整形外科インプラント：金属3Dプリンティングの新たな可能性

2020年10月30日｜読書時間4分

EOSは、熱間静水圧プレス(HIP)熱処理工程と組み合わせることで、卓越した疲労特性を生み出すTi64 AMプロセスを開発しました。このプロジェクトの目的は、実際のインプラントデザインにこの疲労特性をハイライトしてテストし、その結果を従来の鍛造Ti64股関節ステムと比較することでした。

積層造形の可能性を開く

以下のセクションでは、EOSネットワークが提供する知識、経験、サービスが、整形外科用積層造形におけるこの飛躍的な進歩を実現するためにどのように結集したかを示しています：

疲労の結果

疲労試験は、カナダ・ウィニペグのOrthopedic Innovation Center（OIC）により実施された。ヒップステムは、ISO 7206-6に従って頚部疲労特性試験が行われた。5340Nの荷重に1000万サイクル耐えた。この研究では、2つの付加製造された股関節ステムが試験され、どちらも1,000万サイクルの振れまで合格した。このことは、AM製造インプラントの疲労特性が、従来の鍛造Ti64股関節ステムと同等以上であることを示している。積層造形で製造されたインプラントでこのような高い疲労特性が測定されたのはこれが初めてである。

ビルドの準備

支柱を取り外す必要をなくし、プラットフォームからのインプラントの取り外しを容易にするため、ヒップステムは「ホルダー」付きで製造された。このホルダーの主な機能は、リコーターの力からインプラントを保護することである。(最高の機械的特性を得るため、最適で一貫したリコート挙動を保証するハイスブレードが使用された)。しかし、ホルダーとヒップステムの間には接続部はなく、約0.2mm～0.3mmの隙間があり、理想的な隙間幅はDoEによって決定された。この隙間の大きさは、簡単に取り外しができることと、リコーターの力によるヒップステムの振動をしっかりと抑えることのトレードオフの関係にある。ヒップステムは、ホルダー、パウダー、ヒップステムの間の摩擦力によって所定の位置に保持される。

このビルド・ストラテジーの着想は、同僚のマイケル・ウォールファートが投稿した「Building without support」から得たものだ。このような革新的なアイデアを実際のアプリケーションで実現することは、とてもやりがいのあることだ！

Additive WorksソフトウェアAmphyonの使用

次のステップは、このアイデアが実際に機能することを確認することだった。Amphyonを使用して、セットアップ戦略に問題がないことを確認し、「試行錯誤」構築戦略の必要性を排除しました。新しいAMユーザー、そして新しいアプリケーションに挑戦する経験豊富なAMユーザーでさえ、初めての造形で「試行錯誤」戦略を使用する必要があるというのが、一般的な不満です。

シミュレーションを実行して、リコーターの衝突をチェックし、変形が許容範囲内であることを確認し、熱応力をチェックした。この解析により、1つのジョブを構築する前に高品質なビルドが可能になり、コストとリードタイムが削減されました。

このソフトウェアでは、股関節ステムを事前に変形させることで、高精度のパーツをプリンターから初めて直接作成することができます。私の経験では、これは特に、印刷中に股関節ステムに予想される、小さく制御された変形に対してうまく機能します。

優れた疲労特性を実現

最先端のAMプロセス

股関節ステムは、EOS M 290でEOSチタンTi64グレード23プロセスを使用して、40µmの層厚で製造されました。EOS M 290がこのプロジェクトに選ばれたのは、市場で最も優れた工業用積層造形システムだからです。その上、機械の信頼性と再現性は、たった1つの欠陥が特性を著しく低下させる優れた疲労特性にまさに必要なものです。将来的には、連続製造のためにプロセスをさらに最適化し、造形速度と安定性を向上させることが、股関節ステム用途のユニークな要件を考えれば、理にかなっていると思います。

最適化されたHIP熱処理

優れた疲労特性は、最新のAMプロセス（前述）と最適化された熱間静水圧（HIP）熱処理との組み合わせによって得られる。従来のHIP熱処理は、鋳造または鋳造に似た品質と微細構造の機械的特性を改善するために最適化されています。EOS M 290の品質はこれよりもはるかに優れているため、EOSはAM特有の微細構造を考慮したHIP熱処理を開発しました。

従来のヒップ処理は、920℃、100MPa、2時間で行われ、各業界に広く普及している。EOSが開発したプロセスは、820℃、140MPaで2時間行われます。このHIPサイクルとEOS DMLSプロセスを組み合わせると、10^7サイクル（N=9）で795Mpaの疲労強度が得られます。

ポスト処理

後処理は、カナダのウィニペグにあるPrecision ADM社によって行われた。AMプロセスは、従来の人工股関節ステムと同じ後処理工程が使用できるように設定された。そのため、ノーサポート方式が選択された。テーパーは機械加工され、股関節ステムのネックは、すでに市販されている先行機器と同様に、最適な疲労特性を得るために研磨された。結果は右図に示されている。

結論

今日、実際の用途で偽造された機械的特性を達成することが可能であるという事実は、整形外科のための積層造形における大きな飛躍である。このエキサイティングな開発により、私たちはまた別のインプラント群に対して積層造形の可能性を解き放つことができる。AMの限界を押し広げ、不可能と思われていたアイデアを実現するかどうかは、整形外科企業の機器設計者やその他の人々にかかっている。Additive Mindsは、皆さんと協力してこれらの可能性を解き放ち、次世代のインプラントを実現することを楽しみにしています。

著者デイヴィ・オリエ