Estudio de las propiedades morfológicas y mecánicas en compresión, de estructuras reticulares de Ti-6Al-4V, fabricadas por fusión laser de lecho de polvo, para aplicaciones biomédicas

Abstract

Este proyecto fue desarrollado en la Universidad de Oulu, Finlandia y consistió en desarrollar y estudiar las propiedades mecánicas, morfológicas y superficiales de estructuras porosas fabricadas mediante fusión láser por lecho de polvo para aplicaciones biomédicas; tales como el tratamiento de fracturas y enfermedades óseas como la osteoporosis, ya que estos andamios logran similar la morfología el comportamiento mecánico del hueso. Para esto se desarrollaron tres estructuras de superficies mínimas triplemente: diamante, primitiva y split P. Además, se estudió el caso con y sin una rampa de densidad radial; así como sin tratamiento superficial y al aplicar electropulido y grabado químico. Los estudios abarcaron análisis de rugosidad, microscopía electrónica de barrido, difracción por retrodispersión de electrones, medición de masa y densidad relativa, así como pruebas de compresión. El electropulido no resultó tener un efecto significativo en las muestras, mientras el grabado químico presentó una mayor penetración y un mejor acabado; teniendo el menor efecto en la estructura split P. La estructura diamante presentó el mayor módulo elástico y un comportamiento frágil; la estructura primitiva tuvo un comportamiento ligeramente dúctil y el menor límite elástico; la split P tuvo el mayor límite elástico y el comportamiento más dúctil. La presencia de un gradiente radial aumentó el módulo elástico y disminuyó el límite. En cuanto a la microestructura, el 99% de esta corresponde a α’ martensítica, que crece en la disposición de los granos β anteriores, en este caso se recomienda la aplicación de tratamientos térmicos para aumentar la concentración de granos β. Los resultados obtenidos indican que las estructuras planteadas tienen un potencial prometedor para su utilización futura en aplicaciones biomédicas, lo que podría traer grandes beneficios a la sociedad como la personalización de implantes, reducción de los casos de rechazo del cuerpo y fenómenos como la protección esfuerzos.

This project was developed at the University of Oulu, Finland, and focused on developing and studying the mechanical, morphological, and surface properties of porous structures fabricated through powder bed fusion laser beam for biomedical applications, including the treatment of fractures and bone diseases like osteoporosis, as these scaffolds can effectively mimic the morphology and mechanical behavior of bone. For this purpose, three types of triply periodic minimal surface (TPMS) structures were designed: diamond, primitive, and split P. The study included cases with and without a radial density gradient, as well as surface treatment variants using electropolishing and chemical etching. The analyses performed encompassed roughness evaluation, scanning electron microscopy, Electron backscatter diffraction, mass and relative density measurements, and compression testing. Electropolishing showed no significant effect on the samples, while chemical etching demonstrated deeper penetration and an improved surface finish, with the least effect observed in the split P structure. The diamond structure exhibited the highest young module but displayed brittle behavior, the primitive structure showed slightly ductile behavior with the lowest yield strength, and the split P structure showed the highest yield strength and the most ductile behavior. The presence of a radial gradient increased the elastic modulus and decreased the yield strength. In terms of microstructure, 99% of the material consisted of α' martensitic phase aligned with prior β grain orientation; in this case, thermal treatments are recommended to increase β grain concentration. The results obtained indicate that these structures hold promising potential for future biomedical applications, which could yield significant societal benefits, such as personalized implants, reduction in cases of bodily rejection, and mitigation of stress shielding effects.