A fém additív gyártás (vagy fém 3D nyomtatás) ma már egy jól bevált és kiforrott technológia, amelyet világszerte használnak különböző iparágakban végfelhasználásra szánt fém alkatrészek gyártására. Az orvosi alkalmazásokban a fém additív gyártás legnagyobb előnye az egyedi és páciensspecifikus implantátumok és orvosi eszközök esetében mutatkozik meg. A páciensspecifikus geometria a lehető legjobb illeszkedést biztosítja a beteg számára, javítva a gyógyulási időt és a sikerességi arányt. A másik nagy előny a porózus fémszerkezetek létrehozásának lehetősége az implantátum részeként vagy egészeként. Ezeket a porózus szerkezeteket cellás vagy rácsos szerkezeteknek is nevezik.
Ezek a szándékosan megtervezett vagy “architekturált” cellaszerkezetek több okból is előnyösek az implantátumok számára: 1) Úgy tervezhetők, hogy jobban megfeleljenek a szükséges mechanikai tulajdonságoknak (a tömör fémhez képest a szomszédos csontéhoz jobban hasonlítsanak a hatékony tulajdonságaik). 2) Porózus jellegük kedvezően hat a tápanyagok áramlására és az érképződésre, ezáltal fokozva a csontnövekedési folyamatot. Hosszabb távon pedig lehetővé teszik a csont beágyazódását a nyitott porózus szerkezetbe, a jobb csont-implantátum rögzülés érdekében. Ebben a cikkben a fém 3D nyomtatás egy fontos fogalmára, a fáradási teljesítményre összpontosítunk.
Amikor egy tárgyat folyamatos ciklikus terhelésnek tesznek ki, az anyag folyáshatára alatti maximális terheléssel, végül repedések keletkeznek, és az anyag tönkremegy – ez a fáradás. A fáradási szilárdság azt a terhelési maximumot jelenti, amelynél az anyag néhány millió ciklust (nagyciklusú fáradás) vagy több millió ciklust (nagyon nagyciklusú fáradás) kibír. A fáradási élettartam az adott terhelés mellett a meghibásodás bekövetkezése előtti ciklusok számát jelenti. A fáradási teljesítmény ezek kombinációjára utal különböző terhelési körülmények között, és ezért az anyag általános képességére utal, hogy ellenálljon az ilyen meghibásodásoknak.
1. ábra: Titánban nyomtatott rácskockák sorozata a dél-afrikai Bloemfontein-i Központi Műszaki Egyetemen
A cellaszerkezetek fém 3D nyomtatását egyre gyakrabban alkalmazzák nagy sikerrel, de sok kérdés még mindig fennáll:
- Milyen kialakítású és architektúrájú rácsot kell használni?
- Melyik pórusméret a legjobb?
- Az egész implantátum legyen rácsos, vagy csak egy kis szakasza?
2. ábra: A dél-afrikai LRS implants and Executive Engineering (Fokváros, Dél-Afrika) által Dél-Afrikában gyártott titán implantátumok sejtszerkezete
Még fontosabb, hogy milyen az ilyen szerkezetek ciklikus teljesítménye? A legtöbb implantátum várhatóan ciklikus terhelésnek lesz kitéve, ezért e szerkezetek fáradási teljesítménye rendkívül fontos. A ciklikus terhelésnek kitett anyagokban a folyáshatárnál jóval kisebb feszültségszintek mellett repedések keletkezhetnek és terjedhetnek, ami nem kívánatos az olyan alkalmazásokban, mint például az orvosi implantátumok.
Fémrácsok orvosi implantátumokhoz: Fáradási teljesítmény optimalizálása 2.
