra-cabeça

As seções abaixo mostram como o conhecimento, a experiência e os serviços que o ecossistema EOS se uniu para concretizar esse salto na fabricação de peças ortopédicas.

Preparação da Plataforma de construção

O mistério é revelado

Para evitar a necessidade de retirada do suporte e facilitar a remoção do implante da plataforma, as hastes do quadril foram confeccionadas em “suporte”. A principal funcionalidade deste suporte é fornecer proteção contra as forças de repintura. (Para obter as melhores propriedades mecânicas, uma lâmina de HSS foi usada para garantir um comportamento de recobrimento ideal e consistente. No entanto, não há conexão entre o suporte e a haste de quadril, mas sim uma lacuna de cerca de 0,2 mm – 0,3 mm. A largura ideal da lacuna foi determinada por meio de um processo de design de experimentos (DoE). O tamanho da lacuna é uma compensação entre a facilidade de remoção e evitar que as hastes do quadril vibrem devido às forças de recobrimento. A haste do quadril é mantida no lugar graças às forças de fricção entre o suporte, o pó e a haste do quadril.

O surgimento deste estudo surgiu com a observação da construção no “post da árvore de Natal” compartilhado por Michael Wohlfart, da EOS, em 2019. É muito gratificante dar vida a essas ideias inovadoras em um aplicativo real! Uma explicação mais aprofundada deste método pode ser encontrada em seu artigo.

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Amphyon (Additive Works)

O próximo passo era garantir que essa ideia funcionasse na prática. O Amphyon, software de simulação e correção preventiva de processos de manufatura aditiva, foi usado para confirmar que a estratégia de configuração não gerou problemas, eliminando a necessidade de uma estratégia de construção de “tentativa e erro”. Uma reclamação comum de novos usuários de MA, e até mesmo de usuários experientes que experimentam novas aplicações, é a necessidade de usar uma estratégia de “tentativa e erro” para as primeiras compilações.

Simulações foram executadas para verificar a colisão do recoater, para verificar se as deformações estavam dentro da tolerância e para verificar as tensões térmicas. Esta análise fornece uma construção de alta qualidade antes de construir um único trabalho, reduzindo custos e tempo de execução.

Este software permite a pré-deformação da haste do quadril para criar uma peça altamente precisa diretamente da impressora, pela primeira vez. Na minha experiência, isso funciona bem, especialmente para deformações pequenas e controladas que são esperadas para a haste do quadril durante a impressão.

A EOS atingiu excelentes propriedades de fadiga por meio de:

• Processo MA de última geração

As hastes do quadril foram fabricadas usando o processo EOS Titanium Ti64 Grau 23 em uma camada de espessura de 40 µm em uma EOS M 290. A M290 foi escolhida para este projeto por ser o sistema de fabricação de aditivos industriais mais qualificado do mercado. Além disso, a confiabilidade e a repetibilidade [Link de estudo de capacidade] da máquina é exatamente o que é necessário para grandes propriedades de fadiga, onde um único defeito pode reduzir as propriedades significativamente. Faria sentido no futuro otimizar ainda mais o processo de fabricação em série, melhorando potencialmente a taxa de construção e a estabilidade, dados os requisitos exclusivos de uma aplicação de haste de quadril.

• Tratamento térmico HIP otimizado

As excelentes propriedades de fadiga são obtidas devido a uma combinação de um processo de manufatura aditiva de última geração (mencionado acima) combinado com um tratamento térmico de pressão isostática a quente (HIP) otimizado. Os tratamentos térmicos HIP convencionais são otimizados para melhorar as propriedades mecânicas da qualidade e microestrutura do material fundido. A qualidade de uma EOS M 290 é muito superior a esta e, portanto, a EOS desenvolveu um tratamento térmico HIP que leva em consideração a microestrutura exclusiva do processo de MA.

O tratamento convencional do quadril é feito a 920 ° C a 100 MPa por 2h e está amplamente difundido em diferentes indústrias. O processo desenvolvido pela EOS é realizado a 820 ° C a 140 MPa por 2h. Este ciclo HIP combinado com o processo EOS DMLS resulta em resistência à fadiga de 795 Mpa por 10 ^ 7 ciclos (N = 9).

Pós-processamento

O pós-processamento é bastante simples e foi executado pela Precision ADM, Winnipeg, Canadá. O processo AM foi configurado de forma que as mesmas etapas de pós-processamento de uma haste de quadril fabricada convencionalmente pudessem ser usadas. Portanto, a abordagem sem suporte foi a escolhida. O cone é usinado e o colo da haste do quadril foi polido para propriedades ideais de fadiga, semelhante a um dispositivo predicado já existente no mercado. Os resultados podem ser vistos a seguir.

Conclusão

O fato de ser possível obter propriedades mecânicas forjadas em uma aplicação real hoje é um grande salto na Manufatura Aditiva para ortopedia. Este empolgante desenvolvimento nos permite desbloquear o potencial da manufatura aditiva para, mais uma vez, outro grupo de implantes. Agora cabe aos projetistas de dispositivos em empresas ortopédicas e outras, expandir os limites da MA e concretizar ideias que foram consideradas impossíveis. O Additive Minds está ansioso para trabalhar com você, revelando essas possibilidades e tornando possível a próxima geração de implantes.

As empresas Altair e EOS compartilharam no ano passado na American Academy of Orthopaedic Surgeons (AAOS) um conceito de haste de quadril de próxima geração. O objetivo do projeto era reduzir a proteção contra tensões gerada pelo implante. Este estudo demonstra uma das muitas possibilidades que agora podem ser alcançadas para conduzir um melhor atendimento ao paciente na área de artroplastia total do quadril.

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Reconhecimentos

Agradecimentos especiais a Katri Kakko e Laura Gilmour. Katri desenvolveu o processo de MA (junto com Kristiina Kupi) e esteve envolvida no desenvolvimento do tratamento térmico HIP (desenvolvido por Topi Kosonen) que permite essas propriedades de alta fadiga. Ela também ajudou a coordenar atividades dentro deste projeto. Laura reuniu todas as diferentes partes do nosso ecossistema para tornar este projeto possível.

Davy Orye é Consultor Líder em Manufatura Aditiva na EOS e especialista em desenvolvimento de processos com foco em alta produtividade e aplicações médicas.

Sobre a AMS Brasil

Somos uma empresa de soluções em engenharia de manufatura com foco em fornecimento de equipamentos e serviços nas áreas de usinagem, manufatura aditiva e automação. Representamos com exclusividade no Brasil as marcas Chiron, Stama, Scherer, EOS, Lithoz e Sintratec.

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