Microstructure, hardness measurements and cytotoxicity of medical titanium alloys manufactured using additive manufacturing

• Autorzy: Czach J. , Hoppe V. , Szymczyk P. , Junka A.

Warianty tytułu

PL

Mikrostruktura, pomiary twardości oraz cytotoksyczność medycznych stopów tytanu wyprodukowanych przy użyciu wytwarzania przyrostowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Additive Manufacturing (AM) is a rapidly developing technology that has many applications in the industry nowadays, as well as in medicine. That group of technologies have a significant advantage over traditional manufacturing processes as they enable fabrication of parts of almost any conceivable geometric shape and complex internal architecture. Electron Beam Melting (EBM) and Selective Laser Melting (SLM) are examples of Additive Manufacturing. Both use metallic powder as their building material, however energy sources used during the manufacturing process are different. First technology uses a concentrated electron beam and the second a high-energy laser. In this paper, cubic samples manufactured using EBM and SLM technologies from medical titanium alloys (Ti6Al4V and Ti6Al7Nb) were tested. Microstructure, hardness of samples and their cytotoxicity was determined. Due to very high gradients of temperature, during the AM processes, obtained microstructures are similar to multistage heat treatment of a conventionally manufactured titanium alloys. Hardness measurements show a great repeatability of results, with similar values regardless of building direction. They maintain at the level of 372 - 392 HV, which also suggests that heat treatment occurs during the process. For medical application, it is necessary that the used materials were characterized by low cytotoxicity. Due to their contact with human body, the possibility of harming cells must be eliminated. For this purpose, a biological analysis was performed under controlled conditions (37 ° C / 5% CO2) at 100% humidity, which confirmed the high purity of the materials.

PL

Wytwarzanie przyrostowe to szybko rozwijające się technologie mająca wiele zastosowań, zarówno w przemyśle, jak i medycynie. Charakteryzują się one wyraźną przewagą nad tradycyjnymi sposobami produkcji, gdyż pozwalają na wytwarzanie każdego geometrycznego kształtu, a także skomplikowaną architekturę wewnętrzną. Przetapianie Wiązką Elektronów (EBM, ang. Electron Beam Melting) oraz Selektywne Przetapianie Laserowe (SLM, ang. Selective Laser Sintering) są przykładami wytwarzania przyrostowego. Oba używają proszku metalowego jako materiału, jednakże źródła energii wykorzystywane w czasie produkcji są różne. Pierwszy używa skoncentrowanej wiązki elektronów, a drugi wysokoenergetycznego lasera. Podczas badania wyznaczono mikrostrukturę, twardość i cytotoksyczność próbek wykonanych metodami EBM i SLM z medycznych stopów tytanu (Ti6Al4V i Ti6Al7Nb).W związku z wysokimi gradientami temperaturowymi, mikrostruktury otrzymane podczas wytwarzania przyrostowego przypominają te, które daje konwencjonalna, wieloetapowa obróbka cieplna. Pomiary twardości wykazały powtarzalność wyników, z podobnymi wartościami niezależnie od kierunku budowy próbki. Znajdują się one w zakresie 372 - 392 HV, co sugeruje zachodzenie obróbki cieplnej podczas samego procesu. Użytkowanie materiału w medycynie wymaga niskiej cytotoksyczności, ze względu na kontakt z ludzkim ciałem. Próbki poddano biologicznej analizie w kontrolowanych warunkach (37 ° C / 5% CO2) w wilgotności równej 100%, co potwierdziło wysoką czystość materiałów.

Słowa kluczowe

EN

EBM; SLM; additive manufacturing; cytotoxicity tests

PL

EBM; SLM; wytwarzanie przyrostowe; badania cytotoksyczności

• Wydawca: Katedra Biomechatroniki, Wydział Inżynierii Biomedycznej Politechniki Śląskiej
• Czasopismo: Aktualne Problemy Biomechaniki
• Rocznik: 2018
• Tom: z. 15
• Strony: 5--12
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz.

Twórcy

autor

Czach J.

• Studenckie Koło Naukowe BioAddMed, Politechnika Wrocławska

autor

Hoppe V.

• Studenckie Koło Naukowe Materiałoznawstwa im. doc. Rudolfa Haimanna, Politechnika Wrocławska

autor

Szymczyk P.

• Katedra Technologii Laserowych, Automatyzacji i Organizacji Produkcji, Centre for Advanced Manufacturing Technologies (CAMT/FPC), Politechnika Wrocławska

autor

Junka A.

• Katedra Mikrobiologii Farmaceutycznej i Parazytologii, Uniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we Wrocławiu

Bibliografia

• 1. Körner C.: Additive manufacturing of metallic components by selective electron beam melting - a review. International Materials Reviews, vol. 61(5), 2016, p. 1-17.
• 2. Klingbeil N.W., Beuth J.L., Chin R.K., Amon C.H.: Residual stress-induced warping in direct metal solid freeform fabrication. International Journal of Mechanical Sciences, vol. 44(1), 2002, p. 57-77.
• 3. Moussaoui K., Mousseigne M., Senatore J., Chieragatti R.: The effect of roughness and residual stresses on fatigue life time of an alloy of titanium. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 78(1-4), 2015, p. 557-563.
• 4. Weiwei H., Wenpeng J., Haiyan L., Huiping T., Xinting K., Yu H.: Research on Preheating of Titanium Alloy Powder in Electron Beam Melting Technology. Rare Metal Materials Engineering, vol. 40(12), 2011, p. 2072-2075.
• 5. Dobrzański L.A.: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe. Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Wydanie II. WNT, Warszawa 2006.
• 6. Chlebus E., Kuźnicka B., Kurzynowski T., Dybała B.: Microstructure and mechanical behaviour of Ti-6Al-7Nb alloy produced by selective laser melting. Material Characterization, vol. 62(5), 2011, p. 488-495.
• 7. Lütjering G., Williams J.C.: Titanium (Engineering Materials and Processes). vol. 1. Springer, New York 2007.
• 8. de Formanoir C., Michotte S., Rigo O., Germain L., Godet S.: Electron beam melted Ti-6Al-4V: Microstructure, texture and mechanical behavior of the as-built and heat-treated material. Material Science Engineering: A, vol. 652, 2016, p. 105-119.
• 9. Szymczyk, P.; Ziółkowski, G.; Junka, A.; Chlebus, E.: Application of Ti6Al7Nb Alloy for the Manufacture of Biomechanical Functional Structures (BFS) for Custom-Made Bone Implants. Materials 2018, 11, 971.
• 10. Uhlmann E., Kersting R., Klein T.B., Cruz M.F., Borille A.V.: Additive Manufacturing of Titanium Alloy for Aircraft Components. Procedia CIRP, vol. 35, 2015, p. 55-60.
• 11. Sieniawski J., Ziaja W., Kubiak K., Motyka M.: Microstructure and Mechanical Properties of High Strength Two-Phase Titanium Alloys. Titan Alloys Advances in Properties Procedia CIRP, vol. 35, 2015, p. 55-60.
• 12. Niinomi M.: Mechanical properties of biomedical titanium alloys. Material Science Engineering: A, vol. 243(1-2), 1998, p. 231-236.
• 13. Semlitsch M.F., Weber H., Streicher R.M., Schön R.: Joint replacement components made of hot-forged and surface-treated Ti-6Al-7Nb alloy. Biomaterials, vol. 13(11), 1992, p. 781-788.