Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi

Arif BALCI, (Gazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Ankara, Türkiye)
Mehmet Fatih AYCAN, (Gazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Ankara, Türkiye)
Yusuf USTA, (Gazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Ankara, Türkiye)
Teyfik DEMİR (TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Ankara, Türkiye)
Politeknik Dergisi
6 1
Yıl: 2021 Cilt: 24 Sayı: 3 Sayfa Aralığı: 903 - 914 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.2339/politeknik.712759 İndeks Tarihi: 29-07-2022

Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi

Öz:
Üretildiği malzemenin dayanım, biyolojik ve yorulma gibi özelliklerini kullanım alanına uygun olarak şartlandırabilen gözenekliyapılara ortopedi alanında özellikle onarıcı biyomedikal ürün üretimi için gereksinim duyulmaya başlanmıştır. Dolu malzemelerinkemik ile dayanım farkının fazla olması sonucu ortaya çıkan gerilme kalkanı etkisi biyomedikal ürün kaybına sebep olmaktadır.Eklemeli imalat yöntemlerinin sağladığı avantaj sayesinde gözenekli malzemeler koşullara uygun olarak tasarlanabilmekte veyadoğal yapıya sahip geometrilerin kopyalanması ile üretim yapılabilmektedir. Literatürün genelinde yer alan tasarlanabilir birimhücre geometrilerinin üretilebilirliği ve dayanımı hakkındaki çalışmaların aksine yapılan çalışmada koyuna ait femur ve vertebrabölgelerinden alınan trabeküler kemiklerin Mikro-CT ile kopyalanması sonucu elde edilen geometriler Ti6Al4V ELI alaşımındanseçimli lazer ergitme (SLE) metodu ile üretilmiştir. Yapılan üretimlerin basma ve basma-kayma dayanımları incelenmiştir. Destekyapılar kullanılmadan yapılan üretim sonrası karşılaşılabilecek üretim değişimleri göz önünde bulundurularak trabeküler yapınınüretiminde 1:1, 1:1,10 ve 1:1,20 ölçekli geometriler kullanılmıştır. Yapılan basma testleri sonucunda elastisite modül femurnumunelerinde ortalama 3±0,25 GPa ve vertebra numunelerinde 2±0,15 GPa olarak elde edilmiş olup analizlerin deney sonuçlarıile uyumluluğunun yüksek olduğu görülmüştür. Çalışma kapsamında üretilen trabeküler metal yapının biyomedikal ürünlerdekullanılması durumunda sahip olduğu düşük elastisite modül değerleriyle gerilme kalkanı etkisini azaltacağı ve doğal kemikgeometrisi avantajı ile kemiğin içe doğru büyüme davranışını destekleyeceği sonucuna varılmıştır.
Anahtar Kelime: trabeküler kemik eklemeli imalat Seçimli lazer ergitme

Compression and Compression-Shear Strength of Trabecular Metal Structures Produced from Ti6Al4V ELI Alloy by Selected Laser Melting

Öz:
Porous structures that can provide properties of material and have started to be needed for production of regenerative biomedical products in orthopedics. The stress-shielding effect, which occurs as a result of remarkable strength difference from solid materials to bone, causes loss of biomedical implants. Porous materials can be designed according to conditions with advantages of additive manufacturing and manufacturing can be made by copying natural geometries. In the study, the geometries obtained by copying the trabecular bones taken from femur and vertebra regions of a sheep by Micro-CT compared to studies on reproducibility and strength of designable unit cell geometries in the literature were produced by selective laser melting from Ti6Al4V ELI alloy. Compression and compression-shear strengths of samples were examined. The elasticity module was obtained from the compression tests and found 3±0.25 GPa on the femur samples and 2±0.15 GPa on the vertebra samples. It was found that the compatibility of finite element analysis with the test results was admirable. As the trabecular metal takes its geometry from bone structure, it is concluded that it is an interface material with high fusion capability for biomedical products by supporting bone inward growth behavior and decreasing stress shielding effect.
Anahtar Kelime:

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık
  • [1] H. Liang, Y. Yang, D. Xiea, L. Lid, N. Maoa, C. Wange, Z. Tiana, Q. Jiangd, L. Shen, “Trabecular-like Ti-6Al-4V scaffolds for orthopedic: fabrication by selective laser melting and in vitro biocompatibility”, Journal of Materials Science & Technology, 35(7): 1284–1297, (2019).
  • [2] M. Schieker and W. Mutschler, “Bridging posttraumatic bony defects. Established and new methods”, Der Unfallchirurg, 109(9): 715–732, (2006)
  • [3] L. E. Murr, “Open-cellular metal implant design and fabrication for biomechanical compatibility with bone using electron beam melting”, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 76: 164–177, (2017).
  • [4] X. Li et al., “Fully degradable PLA-based composite reinforced with 2D-braided Mg wires for orthopedic implants”, Composites Science and Technology, 142: 180–188, (2017).
  • [5] A. A. Al-Tamimi, C. Peach, P. R. Fernandes, A. Cseke, and P. J. D. S. Bartolo, “Topology Optimization to Reduce the Stress Shielding Effect for Orthopedic Applications”, Procedia CIRP, 65: 202–206, (2017).
  • [6] H. M. Frost, “A 2003 update of bone physiology and Wolff s law for clinicians”, Angle Orthodontist, 74(1): 3–15, (2004).
  • [7] S. J. Hollister, “Scaffold design and manufacturing: From concept to clinic”, Advanced Materials, 21(32): 3330– 3342, (2009).
  • [8] M. J. Olszta, X. Cheng, S. S. Jee, R. Kumar, Y.-Y. Kim, M. J. Kaufman, E. P. Douglas ve L. B. Gower, “Bone structure and formation: A new perspective”, Materials Science and Engineering R: Reports, 58(5): 77–116, (2007).
  • [9] J. Rouwkema, N. C. Rivron ve C. A. van Blitterswijk, “Vascularization in tissue engineering”, Trends in Biotechnology, 26(8): 434–441, (2008).
  • [10] A. Kumar, K. C. Nune, L. E. Murr, ve R. D. K. Misra, “Biocompatibility and mechanical behaviour of threedimensional scaffolds for biomedical devices: Processstructure-property paradigm”, International Materials Reviews, 61(1): 20–45, (2016).
  • [11] S. J. Hollister, “Porous scaffold design for tissue engineering”, Nature Materials, 4(7): 518–524, (2005)
  • [12] D. W. Hutmacher, M. Sittinger, ve M. V Risbud, “Scaffold-based tissue engineering: rationale for computer-aided design and solid free-form fabrication systems” , Trends in Biotechnology, 22(7): 354–362, (2004).
  • [13] E. C. Novosel, C. Kleinhans, ve P. J. Kluger, “Vascularization is the key challenge in tissue engineering” , Advanced Drug Delivery Reviews, 63(4): 300–311, (2011).
  • [14] W. F. Liu ve C. S. Chen, “Engineering biomaterials to control cell function”, Materials Today, 8(12): 28–35, (2005).
  • [15] H. A. Zaharin et al., “Effect of unit cell type and pore size on porosity and mechanical behavior of additively manufactured Ti6Al4V scaffolds”, Materials, 11(12): 1- 15, (2018).
  • [16] Y. Wang, S. Arabnejad, M. Tanzer ve D. Pasini, “Hip Implant Design With Three-Dimensional Porous Architecture of Optimized Graded Density”, Journal of Mechanical Design, 140(11): 1-13 (111406), (2018)
  • [17] T. B. Kim, S. Yue, Z. Zhang, E. Jones, J. R. Jones, ve P. D. Lee, “Additive manufactured porous titanium structures: Through-process quantification of pore and strut networks”, Journal of Materials Processing Technology, 214(11): 2706–2715, (2014).
  • [18] T. Eli, “Relationship between unit cell type and porosity and the fatigue behavior of selective laser melted”, Journal of Materials Processing Technology, 43: 91– 100, (2015).
  • [19] S. M. Ahmadi et al., “Additively Manufactured Open-Cell Porous Biomaterials Made from Six Different SpaceFilling Unit Cells: The Mechanical and Morphological Properties”, Materials, 8: 1871–1896, (2015).
  • [20] J. Wieding, A. Wolf ve R. Bader, “Numerical optimization of open-porous bone scaffold structures to match the elastic properties of human cortical bone”, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 37: 56–68, (2014).
  • [21] J. Parthasarathy, B. Starly, S. Raman, and A. Christensen, “Mechanical evaluation of porous titanium (Ti6Al4V) structures with electron beam melting (EBM)”, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 3(3): 249–259, (2010).
  • [22] R. Wauthle et al., “Additively manufactured porous tantalum implants”, Acta Biomaterialia, 14: 217–225, (2015).
  • [23] J. Kadkhodapour et al., “Failure mechanisms of additively manufactured porous biomaterials: Effects of porosity and type of unit cell”, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 50: 180–191, (2015).
  • [24] R. Wauthle et al., “Effects of build orientation and heat treatment on the microstructure and mechanical properties of selective laser melted Ti6Al4V lattice structures”, Additive Manufacturing, 5: 77–84, (2015).
  • [25] S. Arabnejad, R. Burnett Johnston, J. A. Pura, B. Singh, M. Tanzer ve D. Pasini, “High-strength porous biomaterials for bone replacement: A strategy to assess the interplay between cell morphology, mechanical properties, bone ingrowth and manufacturing constraints”, Acta Biomaterialia, 30: 345–356, (2016).
  • [26] M. Fantini, M. Curto ve F. De Crescenzio, “A method to design biomimetic scaffolds for bone tissue engineering based on Voronoi lattices”, Virtual and Physical Prototyping, 11(2): 77–90, (2016).
  • [27] X. P. Tan, Y. J. Tan, C. S. L. Chow, S. B. Tor ve W. Y. Yeong, “Metallic powder-bed based 3D printing of cellular scaffolds for orthopaedic implants: A state-of-theart review on manufacturing, topological design, mechanical properties and biocompatibility”, Materials Science and Engineering C, 76: 1328–1343, (2017).
  • [28] M. Niinomi ve C. J. Boehlert, “Titanium Alloys for Biomedical Applications”, Advances in Metallic Biomaterials Tissues, Materials and Biological Reactions, Springer, Berlin Heidelberg, (2015).
  • [29] M. Dallago, B. Winiarski, F. Zanini, S. Carmignato ve M. Benedetti, “On the effect of geometrical imperfections and defects on the fatigue strength of cellular lattice structures additively manufactured via Selective Laser Melting”, International Journal of Fatigue, 124: 348– 360, (2019).
  • [30] L. Liu, P. Kamm, F. García-Moreno, J. Banhart ve D. Pasini, “Elastic and failure response of imperfect threedimensional metallic lattices: the role of geometric defects induced by Selective Laser Melting”, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 107: 160–184, (2017).
  • [31] Z. S. Bagheri, D. Melancon, L. Liu, R. B. Johnston ve D. Pasini, “Compensation strategy to reduce geometry and mechanics mismatches in porous biomaterials built with Selective Laser Melting”, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 70: 17–27, (2017).
  • [32] S. Van Bael, G. Kerckhofs, M. Moesen, G. Pyka, J. Schrooten ve J. P. Kruth, “Micro-CT-based improvement of geometrical and mechanical controllability of selective laser melted Ti6Al4V porous structures”, Materials Science & Engineering A, 528(24): 7423–7431, (2011).
  • [33] M. Mazur, M. Leary, M. McMillan, S. Sun, D. Shidid ve M. Brandt, “Mechanical properties of Ti6Al4V and AlSi12Mg lattice structures manufactured by Selective Laser Melting (SLM)”, Laser Additive Manufacturing Materials, Design, Technologies, and Applications Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials , Woodhead Publishing , Singapore, (2017).
  • [34] G. Dong, Y. Tang, and Y. F. Zhao, “A survey of modeling of lattice structures fabricated by additive manufacturing”,Journal of Mechanical Design, Transactions of the ASME, 139(10): 1–13, (2017).
  • [35] H. J. Wilke, A. Kettler, K. H. Wenger, and L. E. Claes, “Anatomy of the sheep spine and its comparison to the human spine”, Anatomical Record, 247(4): 542–555, (1997).
  • [36] H.-J. Wilke, A. Kettler, and L. E. Claes, “Are sheep spines a valid biomechanical model for human spines?”, Spine, 22(20): 2365–2374, (1997).
  • [37] F. Küçükaltun, A. Balcı, M. F. Aycan, Y. Usta, ve T. Demir, “Production Of Replicated Trabecular Bone Structure By Selectıve Laser Meltıng Method Using Ti6AL4V Powder And Investigation Of Geometric Accuracy”, The Internatinonal Conference on Materials Science Mechanical and Automotive Engineerings and Technology 2019, CAPPADOCIA/TURKEY, 533–538, (2019).
  • [38] ISO 13314, “Mechanical testing of metals—ductility testing—compression test for porous and cellular metals”, (2011).
  • [39] ASTM F2077-03, ”Test Methods For Intervertebral Body Fusion Devices", (2003).
APA BALCI A, Aycan F, Usta Y, Demir T (2021). Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi. , 903 - 914. 10.2339/politeknik.712759
Chicago BALCI Arif,Aycan Fatih,Usta Yusuf,Demir Teyfik Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi. (2021): 903 - 914. 10.2339/politeknik.712759
MLA BALCI Arif,Aycan Fatih,Usta Yusuf,Demir Teyfik Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi. , 2021, ss.903 - 914. 10.2339/politeknik.712759
AMA BALCI A,Aycan F,Usta Y,Demir T Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi. . 2021; 903 - 914. 10.2339/politeknik.712759
Vancouver BALCI A,Aycan F,Usta Y,Demir T Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi. . 2021; 903 - 914. 10.2339/politeknik.712759
IEEE BALCI A,Aycan F,Usta Y,Demir T "Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi." , ss.903 - 914, 2021. 10.2339/politeknik.712759
ISNAD BALCI, Arif vd. "Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi". (2021), 903-914. https://doi.org/10.2339/politeknik.712759
APA BALCI A, Aycan F, Usta Y, Demir T (2021). Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi. Politeknik Dergisi, 24(3), 903 - 914. 10.2339/politeknik.712759
Chicago BALCI Arif,Aycan Fatih,Usta Yusuf,Demir Teyfik Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi. Politeknik Dergisi 24, no.3 (2021): 903 - 914. 10.2339/politeknik.712759
MLA BALCI Arif,Aycan Fatih,Usta Yusuf,Demir Teyfik Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi. Politeknik Dergisi, vol.24, no.3, 2021, ss.903 - 914. 10.2339/politeknik.712759
AMA BALCI A,Aycan F,Usta Y,Demir T Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi. Politeknik Dergisi. 2021; 24(3): 903 - 914. 10.2339/politeknik.712759
Vancouver BALCI A,Aycan F,Usta Y,Demir T Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi. Politeknik Dergisi. 2021; 24(3): 903 - 914. 10.2339/politeknik.712759
IEEE BALCI A,Aycan F,Usta Y,Demir T "Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi." Politeknik Dergisi, 24, ss.903 - 914, 2021. 10.2339/politeknik.712759
ISNAD BALCI, Arif vd. "Seçimli Lazer Ergitme ile Ti6Al4V ELI Alaşımından Üretilen Trabeküler Metal Yapıların Basma Ve BasmaKayma Dayanımlarının İncelenmesi". Politeknik Dergisi 24/3 (2021), 903-914. https://doi.org/10.2339/politeknik.712759
Sayfa Oluşturulma Tarihi
25-04-2024 5:47

İLETİŞİM

TÜBİTAK ULAKBİM TR Dizin

Yüzüncüyıl, İşçi Blokları Mahallesi

Muhsin Yazıcıoğlu Caddesi No:51/C

06530 Çankaya / ANKARA +90 (312) 298 92 00

trdizin@tubitak.gov.tr

TÜBİTAK ULAKBİM Ulusal Akademik Ağ ve Bilgi Merkezi Cahit Arf Bilgi Merkezi © Tüm Hakları Saklıdır. Gizlilik Politikası Kullanım Şartları