Selective Laser Melting of Biocompatible Metals for Rapid Manufacturing of Medical Parts

摘要

Het hoofddoel van deze doctoraatsstudie is het onderzoeken van Selectief Laser Smelten (SLM) als potentiële techniek voor de snelle vervaardiging van medische stukken. SLM zou veel opportuniteiten kunnen bieden in het gebied van de genees- en tandheelkunde. Medische en dentale implantaten of prothesen zijn echter een veeleisende sector inzake vervaardiging. Ze voeren geavanceerde functies uit en moeten ontworpen en geproduceerd worden volgens de strengste normen. Om te kunnen voldoen aan deze medische productievereisten, werd tijdens dit onderzoek het SLM-proces geoptimaliseerd voor twee biocompatibele metaallegeringen: cobalt-chromium-molybdenium (Co-Cr-Mo) and titanium-aluminium-vanadium (Ti-6Al-4V). De optimalisering beoogde een maximale densiteit, omdat resterende poriën een nefast effect hebben op de materiaaleigenschappen. Procesparameters met een sterke invloed op de densiteit van de geproduceerde stukken werden geselecteerd voor verder onderzoek, en verschillende parameterstudies hebben geleid tot optimale instellingen voor beide geselecteerde materialen. De mogelijkheden en beperkingen van het geoptimaliseerde SLM-proces werden volledig gekarakteriseerd. Mechanische, metallografische en chemische testen werden uitgevoerd op monsters gemaakt via SLM van beide geselecteerde materialen. Geometrische haalbaarheid, procesnauwkeurigheid en oppervlakteruwheid werden onderzocht via benchmarkstudies. Op deze manier werd grondige kwaliteitscontrole verricht om af te toetsen of voldaan werd aan de medische productievereisten op alle eigenschappen. Het potentieel van SLM als medische vervaardigingstechniek werd bewezen door de ontwikkeling van twee geavanceerde toepassingen: dentale framebasissen voor complexe prothesen en botscaffolds voor weefselengineering. Een volledig digitale procedure werd ontwikkeld voor het ontwerp en de productie van gepersonaliseerde framebasissen voor complexe tandprothesen via SLM van titanium- of cobalt-chromium-legeringen. De procedure, die bestaat uit datacaptatie, digitaal ontwerp, SLM-productie en eventueel enkele nabehandelingen, werd toegepast voor vijf klinische cases. De resulterende framebasissen werden getest op hun precisie, en economische aspecten zoals bouwtijd en kosten werden onderzocht. Als een tweede toepassing werden methoden ontwikkeld voor het ontwerp en de productie van polymeren/metalen botscaffolds via SLS/SLM. Scaffolds zijn poreuze draagstructuren die geïmplanteerd worden in botdefecten om botingroei toe te laten. De geproduceerde scaffolds werden getest ter controle of ze voldoen aan de vereisten van porositeit en mechanische eigenschappen. Illustratieve voorbeelden werden uitgewerkt om het grote potentieel aan te tonen van SLS/SLM als vervaardigingstechnieken voor weefselengineering-structuren.