Caracterització de l'exactitud dimensional i l'acabament superficial de peces de PLA amb càrrega ceràmica obtingudes per impressió 3D

Abstract

Aquest projecte forma part d’un estudi del grup de recerca TECNOFAB en Tecnologies de Fabricació del Departament d’Enginyeria Mecànica a l’ETSEIB (UPC), que té la finalitat d’estudiar i analitzar la fabricació de pròtesis d’acetàbul de maluc amb fabricació additiva a partir de materials ceràmics biocompatibles. El material d’estudi d’aquest treball és la zircònia (ZrO2), que és un òxid cristal·lí de zirconi (Zr), el qual té un aspecte blanquinós. Quan aquest material s’estabilitza amb yttria (Y2O3), assoleix unes propietats mecàniques que el fan ideal per a la fabricació de pròtesis, ja que és molt dur, té un mòdul de Young similar al de l’acer, i presenta molt poca reactivitat química, a banda de ser biocompatible, per la qual cosa actualment és un dels materials més utilitzats tant en odontologia, per a la fabricació de pròtesis i corones, com per a l’acetàbul de les pròtesis de maluc. Actualment, però, s’utilitzen sistemes de fabricació costosos i que només permeten fabricar pròtesis amb mides estàndard, com ara la mecanització de blocs de ceràmica prèviament sinteritzada. Per tant, quan un pacient requereix una pròtesi, s’ha d’adaptar a les mides existents. El que es pretén és revertir-ho i fer que, per mitjà de la fabricació additiva, en concret mitjançant tecnologies d’extrusió de materials, en el futur es pugui fabricar les pròtesis de forma ràpida, i que sigui la pròtesi la que s’adapti a les necessitats del pacient, millorant de forma notable el resultat de l’operació. Com a fase prèvia a la impressió de provetes semiesfèriques per a acetàbuls, en aquest treball s’imprimeixen provetes cilíndriques d’àcid polilàctic (PLA) amb alta càrrega de ZrO2, mitjançant la tecnologia de fabricació per filament fos (FFF). Més tard, se’ls aplica un tractament de debinding o deslligament químic i un de tèrmic per eliminar el PLA, que s’utilitza com a aglutinant per a poder fabricar el filament, i posteriorment es porta a terme un tractament de sinterització a les provetes per tal que assoleixin la seva consistència i resistència mecànica definitives. Un cop acabades, se n’analitza la precisió dimensional, la rugositat superficial i la porositat, per tal de valorar la qualitat de les peces obtingudes amb aquest procés de fabricació. En treballs posteriors està previst portar a terme assaigs de resistència a compressió d’aquestes provetes. Per aquest motiu, se n’han fabricat de dues mides: diàmetre 12,7 mm, d’acord amb la norma ASTM D695-02a per a materials plàstics i provetes de diàmetre 6,35 mm d’acord amb la norma ASTM C1424-99 per a materials ceràmics. Per mesurar les dimensions de les provetes, s’ha utilitzat un micròmetre. Comparant les dimensions mesurades de les provetes amb les seves dimensions teòriques, s’ha determinat el seu error relatiu, que permet mesurar la seva exactitud dimensional. També s’ha determinat el pes de les provetes amb una balança de precisió. Amb les dades de pes i dimensions s’ha calculat la porositat de les provetes. Finalment, se n’ha mesurat la rugositat superficial amb un rugosímetre de contacte. Les diferents mesures s’han portat a terme tant per a peces sense sinteritzar com per a peces ja sinteritzades. Els resultats més rellevants que s’ha trobat són que la precisió dimensional és millor amb les provetes acabades d’imprimir que un cop han patit la contracció deguda al procés de sinterització. Per contra, la rugositat és menor en les provetes després de la sinterització, per la qual cosa presenten un millor acabament superficial. La porositat de les peces després de la impressió és molt propera a la porositat objectiu per a la qual s’han dissenyat, i un cop les peces sinteritzades la seva porositat disminueix. En el projecte també està inclòs un estudi de costos, d’impacte ambiental i d’impacte social, així com un estudi de l’impacte que pot tenir en la igualtat de gènere. Per últim, s’ha establert les bases de com s’hauria de continuar l’estudi, realitzant les proves de resistència mecànica a les provetes, per tal de valorar també el comportament mecànic d’aquestes, que serà un aspecte molt rellevant de les pròtesis

Este proyecto forma parte de un estudio del grupo de investigación TECNOFAB en Tecnologías de Fabricación del Departamento de Ingeniería Mecánica en la ETSEIB (UPC), que tiene la finalidad de estudiar y analizar la fabricación de prótesis de acetábulo de cadera con fabricación aditiva a partir de materiales cerámicos biocompatibles. El material de estudio de este trabajo es la circonia (ZrO2), que es un óxido cristalino de circonio (Zr), que tiene un aspecto blanquecino. Cuando este material se estabiliza con yttria (Y2O3), alcanza unas propiedades mecánicas que lo hacen ideal para la fabricación de prótesis, ya que es muy duro, tiene un módulo de Young similar al del acero, presentando muy poca reactividad química, además de biocompatible, por lo que actualmente es uno de los materiales más utilizados tanto en odontología, para la fabricación de prótesis y coronas, como para el acetábulo de las prótesis de cadera. Actualmente, se utilizan sistemas de fabricación costosos y que sólo permiten fabricar prótesis con tamaños estándar, como la mecanización de bloques de cerámica previamente sinterizada. Por tanto, cuando un paciente requiere una prótesis, debe adaptarse a los tamaños existentes. Lo que se pretende es revertirlo y hacer que, mediante la fabricación aditiva, en concreto mediante tecnologías de extrusión de materiales, en el futuro se puedan fabricar las prótesis de forma rápida, y que sea la prótesis la que se adapte a las necesidades del paciente, mejorando de forma notable el resultado de la operación. Como fase previa a la impresión de probetas semiesféricas para acetábulos, en este trabajo se imprimen probetas cilíndricas de ácido poliláctico (PLA) con alta carga de ZrO2, mediante la tecnología de fabricación por filamento fundido (FFF). Más tarde, se les aplica un tratamiento de debinding o desligamiento químico y uno térmico para eliminar el PLAN, que se utiliza como aglutinante para poder fabricar el filamento, y posteriormente se lleva a cabo un tratamiento de sinterización en las probetas para que logren su consistencia y resistencia mecánica definitivas. Una vez terminadas, se analiza la precisión dimensional, la rugosidad superficial y la porosidad, para valorar la calidad de las piezas obtenidas con este proceso de fabricación. En trabajos posteriores está previsto llevar a cabo ensayos de resistencia a compresión de estas probetas. Por este motivo, se han fabricado dos tamaños: diámetro 12,7 mm, de acuerdo con la norma ASTM D695-02a para materiales plásticos y probetas de diámetro 6,35 mm de acuerdo con la norma ASTM C1424- 99 para materiales cerámicos. Para medir las dimensiones de las probetas, se ha utilizado un micrómetro. Comparando las dimensiones medidas de las probetas con sus dimensiones teóricas, se ha determinado su error relativo, que permite medir su exactitud dimensional. También se ha determinado el peso de las probetas con una balanza de precisión. Con los datos de peso y dimensiones se ha calculado la porosidad de las probetas. Por último, se ha medido su rugosidad superficial con un rugosímetro de contacto. Las diferentes medidas se han llevado a cabo tanto para piezas sin sinterizar como piezas ya sinterizadas. Los resultados más relevantes que se han encontrado son que la precisión dimensional es mejor con las probetas recién imprimidas que una vez han sufrido la contracción debida al proceso de sinterización. Por el contrario, la rugosidad es menor en las probetas después de la sinterización, por lo que presentan una mejor terminación superficial. La porosidad de las piezas después de la impresión está muy próxima a la porosidad objetivo para la que se han diseñado, y una vez las piezas sinterizadas, su porosidad disminuye. En el proyecto también está incluido un estudio de costes, impacto ambiental y impacto social, así como un estudio del impacto que puede tener en la igualdad de género. Por último, se han sentado las bases de cómo debería continuarse el estudio, realizando las pruebas de resistencia mecánica a las probetas, para valorar también el comportamiento mecánico de estas, que será un aspecto muy relevante de las prótesis

This project is part of a study by the TECNOFAB research group in Manufacturing Technologies of the Department of Mechanical Engineering at the ETSEIB (UPC), which aims to study and analyze the manufacture of hip acetabulum prostheses with additive manufacturing from biocompatible ceramic materials. The study material of this work is zirconia (ZrO2), which is a crystalline oxide of zirconium (Zr), which has a whitish appearance. When this material is stabilized with yttria (Y2O3), it achieves mechanical properties that make it ideal for the manufacture of prostheses, since it is very hard, has a Young's modulus similar to that of steel, and has very little reactivity in chemistry, apart from being biocompatible, which is why it is currently one of the materials most used both in dentistry, for the manufacture of prostheses and crowns, and for the acetabulum of hip prostheses. Currently, however, expensive manufacturing systems are used that only allow the manufacture of prostheses with standard sizes, such as the machining of pre-sintered ceramic blocks. Therefore, when a patient requires a prosthesis, it must be adapted to the existing sizes. What is intended is to reverse this and ensure that, through additive manufacturing, specifically through material extrusion technologies, in the future prostheses can be manufactured quickly, and that it is the prosthesis that is adapted to the patient's needs, significantly improving the result of the operation. As a preliminary phase to the printing of hemispherical test tubes for acetabulums, in this work cylindrical test tubes of polylactic acid (PLA) with a high loading of ZrO2 are printed, using the technology of manufacturing by fused filament (FFF). Later, a chemical and thermal debinding treatment is applied to remove the PLA, which is used as a binder to manufacture the filament, and then a sintering treatment is carried out on the test tubes so that they reach their final consistency and mechanical resistance. Once finished, the dimensional accuracy, surface roughness and porosity are analysed, in order to assess the quality of the pieces obtained with this manufacturing process. In subsequent work, it is planned to carry out compressive strength tests of these samples. For this reason, they have been manufactured in two sizes: diameter 12.7 mm, in accordance with the ASTM D695-02a standard for plastic materials and test tubes with a diameter of 6.35 mm in accordance with the ASTM C1424- 99 for ceramic materials. A micrometer was used to measure the dimensions of the test tubes. By comparing the measured dimensions of the test tubes with their theoretical dimensions, their relative error has been determined, which makes it possible to measure their dimensional accuracy. The weight of the test tubes was also determined with a precision balance. Using the data on weight and dimensions, the porosity of the test tubes has been calculated. Finally, the surface roughness was measured with a contact roughness meter. The different measurements have been carried out both for unsintered parts and for already sintered parts. The most relevant results that have been found are that the dimensional accuracy is better with the newly printed test tubes than once they have undergone the contraction due to the sintering process. Conversely, the roughness is lower in the test pieces after sintering, which is why they have a better surface finish. The porosity of the parts after printing is very close to the target porosity for which they were designed, and once the parts are sintered their porosity decreases. The project also includes a study of costs, environmental impact and social impact, as well as a study of the impact it may have on gender equality. Finally, the bases of how the study should be continued have been established, by carrying out the mechanical resistance tests on the test pieces, in order to also assess their mechanical behavior, which will be a very relevant aspect of the prosthesis