In the field of Tissue Engineering a great part of the research is devoted to the development of materials as substitutes for the bone tissue. The interaction of an artificial implant with the bone tissue depends on many factors, because of the nature of the tissue since undergoes a continuos process called Bone Remodelling. In addition to the biocompatibility of the scaffolds or implant with the living tissue, other requirements must be satisfied, especially when dealing with the porous part of the tissue: the trabecular bone. Metallic implants in particular must satisfy both structutal and mass-transoport needs for a successfull implantation. Mass-transport is important since nuorishments delivery to the ingrowing tissue must be properly tuned. On the other hand, structural requirements arise from the load-bearing nature of the implant and from the need to avoid the Stress Shielding effect. Therefore together with a proper design of the target properties of the scaffold, a reliable manufacturing technology must be chosen for the final creation of a functioning implant. Metal 3D printing is an additive manufacturing technique that is becoming a matter of interest for the fabrication of high-performance materials and structures. However a proper know-how is still needed to print accurately a product from the CAD data using appropriate set of process parameters. The first part of this study describes the methodology followed for the quantification of the technical know-how. Its use is finally presented in the second part in a stochastic finite element simulation for the prediction of the effective properties of the printed structures. In order to obtain the due information regarding the technical know-how, a simple cubic cellular structure has been fabricated by three different companies via DMLS using Maraging-steel powders and analyzed via micro-CT. For the quantification of printing know-how and for technology transfer, a parametrization procedure of the observed imperfections in association with process parameters has been established. The presence of such imperfections is therefore allowed with the constraint that the design requirements must be completely satisfied. This way the design&fabrication of 3D printed structures is facilitated and their performances are not compromised. The statistical quantification of the know-how has been made following the aforementioned parameterization procedure, by measuring parameters defined from the micro-CT imaging of the fabricated structures. Typical imperfections have been observed in the analized CT data and cathegorized into notch, kink, hole etc., in association with a process parameter such as the building direction. The parameterization procedure defined in the study allows also a technology transfer to geometries and metallic materials different from those employed in the study, so to avoid costly measurements everytime a new structure is designed. Such a technology transfer can be applied even for purposes other than the one presented in this study due to the general character of the parameterization procedure and therefore of the associated statistical parameters database. Selected geometrical defects such as notch, kink, and hole have been used for the creation of finite element models to be employed in a homogenization analysis. The purpose was to demonstrate the effectiveness of the homogenization method for the prediction of the elastic and fluid transport properties of the cellular structures containing geometrical defects. The effect of the physical uncertainties in the bulk material has been introduced by means of a stochastic expansion of the elastic homogenized properties, where a normal distribution has been assumed. Results of these calculations are meant to be a starting point for the design and printing of new optimized structures with no further need of trial&error fabrication.
Nel campo dell’ Ingegneria dei Tessuti gran parte della ricerca effettuata riguarda lo sviluppo di materiali come sostituti del tessuto osseo. L’interazione tra un impianto artificiale ed il tessuto osseo dipende da svariati fattori, dal momento che il tessuto per sua natura è continuamente sottoposto ad un processo denominato Rimodellamento Osseo. Oltre alla biocompatibilità dell’impianto, chiamato anche scaffold, col tessuto vivente altri requisiti devono essere soddisfatti, specialmente quando l’interazione avviene con la porzione piú porosa del tessuto: l’osso trabecolare. Gli impianti metallici in particolare devono soddisfare sia i requisiti strutturali che di trasporto di massa necessari per un corretto innesto degli scaffold. Il trasporto di massa è importante per il tessuto in crescita poiché i nutrimenti necessari devono essere opportunamente distribuiti. D’altra parte i requisiti strutturali devono essere soddisfatti dal momento che l’impianto è progettato per essere soggetto a carichi e deformazioni quando in opera, in modo da evitare il fenomeno di Schermamento degli Sforzi. Da tutto ciò ne consegue che insieme ad un un design opportuno delle proprietà di targa di un impianto, la tecnologia di produzione scelta deve consentirne la corretta fabbricazione. La stampa 3D dei metalli è una tecnica detta di Additive Manufacturing, in cui il metallo viene stampato solo dove necessario, che sta diventanto sempre più popolare nella produzione di materiali e strutture per alte prestazioni. Nonostante questa tecnologia sia parecchio attraente una conoscenza tecnica è tutt’ora necessaria per poter procedere ad uno stampaggio accurato, secondo appositi parametri di processo, di geometrie provenienti da file CAD. La parte iniziale di questo lavoro descrive il metodo utilizzato per la quantificazione di questa conoscenza tecnica. Il suo utilizzo è presentato infine nella seconda parte mediante una simulazione stocastica agli elementi finiti per predire le proprietà effettive delle strutture stampate. Le informazion necessarie riguardo alla conoscenza tecnica sono state ottenute attraverso la fabbricazione da parte di tre diverse compagnie tramite tecnologia di sinterizzazione laser selettiva dei metalli (DMLS) di una struttura a celle cubiche e successiva scansione a microtomografia computerizzata. Un’opportuna procedura di parametrizzazione dei difetti di fabbricazione è stata sviluppata in modo da poter procedere in modo solido alla quantificazione della conoscenza tecnica derivata. Inoltre la procedura permetterebbe un futuro trasferimento della conoscenza acquisita ad altri casi di strutture o materiali. La presenza dei difetti di fabbricazione sarebbe dunque ammessa, o meglio dire tollerata, nelle strutture prodotte. Il solo vincolo è però che i requisiti di design vengano completamente soddisfatti. In questo modo si può pensare di facilitare il processo di design e produzione delle strutture di stampa 3D, senza che la loro funzionalità venga compromessa. La quantificazione della conoscenza tecnica è stata fatta in modo statistico, seguendo la procedura di parametrizzazione sopra citata. I parametri definiti sono stati misurati dalle le immagini ricostruite tramite analisi microtomografica delle strutture stampate. Difetti tipici sono stati osservati dalle microtomografie e classificati in seguito come notch, kink, fori (holes), ecc., e associati ad un parametro di processo quale la direzione di stampa. La parametrizzazione così definita permette inoltre il trasferimento delle informazioni acquisite a geometrie e materiali metallici diversi da quelli utilizzati in questo lavoro di ricerca. Questo permette dunque di evitare costose misurazioni e produzioni di prova per ogni nuovo prodotto. Inoltre il carattere generale della procedura, cioé ampiamente adattabile a geometrie differenti, può essere applicata a strutture pensate per scopi diversi da quello qui presentato. Pertanto sia i parametri geometrici che i dati raccolti possono essere utilizzati per una larga classe di strutture. Nella creazione di modelli ad elementi finiti sono stati selezionati difetti specifici quali notch, kink e hole per un’analisi di omogeneizzazione. Lo scopo è di dimostrare l’efficacia del metodo di omogeneizzazione nel predire le proprietà eleastiche e di trasporto di strutture cellulari conteneti difetti geometrici. L’effetto incertezze proprietà fisiche del materiale di base, cioè il metallo con cui è stata effettuata la stampa, è stato introdotto tramite un’espansione stocastica delle proprietà elastiche omogeneizzate. Una distribuzione di tipo normale è stata utilizzata per descrivere la distribuzione stocastica. I risultati del calcoli effettuati sono il punto di partenza per il design e la stampa di nuove strutture ottimizzate, senza l’ulteriore bisogno di seguire un metodo “trial-and-error”.
Parameterization and measurement of imperfections in metal 3D-printed cellular structures by micro-CT for stochastic homogenization analysis
REALINI, PAOLO
2015/2016
Abstract
In the field of Tissue Engineering a great part of the research is devoted to the development of materials as substitutes for the bone tissue. The interaction of an artificial implant with the bone tissue depends on many factors, because of the nature of the tissue since undergoes a continuos process called Bone Remodelling. In addition to the biocompatibility of the scaffolds or implant with the living tissue, other requirements must be satisfied, especially when dealing with the porous part of the tissue: the trabecular bone. Metallic implants in particular must satisfy both structutal and mass-transoport needs for a successfull implantation. Mass-transport is important since nuorishments delivery to the ingrowing tissue must be properly tuned. On the other hand, structural requirements arise from the load-bearing nature of the implant and from the need to avoid the Stress Shielding effect. Therefore together with a proper design of the target properties of the scaffold, a reliable manufacturing technology must be chosen for the final creation of a functioning implant. Metal 3D printing is an additive manufacturing technique that is becoming a matter of interest for the fabrication of high-performance materials and structures. However a proper know-how is still needed to print accurately a product from the CAD data using appropriate set of process parameters. The first part of this study describes the methodology followed for the quantification of the technical know-how. Its use is finally presented in the second part in a stochastic finite element simulation for the prediction of the effective properties of the printed structures. In order to obtain the due information regarding the technical know-how, a simple cubic cellular structure has been fabricated by three different companies via DMLS using Maraging-steel powders and analyzed via micro-CT. For the quantification of printing know-how and for technology transfer, a parametrization procedure of the observed imperfections in association with process parameters has been established. The presence of such imperfections is therefore allowed with the constraint that the design requirements must be completely satisfied. This way the design&fabrication of 3D printed structures is facilitated and their performances are not compromised. The statistical quantification of the know-how has been made following the aforementioned parameterization procedure, by measuring parameters defined from the micro-CT imaging of the fabricated structures. Typical imperfections have been observed in the analized CT data and cathegorized into notch, kink, hole etc., in association with a process parameter such as the building direction. The parameterization procedure defined in the study allows also a technology transfer to geometries and metallic materials different from those employed in the study, so to avoid costly measurements everytime a new structure is designed. Such a technology transfer can be applied even for purposes other than the one presented in this study due to the general character of the parameterization procedure and therefore of the associated statistical parameters database. Selected geometrical defects such as notch, kink, and hole have been used for the creation of finite element models to be employed in a homogenization analysis. The purpose was to demonstrate the effectiveness of the homogenization method for the prediction of the elastic and fluid transport properties of the cellular structures containing geometrical defects. The effect of the physical uncertainties in the bulk material has been introduced by means of a stochastic expansion of the elastic homogenized properties, where a normal distribution has been assumed. Results of these calculations are meant to be a starting point for the design and printing of new optimized structures with no further need of trial&error fabrication.File | Dimensione | Formato | |
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