Assessment of the binder jetting process for the manufacturing of surgical instruments

Binder Jetting (BJT) is an Additive Manufacturing (AM) process characterized by a low-temperature printing process followed by various postprocessing steps depending on the processed material. A high-temperature sintering phase is needed if metal powder is used as feedstock. Supports are unnecessary during printing; however, fragile semi-products in the so-called “green state” must be manipulated before sintering, so their breakage after printing can be high. Besides, gravity and friction during sintering at a temperature close to the material's melting point can lead to deformations, requiring the design of sintering supports. Also, guidelines supporting designers exploiting the BJT potential and properly considering the challenges related to each stage of the manufacturing workflow are still limited. In such a context, this thesis aims to deepen the design and manufacturing potential of the BJT process for the fabrication of orthopedical surgical instruments currently produced using subtractive technologies. Guidelines to support the redesign of these instruments to guarantee their manufacturability via BJT and to exploit the design freedom allowed by this process are presented. Specifically, an experimental campaign was performed after a design activity of samples conceived for the targeted purposes. This campaign is divided into two phases. The first phase aimed to evaluate mechanical properties, relative density, and the consistency of these properties within the same print job. The second phase focused on analyzing samples representing possible printing conditions, relevant features of surgical devices, and complete models. This analysis has allowed for deepening the limits and challenges of the process and reflecting on potential design strategies to address them before printing. The results confirm the fundamental role of the design phase in properly exploiting the potential of the BJT process, including the choice of the printing and sintering orientations. Finally, they confirm that BJT is a promising AM process that supports rapid design iterations and customizability while reducing material waste.

Il Binder Jetting (BJT) è un processo di manifattura additiva caratterizzato da una fase di stampa a bassa temperatura seguita da fasi di post-processing diverse a seconda del materiale utilizzato. Nel caso di polveri metalliche è necessaria una fase di sinterizzazione ad alta temperatura. L’utilizzo di supporti non è richiesto durante la stampa; tuttavia, la necessità di manipolare i fragili semiprodotti, detti “verdi” rischia di causarne la rottura. Inoltre, durante la sinterizzazione, la forza di gravità e l’attrito possono generare deformazioni, richiedendo la progettazione di supporti appositi per questa fase. Limitate sono inoltre le linee guida a disposizione per sfruttare opportunamente le potenzialità del processo BJT e gestire le complessità relative al processo. La presente tesi si propone di approfondire le potenzialità progettuali e produttive del BJT per la fabbricazione di strumentari per la chirurgia ortopedica, attualmente prodotti con tecnologie sottrattive. La tesi propone delle linee guida preliminari a supporto della loro riprogettazione per garantirne la producibilità tramite BJT e sfruttare le libertà progettuali offerte da tale processo. Dopo un’approfondita attività di progettazione, la tesi ha previsto una dettagliata campagna sperimentale suddivisa in due fasi: la prima dedicata alla valutazione delle proprietà meccaniche, della densità relativa e dell’uniformità di tali proprietà all’interno del volume di stampa; la seconda concentrata sull’analisi di campioni rappresentativi di possibili condizioni di stampa e di caratteristiche rilevanti dei dispositivi chirurgici oggetto dello studio. Tale analisi ha permesso di valutare limiti e complessità del processo e di riflettere su potenziali strategie di progettazione da implementare. I risultati hanno confermato il ruolo fondamentale della fase di progettazione per sfruttare a pieno le potenzialità del BJT, evidenziando l’importanza della scelta degli orientamenti di stampa e di sinterizzazione. Infine, lo studio ha confermato che il BJT è un processo promettente che consente rapide iterazioni progettuali e la creazione di componenti personalizzati, riducendo al contempo sprechi di materiale.