Computational analysis of static and fatigue performance of SLM Ti-6Al-4V abutments: roughness effect on multiaxial fatigue criteria

Dental implants have been used for decades to compensate for permanent toothlessness. They consist of several parts: the implant body, the abutment, the crown and the screw. Before implanting this type of device, it is necessary for it to be tested, following existing regulations, through loading and unloading cycles to ensure its safety and durability. In this work, we focused on the study of an abutment produced by melting grade 23 titanium powder using a laser beam (SLM). The abutment enters into contact with the gingival tissue and allows the distribution of masticatory loads from the crown to the implant body. The complexity of the abutment geometry, loading conditions and its surface condition can significantly influence the results of the fatigue test. In this study, we wanted to explore the surface roughness of different types of abutments in order to verify whether the machining operations carried out are able to achieve reproducible results and whether a different roughness can change the fatigue performance of the abutment. To achieve these objectives, several activities were carried out. Using a confocal laser microscope (LEXT OSL 4100 by Olympus), we obtained the surface roughness parameters of different types of abutments, which allowed us to verify that their geometry affects the outcome of the surface machining by obtaining non-statistically reproducible roughness values. We then implemented a static finite element simulation (FEM) with the Abaqus CAE 2022 software and the results obtained were integrated into a Matlab code in order to reproduce a cyclic loading condition. The static analysis showed which zone was the most stressed (thus most at risk) during the application of the load. From this zone, we extracted the data of interest (stresses and deformations) in order to implement four criteria that allowed us to verify the behaviour of the abutment during the various load cycles. In this cyclic analysis, the roughness values obtained were also incorporated in order to assess the effects on fatigue life. This last analysis led us to the conclusion that even just a few micrometres difference can make a big difference in the fatigue life of an implant.

Gli impianti dentali sono ormai utilizzati da decine di anni per sopperire alla mancanza permanente di denti. Essi sono composti da diverse parti quali: il corpo dell'impianto, l'abutment, la corona e la vitina. Prima di impiantare questo tipo di device, è necessario che esso sia testato, seguendo le normative esistenti, tramite cicli di carico e scarico per poterne assicurare la sicurezza e durabilità nel tempo. In questo lavoro ci siamo concentrati sullo studio di un abutment prodotto tramite la fusione di polveri di titanio grado 23 grazie ad un fascio laser (SLM). L'abutment entra in contatto con il tessuto gengivale e permette la distribuzione dei carichi masticatori dalla corona al corpo dell'impianto. La complessità della geometria dell'abutment, le condizioni di carico e le sue condizioni superficiali possono influenzare significativamente i risultati della prova a fatica. In questo studio infatti, abbiamo voluto esplorare la rugosità superficiale di diversi tipi di abutment in modo da verificare se le lavorazioni effettuate riescano ad ottenere risultati riproducibili e se una diversa rugosità possa modificare le prestazioni a fatica dell'abutment. Per raggiungere questi obiettivi, sono state svolte diverse attività. Grazie ad un microscopio laser confocale (LEXT OSL 4100 by Olympus) abbiamo ricavato i parametri di rugosità superficiale di diversi tipi di abutment, questo ci ha permesso di verificare che la loro geometria influisce sull'esito delle lavorazioni superficiali ottenendo valori non statisticamente riproducibili di rugosità. Successivamente abbiamo implementato una simulazione statica ad elementi finiti (FEM) con il software Abaqus CAE 2022 e i risultati ottenuti sono stati integrati in un codice Matlab per poter riprodurre una condizione di carico ciclico. L'analisi statica ha evidenziato quale fosse la zona più sollecitata (quindi più a rischio) durante l'applicazione del carico. Da questa zona abbiamo estratto i dati di interesse (sforzi e deformazioni) per poter implementare quattro criteri di resistenza a fatica multiassiale che ci hanno permesso di verificare il comportamento dell'abutment durante i vari cicli di carico. In questa analisi ciclica sono stati ingrati anche i valori di rugosità ottenuti per poter valutare gli effetti sulla resistenza a fatica. Quest' ultima analisi ci ha portati a concludere che, anche solo pochi micrometri di differenza, possono fare una grande differenza nella vita a fatica di un impianto.