Effects of bone-inspired porosities on additive manufactured samples

Bone pathologies such as osteoporosis, osteopetrosis and osteoarthrosis have a detrimental impact on the health of women approaching menopause and elderly people. A beneficial impact on society can be achieved by improving the knowledge of how these pathologies affects the damage of bones, focusing on the role of the micro scale voids present in the structures, i.e. lacunar canalicular network. This is the main reason that lead many scientists in the recent years to investigate the role of the lacunae in bone damage. There are several approaches adopted to address these studies: using bones from humans. Unfortunately, this method implies ethical problems related to privacy protection; furthermore it isn’t so advantageous because each human specimen has a unique structure that can be tested only one time. So, scientists started to develop computational simulation of fatigue failure using computers 3D models replicating the human bone structure observed thanks to a µCT of real bones. These simulations using finite elements analysis have to be validated by experimental test. In order to do this, scientists took advantage of the new emerging technology AM, which allows to build easily complex porous structure. However, this new technique presents some issues that make the specimen not reliable. Like the residual stresses, that can lead to an incorrect failure of the part during testing; or morphological inaccuracies in fabrication of the parts respect to the computer 3D model used as reference. The aim of the present work is to estimate the potentialities and the drawbacks in the realization of metallic parts in AISI 316L with bio-inspired structure, in particular replicating lacunar network, that must be used for the validation of computer simulations. The focus is to choose the best strategy for a thermal treatment that allows a proper stress relief while keeping a good morphological accuracy of the bio inspired structure with respect to the computer model. The specimens were fabricated using the SLM technique, then thermally treated at different temperature of 400°C, 500°C, 600°C, 700°C, 800°C, 900°C for 1 hour and at the end cooled in air. At the beginning, XRD was used to estimate the trend and the values of residual stresses in each specimen. This allowed to recognize which thermal treatment was more effective in reducing the residual stresses. These selected specimens were then characterized to evaluate how the morphological accuracy changed after the thermal treatment. Each specimen was cut with a polisher to observe at the optical microscope the section of the lacunae-like voids present. Firstly, the observation regarded the state of the residual powders that remains within the lacunae when AM technique produce architected porous structure, if sintering phenomena occurred during the thermal treatment or not. Secondly the morphological accuracy with respect to the computer 3D model of the piece was evaluated. This was achieved by performing the same cut on the 3D computer models, measuring the area of the lacuna sectioned and comparing it with the area calculated form the optical microscope images. At the end, the quality of the replicability using SLM technique was assessed using a µCT of an as built specimen and comparing the output with the 3D computer model. From the results obtained it can be stated that SLM is a good technique to be used in replication of high complex bio inspired structure. Also, a thermal treatment of 800°C for 1 hour can be a good compromise between all the initial requests: it reduced the maximum residual stress measured from 462 MPa to 230 MPa, while keeping a morphological accuracy respect the computer model of 37%. The future insight of the present work is to apply the thermal treatment to a mechanical specimen containing the lacunar canalicular network of bones that are affected by osteoporosis, osteoarthrosis, osteopetrosis, in order to validate the numerical models already developed. A next step might be finding another thermal treatment strategy that is a better compromise between stress relief and morphological accuracy, for example using lower temperature kept with higher holding time than 1 hour or using temperature in between the one considered in this work.

Patologie come l’osteoporosi, osteopetrosi e osteoartrosi, sono dannose per la salute di numerose donne in menopausa ma anche anziani. Migliorare la conoscenza di come queste malattie agiscono durante il danneggiamento osseo, concentrandosi sul ruolo delle cavità presenti alla micro scala nella struttura ossea, come le lacune, può avere un notevole impatto positivo nella società. Per questo motivo negli ultimi anni gli scienziati si sono concentrati nell’indagare il ruolo delle lacune nel danneggiamento osseo, adottando diversi approcci come l’utilizzo di provini umani. Purtroppo, non si è rivelata una strategia vincente, innanzitutto per i problemi legati alla protezione della privacy del paziente, ma soprattutto considerando il fatto che ogni provino osseo è caratterizzato da un’unica peculiare struttura che può essere testata solo una volta. La nuova direzione è stata di utilizzare modelli computazionali che simulassero la rottura a fatica partendo da modelli 3D dell’osso repliche della reale struttura osservata e ricostruita avvalendosi di un’analisi µCT. Le simulazioni per essere affidabili devono essere validate con test sperimentali. L’AM tecnica di produzione emergente permette di avere libertà sull’architettura del pezzo, viene quindi usata per fabbricare questi provini dalla struttura porosa bio ispirata. Il rovescio della medaglia è che questa tecnologia produce molti stress residui nei pezzi finali, causando il loro malfunzionamento durante i test meccanici; ma anche imprecisioni nel replicare la morfologia del modello 3D presente sul computer che viene usato come riferimento. Lo scopo del seguente lavoro è di valutare le potenzialità e i limiti nella realizzazione di provini metallici in AISI 316L che riproducono le porosità ossee presenti come lacune, che devono essere usati per validare le simulazioni computazionali. L’obiettivo è di scegliere la migliore strategia di trattamento termico per ridurre gli stress residui e mantenere al tempo stesso una buona accuratezza morfologica rispetto al modello 3D del computer. I provini sono stati fabbricati con la tecnica SLM, trattati termicamente a 400°C, 500°C, 600°C, 700°C, 800°C, 900°C per un’ora e raffreddati in aria. Inizialmente, un’analisi XRD è stata usata per valutare l’andamento e l’entità degli stress residui all’interno del provino, in modo da individuare quali trattamenti riducessero in modo piu efficiente gli stress residui. In seguito su questi provini è stata effettuata una caratterizzazione su come si sia modificata la morfologia con il trattamento termico. Ogni provino è stato tagliato con la lucidatrice e osservato al microscopio ottico, concentrandosi sulla sezione delle lacune tagliate. Per prima cosa, le osservazioni si sono concentrate sullo stato delle polveri residue presenti dopo la fabbricazione della parte, se si sono sinterizzate oppure no durante il trattamento termico. In seguito, la precisione morfologica rispetto al modello 3D è stata valutata confrontando le immagini del microscopio con le sezioni ottenute tagliando il modello CAD. Le due aree sono state misurate e poi confrontate. In ultima istanza, una µCT di un provino non trattato ha permesso di valutare la qualità della replica della tecnica SLM rispetto al modello computazionale. Dai risultati ottenuti è stato possibile dedurre che SLM è una buona tecnica da adoperare per replicare complicate strutture bio ispirate. Ma anche che si può applicare un trattamento termico di 800°C per un ora come compromesso tra tutte le richieste iniziali: i massimi stress residui sono scesi da 462 MPa a 230 MPa, mantenendo una buona precisione morfologica, in cui la differenza tra modello reale e digitale è del 37%. Il prossimo passo di questo lavoro è di applicare il trattamento termico al provino che dovrà validare il modello computazionale. Un futuro sviluppo del presente studio può essere trovare un’altra strategia di trattamento termico che risulta migliore della presente. Ad esempio, usando temperature minori ma con tempi piu lunghi di trattamento o temperature intermedie rispetto a quelle analizzate.