Produzione additiva per impianti ortopedici: caratterizzazione morfologica e del materiale di provini sottili in Ti6Al4V realizzati mediante SLM

Recently, the biomedical industry has increasingly adopted the Additive Manufacturing (AM) technology for the creation of customized devices, especially in the orthopedic field, as it allows the production of lattice structures that aim to replicate bone morphology. Selective Laser Melting (SLM) is one of the most common AM techniques for the production of these devices in Ti6Al4V alloy. However, there are no defined criteria for evaluating the safety and quality of these implants through experimental testing, due to the uniqueness of each custom-made implant. Consequently, the development of Finite Element (FE) models can support the design of such devices. This requires ensuring the reliability of these models in terms of geometry and material. Therefore, it is essential to analyze the individual elements of lattice structures, namely the struts, in terms of material, as it has been reported in literature that their mechanical properties can be significantly influenced by morphological imperfections, considering their small dimensions, and by the building orientation. For these reasons, the mechanical properties of millimeter-scale struts are not yet fully understood. Hence, this study aims to carry out the morphological and mechanical characterization of millimeter-scale specimens representing the struts of the prosthesis. The specimens were printed in Ti6Al4V ELI with three different building orientations (45°, 60° and 90°), and the effect of morphological imperfections and sample geometry on mechanical performance was evaluated with respect to the building orientation. The preliminary experimental analysis showed that the variation in printing angle and the presence of surface defects appear to influence the fatigue properties. Conversely, static properties in the elastic field appear to be sensitive only to internal defects in the specimens, showing no significant variations with respect to the building orientation. Furthermore, the results highlighted the existence of the size effect, namely a reduction in mechanical properties, both static and fatigue, compared to larger-sized specimens.

Recentemente, l’industria biomedicale ha sempre più adottato la tecnologia della produzione additiva per la creazione di dispositivi personalizzati, soprattutto in campo ortopedico, poiché consente di produrre strutture reticolari che mirano a replicare la morfologia ossea. La Selective Laser Melting (SLM) è una tra le tecniche di produzione additiva più comuni per la produzione di questi dispositivi in lega Ti6Al4V. Tuttavia, per valutare la sicurezza e la qualità delle protesi custom-made attraverso prove sperimentali, non esistono criteri definiti a causa dell’unicità di ciascun dispositivo. Di conseguenza, lo sviluppo di modelli ad elementi finiti può supportare la progettazione di tali dispositivi. A tal fine è necessario garantire l’affidabilità di questi modelli in termini di geometria e materiale. Dunque, è fondamentale analizzare i singoli elementi delle strutture reticolari, ovvero le strut, in termini di materiale poiché è emerso dalla letteratura che le loro proprietà meccaniche possono essere significativamente influenzate dalle imperfezioni morfologiche, considerando le loro ridotte dimensioni, e dall’angolo di stampa. Per queste ragioni, il comportamento meccanico delle strut non è ancora del tutto compreso. Pertanto, il presente elaborato ha l’obiettivo di effettuare la caratterizzazione morfologica e meccanica di provini su scala millimetrica, rappresentanti le strut della protesi. I campioni sono stati stampati in Ti6Al4V ELI con tre angoli di costruzione differenti (45°, 60° e 90°) ed è stato valutato l’effetto che le imperfezioni morfologiche e la geometria dei provini hanno sulle prestazioni meccaniche in relazione all’angolo di costruzione. L’analisi sperimentale preliminare ha mostrato che la variazione dell’inclinazione di stampa e la presenza di difetti superficiali sembrano influenzare le proprietà a fatica. Al contrario, le proprietà statiche in campo elastico sembrano essere sensibili solo ai difetti interni ai provini, non mostrando variazioni significative al variare dell’inclinazione. Inoltre, i risultati hanno evidenziato l’esistenza dell’effetto scala, ovvero una riduzione delle proprietà meccaniche, sia statiche che a fatica, rispetto a pezzi di dimensioni maggiori.