Теплофизические аспекты обеспечения качества высокопористых имплантатов с ячеистой структурой, полученных методом селективного лазерного плавления

Теплофизические аспекты обеспечения качества высокопористых имплантатов с ячеистой структурой, полученных методом селективного лазерного плавления

Автор: Килина П.Н., Сиротенко Л.Д., Козлов М.С., Дроздов А.А.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 4 (102) т.27, 2023 года.

Бесплатный доступ

Селективное лазерное плавление представляет собой процесс аддитивного производства, предполагающий послойное построение трехмерного объекта путем локального плавления слоя порошка на основе подготовленной CAD -модели. Данная технология позволяет изготавливать изделия сложной конфигурации, включающие внутренние каналы сложной геометрии. К такого рода изделиям относятся персонифицированные высокопористые имплантаты, к которым предъявляются весьма жесткие требования в области упругих и прочностных свойств, обеспечивающие их соответствие свойствам заменяемых биологических объектов. Качество высокопористых ячеистых изделий, сформированных методом селективного лазерного плавления на основе металлопорошковых композиций, определяется значительным числом факторов, совокупное влияние которых трудно поддается контролю. При этом структура и механические свойства высокопористых ячеистых материалов, полученных методом лазерного синтеза, в значительной степени определяются стабильностью формы ванны расплава, которая зависит от способности локального отвода тепла, определяемой в свою очередь геометрией сплавляемого изделия. Представленное исследование посвящено численному анализу теплофизических параметров порошкового слоя во время процесса лазерного плавления, которое затруднительно анализировать путем прямых измерений, при этом создана вычислительная модель на основе COMSOL Multiphysics для прогнозирования температурного поля ванны расплава. Численная модель позволила количественно оценить влияние параметров процесса селективного лазерного плавления (мощность лазера и скорость сканирования) в сочетании с выбором материала и топологии детали на формирование температурных полей, определить технологические параметры процесса и особенности создания геометрии для аддитивного производства, позволяющие получать изделия должного качества. Методом лазерного плавления выращены ячеистые имплантаты на основе порошка Ti 6 Al 4 V .

Еще

Металлический порошок, селективное лазерное плавление, технологические параметры, геометрические характеристики, моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/146282794

IDR: 146282794   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2023.4.16

Список литературы Теплофизические аспекты обеспечения качества высокопористых имплантатов с ячеистой структурой, полученных методом селективного лазерного плавления

  • Агаповичев А.В., Сотов А.В., Смелов В.Г. Математическое моделирование процесса селективного лазерного сплавленияя порошка имианового сплава ВТ // Машиностроение и машиноведение. — 2020. — Т. 19, № 2. — С. 53—62.
  • Аль-Сандокачи М.Х.А. Моделирование теплопроводности порошковой среды применительно к задаче селективного лазерного плавления // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». — 2017. — Т. 17, № 1. — С. 55—63.
  • Андрюшкин А.Ю., Мещеряков С.А., Михайлов К.Н. Влияние пористости на механические свойства полученных селективным лазерным плавлением металлических изделий // Вопросы оборонной техники. — 2020. — Т. 16, № 7. — С. 7—8.
  • Богданович В.И., Гиорбелидзе М.Г., Сотов А.В., Проничев Н.Д., Смелов В.Г., Агаповичев А.В. Математическое моделирование процессов плавления порошка в технологии селективного лазерного плавления // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. -2017. - Т. 19, № 4. - С. 105-113.
  • Джалалова М.В., Степанов А.Г. Изучение поверхности циркониевого зубного имплантата в наномасштабе атомно-силовым микроскопом // Российский журнал биомеханики. - 2020. - Т. 24, № 4. - С. 469-474.
  • Джалалова М.В., Степанов А.Г., Апресян С.В., Оганян А.И. Численное исследование напряженно-деформированного состояния штифтовых культевых конструкций из диоксида циркония, изготовленных с использованием CAD/CAM-технологий // Российский журнал биомеханики. - 2023. -Т. 27, № 1. - С. 22-30.
  • Джеббар Н., Бачири А., Бутабут Б. Трехмерный конечно-элементный анализ влияния ударной нагрузки от импактора переменной массы на распределение напряжений на поверхности «кость - имплант» // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 1. -С. 10-21.
  • Долбачев А.П., Белов Н.А., Акопян Т.К. Экспериментальное изучение единичных треков, полученных из смеси порошков Ti и Al при варьируемых параметрах процесса селективного лазерного плавления // Известия вузов. Цветная металлургия. - 2021. - Т. 27, №. 4. - С. 51-58.
  • Коллеров М.Ю., Давыдов Е.А., Завгородняя Е.В., Афонина М.Б. Особенности изготовления и клинического применения пористых имплантатов из титана для лечения травм и заболеваний позвоночника // Российский журнал биомеханики. - 2022. - Т. 26, № 1. - С. 73-84.
  • Маслов Л.Б., Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А., Коваленко А.Н. Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния эндопротеза тазобедренного сустава при ходьбе // Российский журнал биомеханики. -2021. - Т. 25, № 4. - С. 414-433.
  • Маслов Л.Б., Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А., Коваленко А.Н. Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала // Российский журнал биомеханики. - 2022. - Т. 26, № 4. - С. 19.
  • Мельникова М.А., Таксанц М.В., Холопов А.А., Тарева А.А., Волкова А.А. Исследование особенностей создания одномерных объектов методом импульсного селективного лазерного плавления // Известия высш. уч. зав. Машиностроение. - 2020. - № 11. - С. 26-34.
  • Перельмутер М.Н. Концентрация напряжений в костных тканях и винтовых дентальных имплантатах // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 2. - С. 18-29.
  • Розов Р.А., Хигучи К.У., Брунски Дж., Трезубов В.Н., Смердов А.А., Мишнев М.Л. Трехмерный конечно-элементный анализ влияния утраты дентального имплантата на распределение напряжения в имплантационном протезе нижней челюсти // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 3. - С. 24-35.
  • Сапрыкина Н.А., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А., Химич М.А. Влияние режимов селективного лазерного воздействия на пористость образцов из порошков кобальта, хрома и молибдена // Вестник Брянского ГТУ. - 2021. - Т. 105, № 8. - С.22-28.
  • Суфияров В.Ш., Орлов А.В., Попович А.А., Чуковенкова М.О., Соклаков А.В., Михалюк Д.С. Рассчетное исследование прочности эндопротеза из материала с градтентной ячеистой структурой // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т. 25, № 1. - С. 64-77.
  • Федорова Н.В., Ларичкин А.Ю., Шевела А.А. Моделирование нагрузок, создаваемых мостовидным зубным протезом с опорой на имплантаты верхней челюсти // Российский журнал биомеханики. - 2022. - Т.23, № 2. -С. 56-66.
  • Bandyopadhyay A., Mitra I., Avila J.D., Upadhyayula M., Bose. S. Porous metal implants: processing, properties, and challenges // Int. J. Extrem. Manuf. - 2023. - Vol. 5, No. 3. -Article no. 032014.
  • Costanza G., Solaiyappan D., Tata M.E. Properties, applications and recent developments of cellular solid materials: a review // Materials. - 2023. - Vol. 16, No. 22. - P. 7076.
  • Dejene N.D., Lemu H.G., Gutema E.M. Critical Review of Comparative Study of Selective Laser Melting and Investment Casting for Thin-Walled Parts // Materials. - 2023. - Vol. 16, No. 23. - Article no. 7346.
  • Fabris D., Mesquita-Guimaraes J., Pinto P., Souza J.C.M., Fredel M. C., Silva F.S. Henriques B. Mechanical properties of zirconia periodic open cellular structures // Ceramics International. - 2019. -Vol.45, No. 13. - P. 15799-15806.
  • Gao B., Zhao H., Peng L., Sun Z.A Review of research progress in selective laser melting (SLM) // Micromachines. - 2023. -Vol. 14, No. 1. - Article no. 57.
  • Hu R., Su K., Lao Z., Cai Y., Fu B., Yuen M.M.F., Gao Z., Cao M., Wang Y. Process of pure copper fabricated by selective laser melting (SLM) Technology under moderate laser power with re-melting strategy // Materials. - 2023. -Vol. 16, No. 7. -Article no. 2642.
  • Ilin A., Logvinov R., Kulikov A., Prihodovsky A., Xu H, Ploshikhin V, Günther B., Bechmann F. Computer aided optimisation of the thermal management during laser beam melting process // Physics Procedia. - 2014. - Vol. 56. -P. 390-399.
  • Jadhav S.D., Dadbakhsh S., Goossens L., Kruth J-P, Humbeeck J.V., Vanmeensel K. Influence of selective laser melting process parameters on texture evolution in pure copper // Journal of Materials Processing Technology. -2019. - Vol. 270. -P. 47-58.
  • Kaya G., Yildiz F., Korkmaz 1. H., Kaymaz I., Yetim A.F., Ergüder T.O., §en Q. Effects of process parameters on selective laser melting of Ti6Al4V-ELI alloy and parameter optimization via response surface method // Materials Science and Engineering: A. - 2023. - Vol. 885. - Article no. 145581.
  • Kuchumov A.G., Nyashin Y.I., Samartsev V.S., Tuktamyshev V.S., Lokhov V.A., Shestakov A.P. Mathematical modelling of shape memory stent placing at endobiliary interventions // Russian Journal of Biomechanics. - 2017. - Vol. 21, No. 4. -P. 394-404.
  • Kuntoglu M., Salur E., Canli E., Aslan A., Gupta M. K., Waqar S., Krolczyk G. M., Xu J. A state of the art on surface morphology of selective laser-melted metallic alloys // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2023. - Vol. 127. - P. 1103-1142.
  • Liu B., Fang G., Lei L., Yan X. Predicting the porosity defects in selective laser melting (SLM) by molten pool geometry // International Journal of Mechanical Sciences. - 2022. -Vol. 228, No.15. - Article no. 107478.
  • Loginov Y.N., Koptyug A., Popov V.V. Jr., Belikov S.V., Mukanova G., Golodnov A.I., Stepanov S.I. Compression deformation and fracture behavior of additively manufactured Ti-6Al-4V cellular structures // International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. - 2022. -Vol. 5, No. 1. - P.126-135.
  • Marques B.M., Andrade C.M., Neto D. M., Oliveira M.C., Alves J.L., Menezes L.F. Numerical Analysis of Residual Stresses in Parts Produced by Selective Laser Melting Process // Procedia Manufacturing. - 2020. - Vol. 47. - P. 1170-1177.
  • Mishra A. K., Kumar A. Development and validation of a material evaporation assisted thermal model for time-efficient calculation of thermal and solidification parameters during laser powder bed fusion process for Ti6Al4V // Additive Manufacturing. - 2023. - Vol. 66. - Article no. 1103453.
  • Mohanty S., Hattel J.H. Numerical model based reliability estimation of selective laser melting process // Physics Procedia. - 2014. - Vol. 56. - P. 379-389.
  • Pimenov D.Y., Berti L.F., Pintaude G., Peres G. X., Chaurasia Y., Khanna N., Giasin K. Influence of selective laser melting process parameters on the surface integrity of difficult-to-cut alloys: comprehensive review and future prospects // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2023. - Vol. 127. - P. 1071-1102.
  • Sabuj R., Afshari S. S., Liang. X. Selective laser melting part quality prediction and energy consumption optimization // Measurement Science and Technology. - 2023. - Vol.34, No. 7. - Article no. 075902.
  • Sufiiarov V.Sh., Orlov A.V., Borisov E.V., Sokolova V.V., Chukovenkova M.O., Soklakov A.V., Mikhaluk D.S., Popovich A.A. Modeling the mechanical properties of lattice structures made by selective laser melting // Letters on Materials. - 2020. - Vol. 10, No.2. - P. 123-128.
  • Trusov G.V., Tarasov A.B., Moskovskikh D.O., Rogachev A.S., Mukasyan A.S. High porous cellular materials by spray solution combustion synthesis and spark plasma sintering // Journal of Alloys and Compounds. - 2019. - Vol. 779. -P. 557-565.
  • Vora H.D., Santhanakrishnan S., Harimkar S.P., Boetcher S.K.S., Dahotre N.B. One-dimensional multipulse laser machining of structural alumina: evolution of surface topography // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2013. - Vol. 68. - P. 69-83.
  • Yang D., Xinyu Y., Fengbin Q, Lijie G, Zhengwu L. A model for predicting the temperature field during selective laser melting // Results in Physics. - 2019. - Vol. 12. - P. 52-60.
  • Yang Y., Keulen F., Ayas C.A computationally efficient thermal model for selective laser melting // Additive Manufacturing. - 2020. - Vol. 31. - Article no. 100955.
  • Zadpoor A.A. Additively manufactured porous metallic biomaterials // J. Mater. Chem. B. - 2019. - Vol. 7. - P. 40884117.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp