Совершенствование режима селективного лазерного плавления для изготовления пористых структур из сплава Ti–6Al–4V медицинского назначения

Разработаны подходы к оптимизации режима селективного лазерного плавления (СЛП) для получения пористых материалов из сплава Ti–6Al–4V медицинского назначения с тонкими конструкционными элементами и низким уровнем дефектной пористости. Улучшенное проплавление тонких элементов с применением разработанных экспериментальных режимов СЛП достигается за счет значительного снижения расстояния между проходами лазера (с 0,11 до 0,04–0,05 мм), а баланс между плотностью энергии лазера и скоростью построения скомпенсирован путем изменения скорости пробега и мощности лазера. Результаты изучения дефектной пористости и твердости образцов, изготовленных по экспериментальным режимам СЛП, позволили установить 3 наиболее перспективных набора параметров, один из которых выбран для исследования механических свойств в сравнении со стандартным режимом СЛП. Для этого исследования разработаны и изготовлены образцы на основе структур типа ромбического додекаэдра и полиэдра Вороного пористостью 70–75 %. Установлено, что снижение уровня дефектной пористости с ≈1,8 % до 0,6 %, обеспеченное применением разработанного режима СЛП, способствует значительному повышению прочностных характеристик материала. Увеличение условного предела текучести ромбического додекаэдра с 76 до 132 МПа и Вороного с 66 до 86 МПа. При этом сохраняется низкий модуль Юнга (1–2 ГПа), соответствующий уровню жесткости губчатой костной ткани.

1. Shunyu Liu, Yung C. Shin, Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy: A review. Materials & Design. 2019; 164:107552. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.107552

2. Chlebus E., Kuźnicka B., Kurzynowski T., Dybała B. Microstructure and mechanical behaviour of Ti—6Al—7Nb alloy produced by selective laser melting. Materials Characterization. 2011;62(5):488—495. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2011.03.006

3. Jalali M., Mohammadi K., Movahhedy M.R., Karimi F., Sadrnezhaad S.K., Chernyshikhin S.V., Shishkovsky I.V. SLM additive manufacturing of NITI porous implants: A review of constitutive models, finite element simulations, manufacturing, heat treatment, mechanical, and biomedical studies. Metals and Materials International. 2023. https://doi.org/10.1007/s12540-023-01401-1

4. Brailovski V., Kalinicheva V., Letenneur M., Lukashevich K., Sheremetyev V., Prokoshkin S. Control of density and grain structure of a laser powder bed-fused superelastic Ti—18Zr—14Nb alloy: Simulation-driven process mapping. Metals. 2020;10(12):1697. https://doi.org/10.3390/met10121697

5. Chen H., Han Q., Wang C., Liu Y., Chen B., Wang J. Porous scaffold design for additive manufacturing in orthopedics: A review. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020;8. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00609

6. Nune K.C., Misra R.D., Li S.J., Hao Y.L., Yang R. Cellular response of osteoblasts to low modulus Ti—24Nb—4Zr—8Sn alloy mesh structure. Journal of Biomedical Materials Research. Pt. A. 2016;105(3):859—870. https://doi.org/10.1002/jbm.a.35963

7. Warnke P.H., Douglas T., Wollny P., Sherry E., Steiner M., Galonska S., Becker S.T., Springer I.N., Wilftang J., Sivenanthan S. Rapid prototyping: Porous titanium alloy scaffolds produced by selective laser melting for bone tissue engineering. Tissue Engineering. Pt. C: Methods. 2009;15(2):115—124. https://doi.org/10.1089/ten.tec.2008.0288

8. Barba D., Alabort E., Reed R.C. Synthetic bone: Design by additive manufacturing. Acta Biomaterialia. 2019;97:637— 656. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.07.049

9. Yan C., Hao L., Hussein A., Young P. Ti—6Al—4V triply periodic minimal surface structures for bone implants fabricated via selective laser melting. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2015;51:61—73. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2015.06.024

10. Taniguchi N., Fujibayashi S., Takemoto M., Sasaki K., Otsuki B., Nakamura T., Matsushita T., Kokubo T., Matsuda S. Effect of pore size on bone ingrowth into porous titanium implants fabricated by additive manufacturing: An in vivo experiment. Materials Science and Engineering: C. 2016;59:690—701. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.10.069

11. Timercan A., Sheremetyev V., Brailovski V. Mechanical properties and fluid permeability of gyroid and diamond lattice structures for intervertebral devices: Functional requirements and comparative analysis. Science and Technology of Advanced Materials. 2021;22(1):285—300. https://doi.org/10.1080/14686996.2021.1907222

12. Li J., Chen D., Zhang Y., Yao Y., Mo Z., Wang L., Fan Y. Diagonal-symmetrical and midline-symmetrical unit cells with same porosity for bone implant: Mechanical properties evaluation. Journal of Bionic Engineering. 2019;16(3):468—479. https://doi.org/10.1007/s42235-019-0038-z

13. Fantini M., Curto M.. Interactive design and manufacturing of a Voronoi-based biomimetic bone scaffold for morphological characterization. International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM). 2017;12(2):585—596. https://doi.org/10.1007/s12008-017-0416-x

14. Liu T., Guessasma S., Zhu J., Zhang W. Designing cellular structures for additive manufacturing using Voronoi—Monte Carlo approach. Polymers. 2019;11(7):1158. https://doi.org/10.3390/polym11071158

15. Bhandari L., Gaur V. A study on defect-induced fatigue failures in SLM Ti6Al4V alloy. Procedia Structural Integrity. 2022;42:529—536. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2022.12.067

16. Sombatmai A., Uthaisangsuk V., Wongwises S., Promoppatum P. Multiscale investigation of the influence of geometrical imperfections, porosity, and size-dependent features on mechanical behavior of additively manufactured Ti—6Al—4V lattice struts. Materials & Design. 2021;209:109985. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109985

17. Letenneur M., Kreitcberg A., Brailovski V. Optimization of laser powder bed fusion processing using a combination of melt pool modeling and design of experiment approaches: Density control. Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2019;3(1):21. https://doi.org/10.3390/jmmp3010021

18. Saremian R., Badrossamay M., Foroozmehr E., Kadkhodaei M., Forooghi F. Experimental and numerical investigation on lattice structures fabricated by selective laser melting process under quasi-static and dynamic loadings. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021;112(9-10):2815—2836. https://doi.org/10.1007/s00170-020-06112-0

19. Zhu L., Liang H., Lv F., Xie D., Wang C., Mao Y., Yang Y., Tian Z., Shen L. Design and compressive fatigue properties of irregular porous scaffolds for orthopedics fabricated using selective laser melting. ACS Biomaterials Science & Engineering. 2021;7(4):1663—1672. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.0c01392

20. Jimenez E.H., Kreitcberg A., Moquin E., Brailovski V. Influence of post-processing conditions on the microstructure, static, and fatigue resistance of laser powder bed fused Ti—6Al—4V components. Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2022;6:85. https://doi.org/10.3390/jmmp6040085

21. Van Hooreweder B., Apers Y., Lietaert K., Kruth J.P. Improving the fatigue performance of porous metallic biomaterials produced by selective laser melting. Acta Biomaterialia. 2017;47:193—202. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2016.10.005