ESTUDIO DE ALEACIONES METALICAS PARA EL SECTOR SANITARIO PROCESADAS MEDIANTE FABRICACIÓN ADITIVA BIOMETAL

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Teresa Agüero Morales
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ESTUDIO DE ALEACIONES METALICAS PARA EL SECTOR SANITARIO PROCESADAS MEDIANTE FABRICACIÓN ADITIVA BIOMETAL Entidad financiadora: IMPIVA Programa: I+D Nº de Expediente: IMIDIC/2010/41 Inicio: Enero

980 Participantes: Instituto Tecnológico Metalmecánico (AIMME) (coordinador), Instituto de Biomecánica de Valencia (IBV) El proyecto BIOMETAL tiene como principal objetivo el procesado mediante

1 ESTUDIO DE ALEACIONES METALICAS PARA EL SECTOR SANITARIO PROCESADAS MEDIANTE FABRICACIÓN ADITIVA BIOMETAL Entidad financiadora: IMPIVA Programa: I+D Nº de Expediente: IMIDIC/2010/41 Inicio: Enero 2010 Fin: Diciembre 2010 Presupuesto total del ejercicio: Participantes: Instituto Tecnológico Metalmecánico (AIMME) (coordinador), Instituto de Biomecánica de Valencia (IBV) El proyecto BIOMETAL tiene como principal objetivo el procesado mediante tecnologías de fabricación aditiva de nuevas aleaciones metálicas con aplicación en el sector biomédico. La consecución de dicho objetivo permitirá ampliar las posibilidades de diseño y fabricación de implantes, proporcionando nuevos materiales con nuevas funcionalidades con los que será posible la fabricación de productos de alto valor añadido, proporcionando nuevas soluciones a los inconvenientes o aspectos no cubiertos por los implantes actuales. El proyecto BIOMETAL tiene una duración de 3 años, donde los centros tecnológicos AIMME (Instituto Tecnológico Metal Mecánico) e IBV (Instituto Biomecánica de Valencia) trabajan en colaboración. TRABAJOS REALIZADOS EN EL PROYECTO Las tecnologías de Fabricación Aditiva permiten la obtención de piezas mediante la deposición continua de capas de material metálico o polimérico. Estas tecnologías pueden fabricar geometrías complejas utilizando únicamente el fichero CAD 3D de la pieza, sin necesidad de ningún tipo de utillaje. Este fichero 3D es exportado a formato STL y dividido en finas capas de espesor muy fino entre 20 a 200 µm, este espesor de capa depende de la tecnología utilizada. Figuras 1 y 2. Implantes de cadera y de rodilla fabricados por EBM. Fotos cedidas por ARCAM AB. El proceso de fabricación en la máquina se compone de dos etapas: 1. Reparto de una fina capa de material (polvo metálico) entre 20 y 200 µm. 2. El laser ó haz de electrones procesa el material en polvo de cada capa, siguiendo el patrón de la sección de la pieza para cada capa.

Estos dos pasos se repiten hasta que la pieza se ha terminado, es decir, sobre una capa de material ya procesado se reparte polvo de nuevo que se vuelve a procesar.

2 Estos dos pasos se repiten hasta que la pieza se ha terminado, es decir, sobre una capa de material ya procesado se reparte polvo de nuevo que se vuelve a procesar. En el proyecto BIOMETAL se están estudiando diferentes aleaciones metálicas con aplicación en biomedicina para 2 de las tecnologías de fabricación aditiva más utilizadas en la industria y en centros de investigación, Selective Laser Melting (SLM) y Electron Beam Melting (EBM): Fusión Selectiva por Laser de polvo metálico (SLM). Figuras 3, 4 y 5. De izquierda a derecha: polvo metálico, esquema del proceso SLM y haz laser fusionando el polvo. A continuación se presentan las aleaciones procesables por tecnología SLM (Fusión Selectiva por Laser) de aplicación en biomedicina que se estudiarán en el proyecto. Acero Inox. 316L (DIN ). Acero Inox. 316 LVM (ASTM F138). Aleación CrCo para aplicaciones dentales (ISO 9693/ ISO 22674). Fusión de polvo metálico por haz de electrones (EBM). Figuras 6, 7 y 8. De izquierda a derecha: esquema del proceso EBM, cámara de trabajo de la máquina y haz de electrones fusionando el polvo. A continuación se presentan las aleaciones procesables por tecnología EBM (Fusión por haz de electrones) de aplicación en biomedicina que se estudiarán en el proyecto: Ti6AL4V (ASTM F1472. Ti6AL4V ELI (ASTM F136). Titanio Grado 2 (ASTM F67). Aleación CrCo (ASTM F75).

de investigación, Selective Laser Melting (SLM) y Electron Beam Melting (EBM): Fusión Selectiva por Laser de polvo metálico (SLM). Figuras 3, 4 y 5.

3 De las aleaciones citadas para las dos mencionadas tecnologías de fabricación aditiva, durante el año 2010 se han estudiado las siguientes aleaciones: Acero Inox. 316 LVM (ASTM F138). Aleación CrCo para aplicaciones dentales (ISO 9693/ ISO 22674). Ti6AL4V ELI (ASTM F136). Aleación CrCo (ASTM F75). Estas aleaciones se han caracterizado completamente según la norma del material (estándares ASTM ó ISO), tanto de materia prima (polvo) como procesada mediante probetas y ensayos normalizados. Figuras 9 y 10. Imágenes tomadas al microscopio electrónico de barrido (SEM) del polvo metálico. Izquierda imagen SEM a X100 aumentos, derecha imagen SEM a X2500. Figuras 11 y 12. Izq. probetas de tracción de Ti6Al4V ELI fabricadas mediante EBM. Derecha, ensayo de tracción de las probetas.

Estas aleaciones se han caracterizado completamente según la norma del material (estándares ASTM ó ISO), tanto de materia prima (polvo) como procesada mediante probetas y ensayos normalizados.

4 Tensión (MPa) Ensayos Ti6Al4V ELI fabricado por EBM 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 Deformación (%) Horizontal 1 Horizontal 2 Horizontal 3 Figura 13. Graficas con los resultados del ensayo de tracción de las probetas fabricadas por EBM de Ti6Al4V ELI. Al mismo tiempo se ha realizado un estudio de capacidades de cada tecnología con cada material, que permitirá conocer los límites de fabricabilidad, esta información resulta de utilidad para el diseñador durante la etapa de desarrollo de producto de los implantes. Por ejemplo algunas de las características a estudiar son: Tamaño mínimo de los detalles del implante. Tamaño mínimo de las estructuras espaciales, de utilidad para favorecer la osteointegración de la prótesis con los tejidos óseos. Sobre-espesor para obtener acabado pulido espejo. Una vez, se han estudiado las propiedades de los materiales y las capacidades de las tecnologías se han diseñado prótesis a modo de demostradores para fabricar con tecnologías aditivas. Figuras 14 y 15. Izquierda, Imagen CAD 3D para el demostrador en CrCo. Derecha caja cervical porosa fabricada mediante EBM en Ti6Al4V ELI. Durante las siguientes anualidades de BIOMETAL 2011 y 2012 AIMME e IBV pretenden estudiar nuevas aleaciones metálicas y desarrollar los parámetros para procesarlas con tecnologías de fabricación aditiva. El objetivo es conseguir materiales que ofrezcan ciertas ventajas con respecto a las ya existentes, como pueda ser un menor rechazo por parte de la

Al mismo tiempo se ha realizado un estudio de capacidades de cada tecnología con cada material, que permitirá conocer los límites de fabricabilidad, esta información resulta de utilidad para el

5 población, módulo elástico apropiado para la aplicación, mejores propiedades tribológicas, etc. Estas nuevas aleaciones de altas prestaciones son de especial interés para el sector salud y junto con las capacidades de las tecnologías de fabricación aditiva (implantes personalizados a la anatomía del paciente, regiones de las prótesis con estructuras porosas osteo-conductoras, etc.) pretenden mejorar las prótesis que se utilizan actualmente en el sector sanitario y ofrecer a los fabricantes nuevos procesos alternativos para la fabricación de implantes. DESCRIPCIÓN DE LOS RESULTADOS DEL PROYECTO Y SU APLICABILIDAD. Se espera que una vez finalizado el proyecto estén disponibles aleaciones aptas para su aplicación en los productos sanitarios. Se habrá llevado a cabo toda la caracterización de la materia prima, del material procesado así como de los demostradores reales del sector sanitario. De ese modo, se podría proceder con los casos de estudio con las empresas valencianas interesadas e intentar mejorar su competitividad en el mercado lanzando producto propio con mayor calidad y mayor valor añadido. DESCRIPCIÓN DE LOS PRODUCTOS O SERVICIOS RESULTANTES QUE SE ESPERA OBTENER. A la finalización del proyecto se espera poder dar servicio a las empresas del sector en los siguientes campos: Fabricación aditiva de implantes, instrumental quirúrgico u otros productos sanitarios con aleaciones metálicas comerciales y nuevas aleaciones de altas prestaciones. Fabricación de series cortas con coste reducido para las empresas. Diseño de implantes orientado a la fabricación aditiva de productos sanitarios. Diseño de implantes personalizados. Validación funcional y biomecánica de implantes quirúrgicos fabricados mediante tecnología aditiva.

anatomía del paciente, regiones de las prótesis con estructuras porosas osteo-conductoras, etc.

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