Additive Manufacturing of Porous Ti6Al4V Alloy: Geometry Analysis and Mechanical Properties Testing

 

Vedecký kolektív z Technickej univerzity v Košiciach, Strojníckej fakulty, Katedry biomedicínskeho inžinierstva a merania publikoval pod názvom „Aditívna výroba z pórovitej zliatiny Ti6Al4V: analýza geometrie a testovanie mechanických vlastností“ dňa 15. marca 2021 odborný článok v karentovanom vedeckom časopise Applied Science. Ide o výskumnú činnosť v rámci projektu CEMBAM - Centrum medicínskeho bioaditívneho výskumu a výroby, ktorý je spolufinancovaný z Európskeho fondu regionálneho rozvoja. Prinášame abstrakt článku v anglickej aj slovenskej verzii.



Autori: Radovan Hudák, Marek Schnitzer, Zuzana Orságová Králová, Radka Gorejová, Lukáš Mitrík, Viktória Rajťúková, Teodor Tóth, Mila Kovačević, Marcel Riznič, Renáta Oriňaková and Jozef Živčák

 

Abstract: This work is devoted to the research of porous titanium alloy structures suitable for use in biomedical applications. Mechanical properties were examined on six series of samples with different structures and porosity via static compressive test to identify the type of structure suitable for elimination of the “stress shielding¨ effect. In addition, high porosity is desirable due to the overgrowth of bone tissue into the internal structure of the implant. The samples were made of titanium alloy Ti6Al4V by using selective laser melting (SLM) additive manufacturing. The series of samples differ from each other in pore size (200,400, and 600 µm) and porous structure topology (cubic or trabecular). The actual weight of all samples, which plays an important role in identifying other characteristics, was determined. Compressive tests were focused on the detection of maximum stress. The highest porosity and thus the lowest weight were achieved in the samples with a trabecular structure and 600 µm pore size. All tested samples reached optimal values of maximum stress and tensile strength. The most appropriate mechanical properties were observed for samples with a 200 µm pore diameter and cubic structure.

 

Abstrakt: Práca je venovaná výskumu pórovitých štruktúr zo zliatiny titánu, ktoré sú vhodné pre použitie v biomedicínskych aplikáciách. Mechanické vlastnosti sa skúmali na šiestich sériách vzoriek s rôznymi štruktúrami a pórovitosťou pomocou statického tlakového testu, aby bolo možné určiť vhodný typ štruktúry pre elimináciu stress shielding efektu. Okrem toho je žiaduca vysoká pórovitosť v dôsledku prerastania kostného tkaniva do vnútornej štruktúry implantátu. Vzorky boli vyrobené z titánovej zliatiny Ti6Al4V pomocou aditívnej technológie selektívneho laserového tavenia (SLM). Série vzoriek sa navzájom líšia veľkosťou pórov (200, 400 a 600 μm) atopológiou poréznej štruktúry (kubická alebo trabekulárna). Taktiež bola stanovená skutočná hmotnosť všetkých vzoriek, ktorá zohráva dôležitú úlohu pri identifikácii ďalších charakteristík. Tlakové testy boli zamerané na detekciu maximálneho napätia. Najvyššia pórovitosť a teda najnižšia hmotnosť sa dosiahli vo vzorkách s trabekulárnou štruktúrou a veľkosťou pórov 600 μm. Všetky testované vzorky dosiahli optimálne hodnoty maximálneho napätia a aj pevnosti v ťahu. Najvýhodnejšie mechanické vlastnosti boli pozorované pre vzorky s priemerom pórov 200 μm a kubickou štruktúrou.