Geri Dön

The effect of surface roughness on mechanical behavior of commercially pure titanium implants produced by selective laser melting

Seçici lazer ergitme yöntemi ile üretilmiş ticari saflıktaki titanyum implantların yüzey pürüzlülüklerinin mekanik davranışa etkisi

PDF İndir

  1. Tez No: 512716
  2. Yazar: SEREN ŞENOL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 119

Özet

Bu proje, seçici lazer ergitme yöntemiyle üretilmiş ticari saflıktaki titanyum implantların yüzey pürüzlülüklerinin mekanik davranışa etkisinin incelenmesini kapsamaktadır. Seçici lazer ergitme (SLM) son yıllarda kullanımı yaygınlaşan bir eklemeli üretim yöntemidir. Çağın getirdiği insan hayatını etkileyen yeni ihtiyaçlar ve gelişen teknoloji eklemeli üretimin keşfine ve yaygınlaşmasına sebep olmuştur. Eklemeli üretim yöntemi metaller, seramikler, polimerler gibi birçok malzeme icin uygun olmakla birlikte, otomotiv, ucak-uzay, enerji ve saglik sektorlerinde kullanılabilmektedir. Seçici lazer ergitme, bilgisayar destekli tasarımla (3 boyutlu modelleme) hazırlanmış karmaşık şekilli parçaların, toz hammaddenin lazerle katman katman ergitilip birleştirilmesi ile uretilmesi olarak tanımlanır. Geleneksel üretim yöntemlerine göre birçok avantajı vardır. Öncelikle kompleks şekilli tasarımlar başta olmak üzere, parçaların üretim sonrası işlenme ihtiyacını minimuma indirdiği için zaman ve maliyet anlamında tasarruf sağlar. Ayrıca üretilen parçalar yüksek yoğunluklu dolayısıyla yüksek mekanik özelliklidir. Son olarak, özellikle sağlık sektörüne hizmet açısından en önemli avantajı, hastaya özgü detaylı implant tasarımlarının üretimini mümkün kılmasıdır. Özellikle medikal implant üretiminde titanyum ön plana çıkmaktadır. Ticari saflıktaki titanyum (cpTi) ve titanyum aluminyum alaşımları (Ti6Al4V) kemikle uyumlu mukavemetleri, şekillendirilebilirlikleri ve korozyon direnciyle en çok tercih edilen malzemelerdir. Seçici lazer ergitme yönteminin önemli dezavantajlarindan biri ise yüzey kalitesindeki değişkenliktir. Eklemeli üretim yöntemiyle üretilen parçalar, bu üretim şeklinin içsel özelliklerinin (katman katman üretim sonucu merdiven adımı etkisi ve lokal ergitme sonucu oluşan yüzey gerilmeleri sebebiyle topaklanma) etkisiyle düşük yüzey kalitesine sahip olabilir. Üretim parametreleri, kullanılan tozun özellikleri ve son ürün için planlanmış üretim sonrası işlemler (kumlama ve anodizasyon), seçici lazer ergitme ile üretilen ürünlerin yüzey kalitesini etkilemektedir. Belli orandaki yüzey pürüzlülüğünün implantlarda osseointegrasyonu kolaylaştırdığı bilinse de, ön gözlemler sonucu özellikle aynı üretim alanından çıkan bazı parçaların sahip oldugu yüzey pürüzlülüğünün istenenden fazla olduğu farkedilmiştir. Ön testler sonucunda edinilen izlenim ise artan yüzey pürüzlülüğüyle gerilme direncinde düşüş olarak tanımlanmıştır. Bu nedenle, bu tez kapsamında toz özellikleri ve lazer parametreleri sabit tutulup, yalnızca parçaların üretim alanındaki değişen pozisyon ve oryantasyonun yüzey pürüzlülüğüne etkisi ve belirlenen yüzey pürüzlülüğünün parçanın mekanik davranışı üzerindeki etkisi incelenmistir. Bu doğrultuda ilk adım yüzey pürüzlülüğünün tanımlanması olarak belirlenmiştir. Yüzey pürüzlülüğü yüzey dokusunun karmaşık elementlerini ayırt edebilmek için ceşitli parametrelerle tanımlanmıştır (Bu çalışmada Ra, Rz ve Rt kullanılmıştır). Yüzey pürüzlülük parametrelerini ölçmek için kullanılacak en uygun yöntemi seçmek üzere 3 farklı yüzey pürüzlülüğü ölçüm yöntemi karşılaştırılmıştır. 3 yöntem; temassız, temaslı ve nitel metod olarak sırasıyla Konfokal mikroskobu (CM), dokunsal profilometre ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) olarak belirlenmiş, karşılastırma yapılırken, en yaygın yüzey pürüzlülük parametresi Ra kullanılmıştır. Daha sonra, parca yüzey pürüzlülüğünün üretim alanındaki pozisyon ve oryantasyona bağlı olarak gösterdiği değişim incelenmiştir. Bu amaçla lazerin konumu göz önünde bulundurularak, 15 farklı pozisyon ve 6 farklı oryantasyonla numuneler üretilmiştir. 15 pozisyon şu şekilde belirlenmiştir; bir tanesi lazerle aynı lokasyonda olacak şekilde tanımlanırken, diğer 14 pozisyon üretim alanının sağ ve soluna eşit olarak dağıtılmış ve pozisyonlar 1 den 6 ya kadar numaralandırılmış, numaradaki artış lazere olan uzaklığın artışı ile eşleştirilmiştir. 6 oryantasyon ise numunelerin z ekseninde rotasyonu ile ve açılı üretim yapılarak sağlanmıştır. Son olarak mekanik karakterizasyon için, hem çekme hem yorulma deney standartlarına uygun çekme testi numunesi tasarlanmıştır. Üretim sonrası işlemin etkisini görmek icin ayrılmış parçaların dışında her parça işlenmemis haliyle kullanılmıştır. Çekme testi için her gruptan 5 numune 5 MPa ön yükleme ile parça kopana kadar test edilmiş, akma dayanımı ve nihai çekme mukavemeti değerlerinin ortalaması alinarak, o gruba ait ortalama değerler belirlenmiştir. Hesaplanan ortalama akma dayanımı değerleri yorulma testi girdilerinin hesaplanması için kullanılmıştır. Yük kontrollü, gerilmeli yorulma testi 60 Hz frekansla uygulanmış, R degeri 0.1 ve sonsuz ömür 1 milyon çevrim olarak belirlenmistir (implantlar icin standart çevrim sayısı). 5 stres düzeyi belirlenmiş ve düşük çevrim değerleri için 2 şer, uzun çevrim değerleri icin 3 er numune test edilmiştir. Projenin ortaklarından Materialise adlı implant şirketinin implantlara standart olarak uyguladığı son işlemlerin yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkisini görmek için bir grup numune bu işleme tabi tutulmuş, bir grup numuneye ise yalnızca kumlama uygulanmış ve mekanik testler yapılmıştır. Sonuçlara bakıldığında, yüzey pürüzlülüğü ölçme yönteminin belirlermesi kısmında, farklı yöntemlerle ölçülen değerler analiz edildiğinde, test edilen numunelere uygun kesme uzunluğu (yüzey pürüzlülüğü olarak sayılacak düzensizliğin frekansını belirleyen uzunluk) 2.5 µm ve 8 µm olarak belirlenmiştir. Temassız, temaslı ve nitel metodlar erişilebilirlik, ölçüm kapasitesi, tekrarlanabilirlik, doğruluk, maliyet ve zaman verimliliği bakımından değerlendirilmiştir. SEM ile ölçülen değerler küçük ilgi bolgesi (small region of interest) sebebiyle aralık dışı kalırken, CM ve dokunsal profilometre sonuçları birbiriyle uyumlu çıkmıştır. Bu proje kapsaminda incelenen yüzeylerin pürüzlülük menzili ve numune sayısı da göz önünde bulundurularak, en uygun yöntem dokunsal profilometre olarak belirlenmiştir. Ikinci adımda lazer lokasyonu göz önünde bulundurularak, farklı pozisyon ve oryantasyonlarla üretilen numunelerin dokunsal profilometre ile pürüzlülük değerleri ölçülerek üretim alanındaki yüzey pürüzlülüğü menzili minimum 7 µm and maksimum 24µm olarak ölçülmüştür. Özellikle numunelerin lazere dönük olmayan yüzeylerinde, üretim alanının sağına doğru gidildikçe yüzey pürüzlülüğünde artış gözlemlenmiş, maksimum yüzey pürüzlülüğü üretim alanının sağ alt kısmında 24 µm olarak ölçülmüştür. Farklı oryantasyonların etkisi incelendiğinde ise, lazer ışınını dik alan numunelerin lazere dönük yüzeylerinde, yüzey pürüzlülüğünün daha düşük olduğu gözlemlenirken, lazer ışınına paralel olan oryantasyonlarda, ön ve arka yüzeylerin pürüzlülük değerlerindeki farklılığın minimum olduğu gözlemlendi. Bu veriler göz önünde bulundurularak, tezin üçüncü kısmında mekanik davranışın incelenmesi için üretilecek numuneler icin 5 lokasyon (minimum pürüzlülük değerine sahip olan lokasyondan, maksimum değere doğru) ve tek oryantasyon (lazere dönük olan ve olmayan yüzey arasindaki farkin en büyük olduğu oryantasyon) belirlendi. Mekanik testler öncesi numunelerin yüzey pürüzlülüğü, kalınlık ve genişlik ölçümleri yapıldı. Maksimum yüzey pürüzlülüğünün (Ra) 20 µm, minimum yuzey pürüzlülüğünün ise 10 µm oldugu görüldü. Ayrıca, pürüzlülük artışıyla yüzey pürüzlülüğünün (Rz) doğru orantılı olduğu gösterildi. Bu bağlantı doğrultusunda, yüzey pürüzlülüğünün kalınlık üzerindeki etkisini kaldırmaya yönelik bir formül tanımlandı. Numunelerin ön ve arka yüzeylerine ait Rz değerleri toplanıp, kalınlık değerinden çıkarıldığında, yüzey pürüzlülüğünün kalınlık ölçümü ve dolayısıyla kesit alanı hesaplamalarındaki etkisinin kaldırılabileceği önerildi. 5 pozisyon için ölçülen ortalama akma dayanımı değerlerine bakıldığında, minimum pürüzlülük pozisyonunda 493 MPa, maksimum pürüzlülük pozisyonunda ise 448 MPa oldugu görüldü. Fakat önerilen formül ile kesit alanı değeri değiştirilip, stres değerleri tekrar hesaplandığında, hem işlenmemiş hem de üretim sonrası işlem görmüş numunelerde, farklı pozisyonların ortalama akma değerleri arasındaki farkın göz ardı edilebilecek kadar küçük olduğu gösterildi. Çekme testinden elde edilen akma mukavemetinin 80%'i kullanılarak maksimum pürüzlülüğe sahip grupla yorulma deneylerine başlandı. Farklı yüzdeler kullanılarak 5 stres düzeyi belirlendi. Numunelerin pozisyon farkına rağmen yakın akma dayanımına sahip olması göz önünde bulundurularak, ve karşılaştırma yapabilmek için, her gruba aynı stres düzeyleri uygulandı. Önerilen formül kullanılarak hesaplanan“pürüzlülükten arınmış kalınlık”değerleri ve yorulma testi sırasında uygulanan yük kullanılarak stres yeniden hesaplandı. Sonuçlar karşılaştırıldığında, yorulma eğrilerinin çakıştığı görüldü. Maksimum ve minimum yüzey pürüzlülüğüne sahip gruplar arasında kayda değer bir farklılık görülemeyince, ara değer gruplarına yorulma testi uygulanmadı. Yalnızca, üretim sonrası işlem görmüş numunelerde, önerilen formül kullanılıp, stres tekrar hesaplansa da yorulma eğrileri işlenmemiş numunelere gore farklılık göstermeye devam etti. Bunun sebebinin ise üretim sonrası işlemler dolayısıyla yaratılan kalıntı gerilmeler (kumlama işlemiyle) ya da sert oksit tabakası (anodizasyon işlemiyle) olabileceği düşünüldü. Ayrıca maksimum ve minimum pürüzlülük pozisyonlarından alınan numunelerin mikroyapıları incelendi. Her iki grup için de α+β yapısı gözlenmiş, hızlı soğuma sonucu oluşan iğnemsi yapının hakim olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, yüzey pürüzlülüğünün SLM yöntemiyle üretilen cpTi numunelerin mekanik davranışları üzerinde bir etkisi olmadığı gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

Implants produced by selective laser melting (SLM) have differentiating surface roughness caused by the process itself and applied surface treatments. Since surface quality and mechanical properties are critical parameters for implants and surface roughness is a known factor for stress concentration, it is aimed to investigate the effect of surface roughness on commercially pure titanium implants produced by SLM. Surface roughness is affected by several process parameters but this study focuses on the effect of position and orientation on surface roughness. First step is specified as determining the roughness measurement method ideal for this work. Therefore, 3 different roughness measurement methods as in confocal microscopy (CM), tactile profilometer and scanning electron microcopy (SEM) are compared by using the most common surface roughness parameter, Ra. Secondly, in order to determine the effect of position and orientation on surface roughness and determine roughness ranges across the build chamber, a build is designed with parts at 15 different positions with 6 different orientations that are specified considering the location of laser. Finally, for mechanical characterization, tensile bars are designed considering both the standards stated for tensile and fatigue test. Some parts are also post processed to see the post processing effect. For every position, 5 samples are subjected to tensile testing with 5 MPa pre-load until the part failure so that the average yield stress and UTS for every position are determined. Calculated average yield stresses are used to calculate fatigue test input. 5 stress levels are determined and 2 samples for low cycle, 3 samples for high cycle fatigue data are tested with load controlled, tension-tension fatigue test set-up with 60Hz frequency and R of 0.1. Surface finishing is differentiated by MPP and SB in addition to as-built form. Some samples are post processed with the standard post process of Materialise. Sand blasting and anodization are applied while for SB samples only sandblasting is applied. Then samples are tested to see pp effect on surface roughness and mechanical behavior. When the results are analyzed considering the roughness range and sample amount, the ideal roughness measurement method is determined as tactile profilometer because of its capability, repeatability, practical application and effectiveness if time and cost. The roughness range across the build plate is quantified for different positions and measured Ra values are in the range of 7 to 24 µm across the build plate. It is also concluded that at the right bottom side of the build chamber, and for the orientations perpendicular to the laser beam, surface roughness increases. Relation between Rz and thickness is specified and an equation is suggested to eliminate the effect of roughness on thickness. Since the thickness is effective on cross section calculations used for mechanical characterization, suggested equation is used to recalculate stress values measured with tensile and fatigue tests. Even though measured tensile and fatigue results indicate that increased surface roughness has a negative effect on tensile strength and fatigue life, recalculated tensile and fatigue results display no difference occurs with varying surface roughness. Therefore, it is shown that surface roughness has an effect on thickness hence has an effect on cross section that is affecting fatigue and tensile test results but it does not have a real significant effect on mechanical behavior of SLM printed cpTi parts.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    649383

    Production of lead-free brass alloys, and the effect of some additives on machinability, mechanical and corrosion properties

    Kurşunsuz pirinç alaşımların üretimi ve bazı katkı maddelerinin işlenebilirlik, mekanik ve korozyon özelliklerine etkisi

    SEMİH ÖZBEY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Metalurji MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RECEP ARTIR

  2. Tez No

    75422

    TiAIN, TİN tek ve çok katlı kaplamaların karakterizasyonu

    Başlık çevirisi yok

    OĞUZ ÇINAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ FUAT ÇAKIR

  3. Tez No

    389459

    Biyomedikal uygulamalar için ASTM F75 kobalt-krom alaşımının yüzey modifikasyonu

    Surface modification of ASTM F75 cobalt-chromium alloy for biomedical applications

    DOĞUKAN ÇETİNER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU

    DOÇ. DR. ERDEM ATAR

  4. Tez No

    349748

    Bor triflorür dietil eterat'ın tiyofen (Th) ve türevlerinin elektropolimerizasyonuna etkisi: Elektrokimyasal empedans çalışması

    The effect of boron tri-floride di-ethyl etherate on the electropolymerization of Th and their derivatives: The study of electrochemical impedance spectroscopy

    HACER DOLAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Bölümü

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

  5. Tez No

    348736

    Titanyum alaşımlarının partikül erozyonu ile pürüzlendirilmesi ve aşındırılması işlemlerinin optimizasyonu

    Optimization of erosion and roughening operations of titanium alloys implemented by particle erosion

    EGEMEN AVCU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Makine MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TAMER SINMAZÇELİK

Geri Dön