Utilizzo della produzione additiva per progettazione, realizzazione e validazione di geometrie trabecolari in Ti6Al4V per una protesi personalizzata di astragalo

The following project defines a strategy for the design of a customized talar prosthesis, made of Ti6AL4V and produced by SLM (Selective Laser Melting), which is an additive manufacturing technology. The current surgical treatments for the talus take into account only the complete removal of the bone, so it is proposed a more conservative solution: a resurfacing prosthesis, made by an external solid shell and a lattice internal structure for the osseointegration of the device. Four trabecular structures have been identified from the state of art. The corresponding geometrical models have been designed, respecting requirements of manufacturability and bone integration, then they were printed via SLM. The models have been also discretized with unidimensional elements. The numerical models obtained were validated through a comparison with experimental analysis conducted on printed specimens, considering uncertainties associated with computational models and bodily specimens. Furthermore, appropriate analysis has been performed on printed specimens to evaluate the effect introduced by the SLM technique on the morphology of powders and the thickness of the trabeculae. Lastly, a preliminary design was proposed based on a custom talus model. The project set the foundation for establishing a computational workflow as a design support tool for a custom device.

Il seguente lavoro definisce una strategia di progettazione per una protesi personalizzata di astragalo in Ti6Al4V mediante produzione additiva SLM (Selective Laser Melting). A fronte degli attuali trattamenti chirurgici che prevedono l’asportazione anche della parte di osso sano, viene presentata una soluzione più conservativa: una protesi di rivestimento costituita da un guscio esterno solido e da una struttura trabecolare interna per incentivare il processo di osteointegrazione. Da un’analisi di letteratura, sono state identificate quattro strutture trabecolari. I corrispettivi modelli geometrici sono stati disegnati, rispettando opportuni requisiti di stampabilità e compatibilità ossea, discretizzati mediante elementi monodimensionali e stampati. I modelli numerici ottenuti sono stati validati mediante un confronto con prove sperimentali condotte sui campioni stampati, considerando eventuali incertezze associate ai modelli computazionali e ai campioni fisici. Inoltre, sono state eseguite opportune analisi sui campioni stampati al fine di valutare l’effetto introdotto dalla stampa SLM sulla morfologia delle polveri e sullo spessore delle trabecole. Infine, è stato proposto un disegno preliminare di protesi sulla base di un modello di astragalo paziente-specifico. Il corrente lavoro pone le basi per lo sviluppo di uno strumento computazionale che supporti la fase di progettazione di un dispositivo paziente-specifico.