Kształtowanie dokładne implantów tytanowych o wysokiej porowatości metalurgią proszków

• Autorzy: Laptev V. , Bram M.

Warianty tytułu

EN

Net-shape forming of highly porous titanium implants manufactured by powder metallurgy route

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Tytan o wysokiej porowatości jest obiecującym materiałem dla zastosowania w biomedycynie, szczególnie przy produkcji sztucznych stawów oraz implantów biodra czy kręgosłupa. Wspaniała biozgodność tytanu jest dobrze znana w środowisku chirurgicznym. Otwarte i wzajemnie połączone pory pozwalają na wrastanie tkanki kostnej na powierzchnię implantu, formowanie naczyń krwionośnych oraz naturalne wiązanie implantu w szkielecie ludzkim. Elastyczny moduł porowatego tytanu może zostać z łatwością związany z elastycznym modułem kostnym poprzez kontrolę porowatości. W wyniku tego można zredukować lub wyeliminować efekt ochrony implantu przed obciążeniami i degradacją kości. Implanty medyczne posiadają z natury skomplikowaną geometrię. Jednym z głównych problemów w produkcji implantów o wysokiej porowatości jest kształtowanie precyzyjne. Innym problemem jest utrzymanie zawartości nieczystości poniżej poziomu ograniczonego przez normę ASTM dla implantów medycznych. Niniejsza praca stanowi przegląd dokonań autorów w zakresie kształtowania precyzyjnego implantów tytanowych o wysokiej porowatości, wykonanych z użyciem, technologii metalurgii proszków oraz metod wypełniania przestrzeni. Porównane zostało kształtowanie implantów poprzez prasowanie izostatyczne na zimno oraz formowanie wtryskowe metalu. Omówiono także problemy z obróbką porowatych wyprasek tytanowych przed i po spiekaniu. Opisano zalety, problematykę i perspektywy formowania wtryskowego metali przy produkcji porowatych implantów tytanowych. Omówione zostało kształtowanie precyzyjne implantów tytanowych o wysokiej porowatości.

EN

The highly porous titanium is promising material for application in biomedicine, particularly in manufacturing of artificial joints, hip and spinal implants. The excellent biocompatibility of titanium is well known in the surgery practice. The open and interconnected porosity enables ingrowth of bone tissues into implant surface, formation of blood vessels and natural fixation of implant in the human skeleton. The elastic modulus of porous titanium can by easily fitted to the elastic modulus of bones by control of porosity. As a result the shielding effect of implant and degradation of bone can by reduced or eliminated. The medical implants possess as a rule a complex geometry. Therefore net-shape forming is one of the main problems in manufacturing of highly porous implants. Another problem is the keeping of impurities content below the level limited by ASTM standard for medical implants. In the present paper the practice of authors in net-shape forming of highly porous titanium implants produced by powder metallurgy route and space holder technique is reviewed. The use of the die and cold isostatic pressing as well as the metal injection molding for shaping of implants have been compared. The problems in machining of porous titanium compacts prior to sintering and after sintering are discussed. The advantages, problems and prospects of metal injection molding in production of porous titanium implants are highlighted. The net-shape forming of highly porous titanium implants is exemplified.

Słowa kluczowe

PL

porowaty tytan; implant; metalurgia proszków; kształtowanie precyzyjne

EN

porous titanium; implants; powder metallurgy; net-shape forming

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2014
• Tom: T. 25, nr 1
• Strony: 65--74
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys.

Twórcy

autor

Laptev V.

• Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich, Niemcy

autor

Bram M.

• Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich, Niemcy
• Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk, Ukraina

Bibliografia

• [1] Jurczyk M., Jakubowicz J.: Biomateriały. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2008.
• [2] Ryan G., Pandit A., Apatsidis D.P.: Fabrication methods of porous metals for use in orthopedic applications. Biomaterials vol. 27 2006 s. 2651–2670.
• [3] Imwinkelried T.: Mechanical properties of open-pore titanium foam. Journal of Biomedical Materials Research vol 81A 2007 s. 964–970.
• [4] Bram M., Stiller C., Buchkremer H.P., Stöver D., Baur H.: High-porosity titanium, stainless steel and superalloy parts. Advanced Engineering Materials vol. 2 2000 s. 196–199.
• [5] Laptev A., Vyal O., Bram M., Buchkremer H.P., Stöver D.: Green strength of powder compacts provided for production of highly porous titanium parts. Powder Metallurgy vol. 48 2005 s. 358–364.
• [6] Laptev A., Bram M., Buchkremer H.P., Stöver D.: Study of production route for titanium parts combining very high porosity and complex shape. Powder Metallurgy vol. 47 2004 s. 85–92.
• [7] Bram M., Buchkremer H.P., Laptev A., Stöver D.: Upscaling of powder metallurgical production of highly porous metals to industrial quantities. In “Cellular Metals and Metal Forming Technology”, ed. J. Banhard, M.F. Ashby, N.A. Fleck, MIT-Verlag Bremen 2001 s. 215–220.
• [8] German R.: Powder metallurgy science. MPIF, Princeton 1984.
• [9] Bram M., Kempmann C., Laptev A., Stöver D., Weinert K.: Investigation on the machining of sintered titanium foams using face milling and peripheral grinding. Advanced Engineering Materials vol. 5 2003 s. 441–447.
• [10] Tutunea-Fatan O.R., Fakhri M.A., Bordatchev E.V.: Porosity and cutting forces: from macroscale to microscale machining correlations. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture vol. 225 2011 s. 619–630.
• [11] ASM Handbook v. 7. Powder metal technologies and applications. ASM International, 1998.
• [12] Bram M., Laptev A., Stöver D., Buchkremer H.P.: Verfahren zur endkonturnahen Herstellung von hochporösen metallischen Formkörpern. German Patent 10224671 C1 2003.
• [13] Vyal’ E.Yu., Laptev A.M.: Use of certain binders to increase the strength of green compacts. Powder Metallurgy and Metal Ceramics vol. 44 2005 s. 614–618.
• [14] Tuncer N., Bram M., Laptev A., Beck T., Moser A., Buchkremer H.P.: Study of metal injection molding of highly porous titanium by physical modeling and direct experiments. Journal of Materials Processing Technology vol. 214 2014 s. 1352–1360.
• [15] Cysne Barbosa A.P., Bram M., Stöver D., Buchkremer H.P.: Realization of a titanium spinal implant with a gradient in porosity by 2-component-metal injection molding. Advanced Engineering Materials vol. 15 2013 s. 510–521.