정형외과 임플란트: 금속 3D 프린팅의 새로운 가능성

2020년 10월 30일 | 읽기 시간 4분

EOS는 열간 등방성 프레스(HIP) 열처리 공정과 결합하여 뛰어난 피로 특성을 생성하는 Ti64 AM 공정을 개발했습니다. 이 프로젝트의 목표는 실제 임플란트 디자인에서 이러한 피로 특성을 강조하고 테스트하여 그 결과를 기존 단조 Ti64 힙 스템과 비교하는 것이었습니다.

적층 제조의 가능성을 열다

아래 섹션에서는 EOS 네트워크가 제공하는 지식, 경험 및 서비스가 어떻게 결합되어 정형외과 적층 제조 분야에서 이러한 도약을 실현했는지 보여줍니다:

피로 결과

피로 테스트는 캐나다 위니펙의 정형외과 혁신 센터인 OIC에서 수행했습니다. ISO 7206-6에 따라 힙 스템의 목 피로 특성을 테스트했습니다. 1,000만 사이클 동안 5340N의 하중을 견뎌냈습니다. 이 연구에서는 적층 제조된 2개의 힙 스템을 테스트한 결과 두 제품 모두 1,000만 사이클의 런아웃을 통과했습니다. 이는 적층 가공 임플란트의 피로 특성이 적어도 기존의 단조 Ti64 고관절 스템만큼 우수하다는 것을 보여줍니다. 적층 제조로 제조된 임플란트에서 이처럼 높은 피로 특성이 측정된 것은 이번이 처음입니다.

지지대를 제거할 필요가 없고 플랫폼에서 임플란트를 쉽게 제거할 수 있도록 고관절 스템을 "홀더"로 제작했습니다. 이 홀더의 주요 기능은 리코터의 힘에 대한 보호 기능을 제공하는 것입니다. (최고의 기계적 특성을 얻기 위해 최적의 일관된 리코팅 동작을 보장하기 위해 HSS 블레이드를 사용했습니다.) 그러나 홀더와 힙 스템 사이에는 연결부가 없고 약 0.2mm - 0.3mm의 간격이 있으며, 이상적인 간격 폭은 DoE를 통해 결정되었습니다. 이 간격 크기는 쉽게 분리할 수 있는 것과 리코터 힘으로 인해 힙스템이 진동하지 않도록 단단히 고정하는 것 사이의 절충점입니다. 홀더, 파우더, 힙 스템 사이의 마찰력 덕분에 힙 스템이 제자리에 고정됩니다.

저는 이 빌드 전략에 대한 영감을 동료인 마이클 월파트의 지원 없는 빌딩 게시물에서 얻었습니다. 이러한 혁신적인 아이디어를 실제 애플리케이션에서 실현하는 것은 매우 보람 있는 일입니다! 

다음 단계는 이 아이디어가 실제로 작동하는지 확인하는 것이었습니다. 앰피온을 사용하여 설정 전략이 아무런 문제를 일으키지 않는다는 것을 확인하여 '시행착오' 빌드 전략이 필요하지 않음을 확인했습니다. 신규 AM 사용자는 물론 새로운 애플리케이션을 시도하는 숙련된 AM 사용자의 일반적인 불만은 처음 빌드할 때 '시행착오' 전략을 사용해야 한다는 점입니다.

시뮬레이션을 실행하여 리코터 충돌을 확인하고, 변형이 허용 오차 범위 내에 있는지 확인하며, 열 응력을 확인했습니다. 이 분석은 단일 작업을 빌드하기 전에 고품질 빌드를 제공하여 비용과 리드 타임을 줄여줍니다.

이 소프트웨어를 사용하면 힙 스템을 미리 변형하여 프린터에서 바로 매우 정확한 부품을 처음으로 만들 수 있습니다. 제 경험상 이 기능은 특히 프린팅 중 힙 스템에 예상되는 작고 제어된 변형에 효과적이었습니다.

우수한 피로 특성 달성

최첨단 AM 프로세스

힙 스템은 EOS 티타늄 Ti64 Grade 23 공정을 사용하여 40µm 층 두께로 EOS M 290. EOS M 290 이 프로젝트에 선택된 이유는 시중에서 가장 검증된 산업용 적층 제조 시스템이기 때문입니다. 또한 기계의 신뢰성과 반복성은 단일 결함으로 인해 특성이 크게 저하될 수 있는 큰 피로 특성에 꼭 필요한 요소입니다. 향후에는 연속 제조를 위해 공정을 더욱 최적화하여 엉덩이 스템 애플리케이션의 고유한 요구 사항을 고려할 때 잠재적으로 제작 속도와 안정성을 개선하는 것이 합리적일 것입니다.

최적화된 HIP 열처리

우수한 피로 특성은 위에서 언급한 최첨단 AM 공정과 최적화된 열간 등방압(HIP) 열처리를 결합하여 얻을 수 있습니다. 기존의 HIP 열처리는 주조 또는 주조와 유사한 품질과 미세 구조의 기계적 특성을 개선하는 데 최적화되어 있습니다. EOS의 품질은 EOS M 290 의 품질은 이보다 훨씬 우수하므로 EOS는 적층 제조의 고유한 미세 구조를 고려한 HIP 열처리를 개발했습니다.

기존의 고관절 치료는 920°C에서 100MPa로 2시간 동안 진행되며 다양한 산업 분야에 널리 보급되어 있습니다. EOS가 개발한 공정은 820°C에서 140MPa로 2시간 동안 진행됩니다. 이 HIP 사이클과 EOS DMLS 공정을 결합하면 10^7 사이클(N=9) 동안 795Mpa의 피로 강도를 얻을 수 있습니다.

후처리는 매우 간단하며 캐나다 위니펙의 Precision ADM에서 수행했습니다. AM 공정은 기존의 제조된 힙 스템과 동일한 후처리 단계를 사용할 수 있도록 설정되었습니다. 따라서 서포트가 없는 방식이 선택되었습니다. 테이퍼를 가공하고 최적의 피로 특성을 위해 힙 스템의 목 부분을 연마하여 이미 시중에 판매되고 있는 기기와 유사하게 만들었습니다. 결과는 오른쪽에서 확인할 수 있습니다.

결론

오늘날 실제 응용 분야에서 단조 기계적 특성을 달성할 수 있다는 사실은 정형외과용 적층 제조 분야에서 큰 도약입니다. 이 흥미로운 발전을 통해 또 다른 임플란트 그룹에 대한 적층 제조의 잠재력을 다시 한 번 실현할 수 있게 되었습니다. 이제 AM의 경계를 넓히고 불가능하다고 여겨졌던 아이디어를 실현하는 것은 정형외과 회사의 디바이스 설계자들과 다른 사람들의 몫입니다. 에디티브 마인즈는 여러분과 함께 이러한 가능성을 열어 차세대 임플란트를 실현할 수 있기를 기대합니다.

저자 저자: 데이비 오리