Mechanical and surface characterization of L-PBF 3D printed Ti6Al4V with osteoconductive surface

Recently, the fabrication methods of biomedical devices have been greatly developed. Additive manufacturing technology allows the production of complex structures and opens the possibility to custom-made implants. In other words, it has the potential to overcome the limitations of conventional fabrication methods. This study is focused on a dental application, originally abandoned and only in the last years back in vogue thanks to the unique possibilities of AM: sub-periosteal dental implant. Several types of additive manufacturing techniques are discussed. Then, an optimization of process parameters of L-PBF printing system has been performed. The biological application under investigation has to deal with different requirements: high mechanical resistance and high quality surface to involve the process of osseointegration. Several studies still exist about quantitative relationship between process parameters and resulting product and they represent the basis of this work. Firstly, a metallographic analysis has been performed to understand the effect of post-treatments protocol. Then, surface evaluation has been carried on in order to analyse with quantitative index both smooth surface and design texture pattern. Mechanical properties are found out both at macroscale, with tensile test, both at nanoscale, with nanoindentation test. Finally a numerical analysis has been implemented in order to quantitative evaluate the effect of the profile roughness and to give an advice about the fatigue life of the material.

Le nuove tecniche di produzione di dispositivi biomedicali hanno subito un notevole sviluppo. La tecnologia additiva consente la produzione di strutture geometricamente complesse e apre nuovi orizzonti alla progettazione paziente specifica. Queste nuove innovazioni permettono di superare numerosi limiti delle tecnologie tradizionali. Questo studio è dedicato alla progettazione di un materiale utilizzato per l'implantologia dentale. In particolare, si concentra l'analisi su impianti subperiostei, da tempo andati in disuso ma recentemente tornati sul mercato grazie alle inimitabili possibilità offerte dall'utilizzo di tecnologie 3D. A seguito di un'accurata descrizione delle tecnologie del settore, abbiamo focalizzato la nostra attenzione sulla tecnologia di tipo L-PBF (Laser-Powder Bed Fusion) della quale abbiamo operato un'ottimizzazione dei parametri di processo. L'applicazione biologica in esame deve soddisfare diversi requisiti: ad un'elevata resistenza meccanica del materiale si accompagna un processo di ingegnerizzazione delle superfici al fine di migliorare l'osteointegrazione. In primo luogo, è stata eseguita un'analisi metallografica per comprendere l'effetto del protocollo relativo ai trattamenti di post-produzione. E' stata eseguita una valutazione della rugosità sulle superfici lisce ed è stata scelta una corretta texture per le superfici osteointegrative. Sono state condotte analisi meccaniche sia su scala macroscopica (prove di trazione monoassiale) che su scala nanoscopica (prove di nanoindentazione). Infine, è stata implementata un'analisi numerica con lo scopo di valutare quantitativamente l'effetto della rugosità del profilo e di fornire un'indicazione sul comportamento a fatica del materiale.