Development of a microLMWD system with controlled atmosphere for processing biodegradable Mg-rare earth and permanent stainless steel alloys

Bioresorbable metallic materials represent the solution for temporary orthopaedic fixation, exploiting the natural degradation process after fracture healing completion. Iron, zinc and magnesium alloys are the bioresorbable metals that satisfy biocompatibility requirements. Among them, magnesium alloys stand out for the closest to human bone mechanical properties. Researchers are thus concerned in the engineering of new alloys and production methods for development of customizable bioresorbable implants. Additive manufacturing provides geometrical freedom, flexibility and customization. However, Mg-alloys are difficult to process due to the high reactivity. In this work a new manufacturing method is proposed for the realization of thin components. Micro laser metal wire deposition is a directed energy deposition process in which the feedstock material is a micro wire, so issues of hazardous powder raw material are avoided. A flash pumped Nd:YAG laser was used along with a home built wire feeder. Surface oxidation that prevents from the fulfilment of the process, has been managed with a new inert chamber designed for this purpose. Effects of the gas flow have been studied on AISI 316, that is considered a benchmark material for laser processes. A biodegradable Mg alloy with Dy as the main alloying element (Resoloy) has been employed. Processing conditions allowing stable deposition were sought. Multilayer Resoloy thin walls were deposited and further characterized for their chemical composition and microhardness. A lumped heat capacity model has been employed to estimate the amount of energy released from oxidation reaction during the process under controlled atmosphere. Optical emission spectroscopy monitoring has been implemented to the understand the influence of the process gas on the plume.

I materiali biodegradabili rappresentano la soluzione per applicazioni ortopediche in cui è richiesto un fissaggio temporaneo, sfruttando il naturale processo di degradazione una volta curata la frattura. Il ferro, le leghe di zinco e di magnesio sono i metalli che soddisfano i criteri di biocompatibilità. Fra questi, le leghe del magnesio spiccano per le proprietà meccaniche prossime a quelle dell’osso. Il mondo della ricerca è quindi impegnato nello studio di nuove leghe e nuovi metodi di produzione per sviluppare protesi biodegradabili personalizzate. La fabbricazione additiva offre libertà geometrica, flessibilità e la possibilità di realizzare soluzioni personalizzate. Tuttavia, è difficile lavorare le leghe del magnesio a causa dell’alta reattività. In questo elaborato è proposto un metodo innovativo per la realizzazione di pareti sottili. La deposizione laser di un filo metallico con diametro micrometrico è un processo di deposizione diretta in cui il materiale grezzo è un filo, quindi senza i rischi legati alla polvere reattiva. Sono stati utilizzati un laser impulsato Nd:YAG e un prototipo di spingi filo. Il problema dell’ossidazione superficiale, che impedisce la riuscita del processo, è stato risolto con una camera inerte progettata appositamente per l’applicazione. L’acciaio AISI 316 è stato usato per studiare l’effetto del gas sul processo, dal momento che si tratta di un materiale di riferimento per i processi laser. Una lega biodegradabile di magnesio con disprosio come principale elemento di lega (Resoloy) è stata utilizzata. Sono state studiate le condizioni per garantire la stabilità del processo. Pareti sottili composte da più strati di Resoloy sono state prodotte e caratterizzate dal punto di vista della composizione chimica e della microdurezza. Un modello a parametri concentrati è stato utilizzato per stimare l’energia liberata dalle reazioni di ossidazione durante il processo condotto in atmosfera controllata. Il monitoraggio tramite spettroscopia è stato introdotto nel sistema per comprendere l’effetto del gas di processo sul plume.