MASTER – Inginerie de Mentenanță pentru ELI-NP IMentELI [304560]

MASTER – „[anonimizat]” – IMentELI

PROIECT

" APLICAȚII ÎN INDUSTRIE ALE SINTERIZARII SELECTIVE CU LASER"

Student: [anonimizat]

2016

APLICAȚII ÎN INDUSTRIE ALE SINTERIZARII SELECTIVE CU LASER

1 Introducere

Prototiparea rapidă (rapid prototyping) se dovedește un instrument deosebit de flexibil și util în munca de cercetare și elaborare prototipuri.

[anonimizat] a prototipurilor rapide.

Începând cu anul 2007, INCDMTM – [anonimizat], București, este în continuă dezvoltare în ceea ce privește tehnologiile RP&M – Rapid Prototyping and Manufacturing (Tehnologii de Prototipare și Execuție Rapida).

Din tabelul sintetic următor (tabelul 1) jos reiese clar superioritatea tehnologiei implementate în cadrul INCDMTM.

Tabel sintetic al procedeelor de RP&M (Rapid Prototyping and Manufacturing) în funcție de performanțe

Tabelul 1

Odată cu implementarea și punerea în funcțiune a [anonimizat] a [anonimizat]/[anonimizat].

Astfel, [anonimizat].

Pulberile metalice care pot fi utilizate cuprind o [anonimizat], aliaje de titan sau titan pur.

[anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat], îmbinate cu posibilitatea infinită de modelare geometrica 3D [anonimizat], mecatronice și robotice.

[anonimizat], prin orice procedeu mecanic cunoscut: frezare, strunjire, găurire, zencuire, alezare, filetare, rabotare, mortezare, rectificare, broșare, lepuire, honuire, suprafinisare.

[anonimizat], polisare, sudare, [anonimizat].

În fig. 1 este prezentat un element de implant de înaltă calitate pentru protezarea articulației genunchiului (foto – prin amabilitatea EOS GmbH).

Fig. 1

2 Pulberi metalice

Pulberile folosite pentru sinterizare laser pot avea diverși componenți în funcție de scopul în care va fi folosit produsul final. Pentru exemplificare vom arăta câteva caracteristici și procesele fundamentale ce au loc în cazul lucrului cu Pulbere DM20 (DirectMetal 20) pentru Eosint M270 [anonimizat], Germania.

În fig. 2 [anonimizat]-Cr.

Fig. 2

[anonimizat] ([anonimizat], cat și biomedical).

În fig. 3, este prezentată diagrama dimensiuni particule.

Fig. 3

Procedeele sinterizării selective (SLS – Selective Laser Sinering) dezvoltate după anul 1992 se bazează pe experiența de proiectare și fabricație dobândită pe echipamentele stereolitografice (STL) dar și pe extinderea cercetărilor tehnologice asupra unor alte grupe de materiale cu proprietăți mecanice și tehnologice mai apropiate de necesitățile ansamblelor funcționale din construcția de mașini (materiale ceramice, feroase și neferoase.

În acest mod s-a reușit să se demonstreze ca un strat subțire din anumite amestecuri de pulberi, sub acțiunea razei laser poate atinge local, în funcție și de durata de expunere, temperatura de topire ce marchează trecerea stratului de pulberi în faza lichida.

Pe baza proprietăților fizice ale pulberilor utilizate, imediat după încetarea acțiunii razei laser are loc aproape instantaneu solidificarea locală, obținând un cordon compact, realizat după direcțiile lanțurilor moleculare, înconjurat de un volum de pulberi neexpuse razelor amintite.

Caracteristicile principalelor biomateriale utilizate în procedeul de sinterizare cu laser sunt prezentate în tabelul 1

Tabel 1

Vederea straturilor solidificate cu evidențierea individuală a patului de pulbere este arătată în fig. 4.

Fig. 4

Explicația solidificării este mai complexă fiindcă gama de materiale folosite este deosebit de diversificată. Ea se bazează în principiu, pe același mecanism expus la procedeele stereolitografice: instalarea unor legaturi chimice care formează lanțuri macromoleculare liniare, arborescente sau tridimensionale.

Pentru aceste situații trecerile de stare, ce implică un aport local însemnat de căldură, pot fi accelerate prin inițializatori și controlate prin substanțe inhibitoare, iar aportul de energie poate fi dat de: surse de căldură concentrate în spațiul de lucru, radiații laser, etc.

Aceste surse trebuie să poată fi adaptate și reglate din mers, astfel încât să dea surplusul de căldura necesar atingerii temperaturii de topire prin care se oferă condiții termocinetice favorabile dezvoltării procesului, prin stabilirea lanțurilor macromoleculare și a unei structuri parțial cristaline, odată cu trecerea de la starea lichida la cea solida, întărită, ce marchează sinterizarea produsului.

Din punct de vedere energetic, pulberile de interes industrial au un interval lărgit al temperaturii de topire care necesită un aport diferit de căldură din partea sursei concentrate de energie. Alegerea energiei de activare necesare este posibilă prin selectarea rapidă a regimurilor de încălzire în conformitate cu dinamica procesului de sinterizare. Diversitatea acestor regimuri a atras în final denumirea de sinterizare laser.

În concluzie, această etapă este superioară perioadei anterioare când s-au cercetat, proiectat și omologat tehnologiile și echipamentele stereolitografice.

Procedeele sinterizării selective laser au în vedere o mare varietate de materiale din care vor rezulta produse aflate la un stadiu superior de performante, adică cu proprietăți fizico-mecanice apropiate de solicitările din organele de mașini uzuale.

Tehnologiile de prototipare și producție rapidă folosind materiale și procese noi s-au dezvoltat în ultimii ani pe mai multe direcții, în funcție de materialul utilizat și de tehnologia de solidificare a materialului.

Prelucrarea fisierelor STL cu interfața de previzualizare/ măsurare/ corectare este prezentată în fig. 5.

Fig. 5

Implementarea acestei noi tehnologii s-a realizat intr-un Laborator de micro-nanotehnologii din INCDMTM – Institutul Național de Cercetare – Dezvoltare pentru Mecatronică și Tehnica Măsurării, București.

Echipamentul de Sinterizare Selectiva Laser (SSL) EOSINT M270 Titanium Version este în conformitate cu următoarele standarde europene:

Machinery Directive 98/37/EC, Annex II A;

Low Voltage Directive 73/23/ECC;

EMC Directive 89/336/ECC.

Exemplu de piese de test EOSINT M 270 este arătat în fig. 6.

Fig. 6

La ora actuală INCDMTM este unic în țară în ceea ce privește nivelul de dotare pentru tehnologiile de Sinterizare Selectivă Laser pentru metale.

Sinterizarea selectivă cu laser (SSL), sau SLS – Selective Laser Sintering, este o familie de metode care poate construi un corp solid din diverse tipuri de materiale (plastic, metal, ceramica inclusiv metale foarte rare sau cu proprietăți fizico-mecanice și de biocompatibilitate deosebite) prin solidificarea pulberii de material, urmare a expunerii succesive a straturilor de pulberi la fascicul laser de diverse puteri.

Schema de principiu este arătată în fig. 7.

Fig. 7

Legenda:

Astfel, se pot obține piese, ansamble și subansamble cu orice fel de complexitate geometrica, imposibil de realizat prin alte procedee de prelucrare. Mai mult, procedeul este complet automatizat, nu necesită supraveghere iar controlul este realizat de echipamente inteligente high-tech.

De asemenea, tehnologia și echipamentul high-tech sunt conforme cu următoarele standarde:

EN ISO 12100-1, Publication date: 2004-04 – Safety of machinery; Basic concepts, general principles for design; Part 1: Basic terminology, methodology (ISO 12100-1:2003); German version EN ISO 12100-1:2003;

EN 55011, Publication date: 2000-05 – Industrial, scientific and medical (ISM) radio-frequency equipment – Radio disturbance characteristics – Limits and methods of measurement (IEC/CISPR 11:1997, modified + A1:1999); German version EN 55011:1998 + A1:1999;

EN 12626, Publication date: 1997-07 – Safety of machinery – Laser processing machines – Safety requirements (ISO 11553:1996 modified); German version EN 12626:1997.

Pentru toți cei ce lucrează cu fișiere tip STL (- Standard Tessellation Language – un format de fișiere pentru modele poligonale utilizat în prototiparea rapida), exista diverse soluții software dintre care cea mai completă și aparent ideală este Magics de la Materialise Software, Belgia.

Magics a devenit standard în domeniu datorita atât ușurinței în folosire cat și eficientei dovedite atunci când vine vorba despre lucrul cu fișiere de date 3D – suprafețe și volume.

Interfața Magics cu evidențierea intreteserii pentru construcția pe mașini de prototipare este prezentată în fig. 8.

Fig. 8

Acest software oferă unelte specializate și cu un înalt grad de automatizare pentru manipularea fișierelor 3D STL. Mai mult, acest tip de fișiere pot fi corectate în câteva minute cu ajutorul unor unelte deosebite ce pot interacționa direct asupra triunghiurilor ce prezintă defecte.

Daca sunteți implicați în activitatea de cercetare-dezvoltare-inovare pentru prototipare și fabricare rapida, Magics devine o unealta indispensabila de lucru. Magics este unicul software dedicat și optimizat în întregime pentru necesitățile și caracteristicile individuale ale proceselor de prototipare rapidă.

În fig. 9 este ilustrată evidențierea erorilor de proiectare înainte de a porni procesul de sinterizare selectiva laser pe mașina de prototipare rapida este de mare ajutor în evitarea rebuturilor și creșterea calității produselor.

Fig. 9

Funcționalitățile și comenzile eficiente 3D ale Magics RP (Magics Rapid Prototyping) asigura obținerea unei calități de excelență a prototipurilor în cel mai scurt timp, asigurând totodată obținerea întregii documentații asupra procesului.

Software-ul este certificat ISO 9001:2000 și este conform legislației CE și FDA.

Magics vă oferă controlul deplin asupra fișierelor STL.

Câteva din funcțiile oferite de Magics RP Base:

Vizualizare, măsurare și manipulare a fișierelor STL;

Detectarea și repararea erorilor fișierelor STL, unire suprafețe învelișuri, decupare suprafețe, detectare dubla triangulație

Decupare fișiere STL, perforator de orificii

În fig. 10 sunt prezentate componente realizate din pulberi metalice de mare complexitate (foto prin amabilitatea 3T RPD).

Fig. 10

3 Echipamentul tehnologic High-Tech utilizat

Echipamentul high-tech EOSINT M 270 Titanium Version în functiune în cadrul INCDMTM este arătat în fig. 11.

Fig. 11

În fig. 12 este prezentată arhitectura software a mașinii.

Fig. 12

Unitatea mecanica

Unitatea mecanica are în componenta urmatoarele:

Recoater

Comparator micro-mecanic de ajustare

Platforma high-tech inteligenta

Comparator de ajustare la micron

Aliniamentul de masurare

Micro-motor de ajustare micronica pe axa Y

Micro-motor de ajustare micronica pe axa X

În fig. 13 se poate vedea EOSINT M – unitatea mecanică.

Fig. 13

Unitatea optica

Unitatea optica are în componenta urmatoarele:

Scanner cu sisteme de protectie

Modul de ajustare al dimensiunii fasciculului laser

Sistemul optic pentru raza laser

Colimator

Laserul cu fibra optica

EOSINT M – unitatea optica este arătată în fig. 14

Fig. 14

Elementul optic cu lentile F-theta este prezentat în fig. 15.

Fig. 15

Parametri tehnologici

Schița procesului tehnologic este prezentată în fig. 16.

Fig. 16.

4 Exemple de aplicații industriale

4.1 Exemple de aplicații industriale în domeniul medical și biomedical

Corpul uman are o geometrie foarte variată iar estetica lui are un rol major în integrarea omului în societate. Implanturile personalizate, ce țin cont de variabila individuală sunt din ce în ce mai căutate, înlocuind implanturile standardizate, inestetice. Mai mult, aceste implanturi pot fi folosite într-un spectru foarte larg de specialități chirurgicale, precum ortopedia, neurochirurgia, chirurgia cranio-maxilo-facială, ortopedie-traumatologie, etc.

In termeni matematici FEA, (metoda cu element finit) reprezintă o tehnica numerica de rezolvare a problemelor pe baza unui set de ecuații diferențiale. Se referă la acele probleme care apar în mod uzual în multe domenii ale ingineriei, cum ar fi proiectarea mașinilor, acustica, electromagnetism, mecanica, dinamica fluidelor și altele. În ingineria mecanică, FEA este utilizată în special pentru rezolvarea problemelor structurale, de vibrații sau termice.

FEA nu reprezintă numai un instrument disponibil pentru analiza numerica. Alte metode numerice folosite în inginerie includ Metoda Diferenței Finite (FDM), Metoda Elementelor Limita (BEM) sau Metoda Volumelor Finite (FVM). În orice condiții datorita versatilității și eficienței, FEA domină actual piața analizei în domeniul ingineresc, în timp ce alte metode au devenit aplicații de nisa. Folosind FEA, se pot analiza orice forme, se pot pune diferite condiții pentru a „idealiza” geometria și obține rezultate cu acuratețea dorita, Teoria FEA, formularea numerica a problemelor și metoda de rezolvare sunt complet transparente pentru utilizatori în condițiile implementării unui soft modern, cum este și COSMOSWorks.

Un instrument puternic de analiza FEA, este folosit pentru a rezolva probleme pe un interval larg, de la simplu la complex. Inginerii proiectanți utilizează FEA în timpul procesului de proiectare pentru a analiza „design-in-progress”. Impunerile de timp și disponibilitatea limitata a produselor, cer multe simplificări în procesul de analiza. La celalalt capăt al intervalului FEA rezolva probleme complicate, de tipul „crash test” dinamic pentru autovehicule, turnarea metalului, analiza biostructurilor.

Privitor la complexitatea proiectului sau a domeniului de aplicație pașii fundamentali în FEA sunt aceiași indiferent dacă este vorba de o analiză structurală, termică sau acustică. Punctul de început este reprezentat de modelul geometric, în cazul nostru piesa sau ansamblul SolidWorks.

Acestui model îi sunt asignate proprietăți de material, sunt definite încărcări și restricții. Pasul următor reprezintă discretizarea modelului pentru analiză, ca în orice situație când se folosește un instrument de analiza bazat pe aproximări numerice.

Analiza FEM pe o structură osoasă obținută din fișiere DICOM este arătată în fig. 17.

Fig. 17

Prin tehnologiile de prototipare rapidă (rapid prototyping) se pot realiza combinații unice de materiale și forme geometrice (spre exemplu, geometria unei vertebre umane, care are o geometrie unică pentru fiecare vertebră, fie ea cervicală, toracică, lombară sau sacrală, poate fi realizată fără probleme prin intermediul prototipării rapide). Metodele tradiționale de fabricație cedează teren în fața acestei tehnici revoluționare, în domenii ca: inginerie biomedicală, electronică, aeronautică, arhitectură, arheologie, medicină, generând chiar noi domenii de studiu, cum ar fi proiectarea țesuturilor umane.

La realizarea acestor game de produse cu geometrii complexe au fost necesare crearea și utilizarea de rețete de pulberi metalice de tip biocompatibil. Pentru obținerea amestecurilor pulverulente de pulberi metalice au fost utilizate tehnologii specifice metalurgiei pulberilor, coroborate cu metode speciale generate de cerințele impuse de biocompatibilitate. Pulberile metalice utilizate, sunt supuse unui riguros control chimic asupra elementelor componente (exprimat în procente volumice) și un control strict al dimensiunii particulelor și habitas-ului acestora (exprimat prin: diametrul mediu și factorul de formă).

Exemplu de complexitate geometrică realizată pentru domeniul cranio-maxilo-facial este arătat în fig. 18.

Fig. 18

Puritatea șarjelor și repetabilitatea eșantionării acestora sunt condiții primordiale urmărite atent de către producătorii de rețete de amestecuri de pulberi metalice biocompatibile, orice anomalie conducând la rebutarea produselor (atât din punct de vedere fizico-mecanic, cat și biomedical).

Dimensiunile particulelor și factorul de formă se reflectă direct în calitatea suprafeței produselor finale obținute, aceasta fiind în directă concordanță cu destinația finală dorită. Pentru obținerea unui factor de formă cat mai apropiat de „unu” (cazul ideal) sunt utilizate metode de atomizare a pulberilor în mediu lichid sau gazos. Gama dimensionala mica în care sunt livrate amestecurile pulverulente este asigurata prin sitari gradate succesive (pana la gama de 46μm) și utilizarea de separatoare gravimetrice de tip turbociclon pentru dimensiuni mai mici. Dimensiunile uzuale ale particulelor utilizate sunt cuprinse în intervalul de 10-50 μm, funcție de rețete. Principalele rețete de amestecuri pulverulente biocompatibile utilizate la realizarea de elemente implantologice orale și ortopedice, sunt de tip: otel inoxidabil, cobalt-crom, titan și aliajele acestuia.

Pe baza transformării norilor de puncte din fișierele DICOM se poate realiza modelare 3D (fig. 19).

Fig. 19

De menționat un aspect foarte important în ceea ce privește arie de aplicație în domeniul biomedical.

În cazul implanturilor realizate prin procedee clasice, un rol negativ îl joacă tensiunile interne acumulate de-a lungul proceselor mecanice de prelucrare, la care sunt supuse materiale, în vederea obținerii geometriei finale adecvate tipului de utilizare dorita. Implanturile realizate prin tehnologia de sinterizare selectiva prezintă avantajul eliminării acestor tensiuni cu efect negativ, care în timp conduc la fragilizări zonale, deci durate de viata restrânse. în cazul realizării de elemente implantologice prin procedee clasice de prelucrare, produsele sunt impurificate prin contactul direct realizat cu sculele de prelucrare, neajuns eliminat complet la utilizarea tehnologiei de prototipare cu laser.

Procesul de sinterizare selectiv poate genera produse cu parametri fizico-mecanici diferiți, controlabili, prin intermediul softului, funcție de destinația finala a implantului. Acest factor determinant al calității implantului poate fi modelat prin realizarea de treceri repetate (cumulate) ale spotului laser pe aceeași zonă, fapt care conduce direct la obținerea de durități superioare (zonale).

Elemente implantologice în faza bruta sunt arătate în fig. 20.

Fig. 20

Elemente implantologice finite sunt arătate în fig. 21.

Fig. 21

Foto ME, microgeometrie suprafața produs final (fig. 22).

Fig. 22

Caracteristicile fizico-mecanice ale produselor finale sunt direcționare prin:

compoziția chimică și granulația inițială a amestecurilor de pulberi utilizate;

regimul de sinterizare selectiva programat.

In implantologie, sunt dorite într-o foarte mare măsură produse cu tenacități zonal controlate și durități variabile, în vederea satisfacerii eforturilor și momentelor specifice la care sunt supuse. Calitatea finala a suprafeței este adecvata realizării proceselor de osteointegrare.

Studiile microscopice efectuate de prestigioase laboratoare în lume: Oxford, MIT – Boston, Philips Plastic, General Electric, au relevat faptul ca prototipurile obținute prin aceste procedee sunt perfect compacte, neprezentând urme de degradare a compoziției.

Diverse elemente de protezare pentru implanturi biomedicale (sold, genunchi) sunt prezentate în fig. 23.

Fig. 23

4.2 Exemple de aplicații industriale în domeniul mecatronic

Expertiza noastră în domeniu:

Fabricarea de modele și prototipuri pentru produse biomedicale implantabile

Fabricarea de prototipuri funcționale pentru industria auto și aerospațială

Realizarea de matrițe de înaltă calitate

Proiectare și posibilități de testare statică și dinamică a implanturilor și a altor piese mecanice pentru industrie

Posibilități de realizare geometrii complexe imposibil de realizat prin alte procedee de prelucrare a metalului

Element micro-mecanic specializat (fig. 24)

Fig. 24

4.3 Exemple de aplicații industriale în domeniul mecanica de precizie

În fig. 25 este prezentată turbina specială pentru industria aeronautică cu geometria corectata și gata de a fi transferată procesului de sinterizare selectiva cu laser.

Fig. 25

Pentru dezvoltarea de aplicații industriale în domeniul mecanica de precizie INCDMTM folosește software de proiectare CAD și software specializat prototipare rapidă:

-SolidWorks 2009 SP3.0, RapidWorks 2.3.1, NextEngineHD

-EOS RP-Tools (single non-expiring licence)

-EOS PSW offline (single non-expiring licence)

-Materialise Magics RPv.10 licensed version with additional module SG

-EOSTYLE

Elemente din aria de mecanica de precizie realizate în cadrul INCDMTM (fig. 26).

Fig. 26

Principala capabilitate a prototipării rapide (rapid prototyping) este aceea ca permite realizarea în interval de 3 pana la 72 de ore (in funcție de complexitatea modelului) un prototip, pornind de la un model proiectat în CAD (computer aided design – proiectare asistata de computer) sau cu ajutorul unui soft de simulare a modelării (animation modeling software).

Element complex de înaltă durabiliate (fig. 27)

Fig. 27

Element realizat din Inconel 625 (2.4856) (Fig. 28).

Fig. 28

5 Impactul implementării tehnologiei de prototipare rapidă

Impactul implementării tehnologiei de prototipare rapidă se concretizează prin realizarea următoarelor obiective:

-creșterea capacității de cercetare prin dezvoltarea infrastructurii de CD și atragerea de tineri și de specialiști de înaltă calificare;

– întărirea ofertei de cunoștințe realizată de universități și institute de CD;

– stimularea transferului tehnologic bazat pe cooperarea dintre instituții CD și întreprinderi;

-stimularea cererii de inovare a întreprinderilor;

-susținerea formării și dezvoltării firmelor bazate pe înalte tehnologii;

-dezvoltarea de poli de excelență.

Concepte noi dezvoltate la INCDMTM (fig. 29)

Fig. 29

INCDMTM va susține cercetări într-un domeniu de ultimă oră la nivel internațional, deci rezultatele vor crea un efect multiplicator al investiției alocate, în special pentru că indicatorii de rezultat urmăriți sunt pe termen mediu și lung.

Din punct de vedere economic, prin crearea de spin-off-uri inovative de nivel internațional se va crea competiție într-o economie globalizată, ceea ce va genera calitate.

Cercetările privind optimizarea elementelor protetice din biomateriale obținute prin sinterizare selectivă laser este în conformitate cu documentul CE„Science and technology, the key to Europe's future – Guidelines for future European Union policy to support research” – EC COM (2004) 353, aria tematica și obiectivele noastre sunt relevante și se incadreaza în eforturile comune de dezvoltare a European Research Area, în perspectiva abordarii ORIZONT 2020 (HORIZON 2020) (fig. 30).

Fig. 30

Pe plan internațional INCDMTM a creat premisele realizării de cooperări cu:

– Anglia Ruskin University – Faculty of Science and Technology – Department of Computing and Technology – The Bioengineering research group – Dr. Rajshree Mootanah – Chelmsford, Anglia

– Universitatea din Maribor, Facultatea de Inginerie Mecanica – Prof. Univ. Dr. Ing. Igor Drstvensek

– National Aerospace Research Center, ONERA, Franta – Deputy Director "New Business" – Florin Calin PAUN

– Microsoft Research în Silicon Valley, Ph.D. Mihai Budiu

– Institutul Fraunhofer – Optica și Mecanica Fina – Dipl. Eng. Matthias Heinze

– Kunststoff-Institut fur die mittelstandische Wirtschaft NRW GmbH (KIMV) – Dipl.Eng. Udo Hinzpeter

– Hochschule Darmstadt University of Applied Sciences – Institut

– Institutul Central de Cercetare-Dezvoltare pentru Metalurgie (www.cmrdi.sci.eg ), El-Tebeen, Helwan, 11422, Cairo, Egypt ,Directorul Laboratorului CAD/CAE și Prototipare Rapida, Prof. Dr. Khalid Abd Elghany

De asemenea, se va realiza afilierea INCDMTM la GARPA – Global Alliance of Rapid Prototyping Associations.

6 Noi perspective de dezvoltare a tehnologiei de prototipare rapidă

Noile perspective de dezvoltare a tehnologiei de prototipare rapida vizează:

Reducerea fragmentarii eforturilor de cercetare-dezvoltare în elaborarea de noi componente pentru aparate de cercetare, în domeniul medical, aerospatial și auto prin stimularea și optimizarea reala a unor procese de proiectare la tema;

Identificarea principalelor cerințe ale domeniilor din industria auto, biomedicală și aerospațială în direcția componentelor aparaturii de cercetare precum și evidențierea unor posibile piețe de desfacere.

Oferirea unor servicii de consultanta / expertiza în domeniul componentelor pentru aparatura de cercetare și biomedicală, implantology, 3D scanning, CT scan, RMN scan, DICOM files manipulation, 3D design, e-Manufacturing (Rapid Prototyping, Rapid Manufacturing, Rapid Tooling);

Crearea și implementarea unor noi sisteme de analiza caracterizare / încercare și măsură, compatibile cu societate dezvoltată.

Stabilirea unor legaturi / parteneriate de colaborare cu laboratoare de cercetare și centre de excelenta din tara și din Europa, inclusiv în proiecte FP 7.

Obținerea capacității de dezvoltare de parteneriate cu agenți economici interesați de realizarea unor componente pentru aparate / echipamente la tema, în regim de prototip sau serie mica.

In ceea ce privește noile tehnologii din domeniul componentelor pentru aparatura de cercetare și biomedicală, implantologie, 3D scanning, CT scan, RMN scan, manipulare fisiere DICOM , 3D design, e-Manufacturing (Rapid Prototyping, Rapid Manufacturing, Rapid Tooling), se deschide o noua era a colaborării inginer – medic – specialist IT.

Exemplu practic de poziționare cu acuratețe a implantului pe modelul generat din fișierele CT (fig. 31).

Fig. 31

Cel mai simplu mod de a reconstrui structura osoasa a unui pacient este de a folosi imagini CT care există deja de la tratamente anterioare ale pacientului. Un set de imagini CT poate fi transformat intr-un model digital, folosind unul dintre cele câteva pachete software disponibile disponibile pentru conversie, cum ar fi: Mimics (Materialise), RapidForm (Inus Technology), 3D doctor (Able Software), Amira (Marcury Computer)) , sau altele (industria software în acest domeniu este în plin avânt).

Datele de intrare la aceste pachete software sunt, de obicei, sub formă de fișiere DICOM iar datele de ieșire sunt predominant STL (Standard Tessellation Language), care pot fi utilizate direct în cele mai multe tehnologii RP pentru a produce modele reale (figura 32).

Reconstrucția 3D a craniului după fișiere DICOM (fig. 32)

Fig. 32

Revolutia CAD/CAM/CAE (Computer Aided Design /Manufacturing /Engineering) și a aparaturii de imagistica medicala precum și a posibilității nelimitate de scanare tridimensionala a condus la realizări și orizonturi de așteptare extraordinare. Reconstrucția structurii osoase a pacientului poate fi individualizata cu un efort minim și în siguranța deplină datorită posibilității de manipulare a fișierelor CT de tip DICOM și transformarea lor în fisiere STL si/sau CAD ce pot fi prelucrate 3D. Analiza eforturilor și deformațiilor se poate realiza prin analize FEM/CFD (Finite Element Analysis/Computer Fluid Dynamics). Astfel, medicul și inginerul are tot timpul imaginea reala a pacientului iar datele sale anatomice pot fi manipulate, fără a-l deranja pe acesta din urma absolut deloc.

Daca se dorește și o confirmare practică a rezultatelor 3D, în materie de câteva ore (2-20 ore) poate fi realizat orice geometrie implantabilă. Mai mult, duritatea materialului poate fi controlata prin variația intensității de expunere și a modalității de depunere a straturilor metalice/plastice/ceramice.

In plus, varianta fizica finala poate fi testata pe mașini de încercare mecanica statice și dinamice pentru a confirma siguranța soluției proiectate.

7 Concluzii

Tehnologia, fiind realizata după anul 2000, este intr-o continua expansiune datorita:

diversificării continue a tipurilor de rețete utilizate (de materiale pulverulente biocompatibile);

perfecționării agregatelor prin marirea zonei active de lucru.

Se are astfel în vedere, de catre producatorii agregatelor, diversificarea programelor soft, pentru obtinerea de tratamente termice de sinterizare cu laser mai performante, functie de scopul utilizarii finale a elementelor implantologice.

Principalele avantaje ale produselor de tip implant se evidentiaza prin posibilitatea de realizare în timp redus a unor geometrii complexe (dedicate utilizatorului), la parametri fizico-mecanici similari cu cei ai materialelor obtinute prin procedeul clasic de turnare.

Datorita extinderii continue a numarului de utilizatori, a fost posibila realizeazarea unei scaderi continue a preturilor de cost al utilajelor. Acest factor a influentat direct scaderea preturile de cost finale ale produselor implantologice realizate.

Astfel, produselor implantologice devin tot mai accesibile populatiei, fiind solicitate mai mult și intr-o gama diversificata tipo-dimensional, cu tendinte

De asemenea, suntem incantati sa semnalam deschiderea extraordinara de care am avut parte din partea unor universitati și centre de cercetare din Uniunea Europeana și din lume.

Astfel, se remarca Universitatea din Maribor, Slovenia, Facultatea de Inginerie Mecanica prin Dl. Prof. Univ. Dr. Ing. Igor Drstvensek.

Prin aceasta deschidere se va dezvolta o cooperare intensa în ceea ce priveste aria de cercetare micro-mecanica de precizie, mecatronica, robotica și inginerie biomedicala.

INCDMTM sustine crearea unui pol de excelenta în cercetare de nivel european cu un climat favorabil pentru cercetare-dezvoltare de noi tehnologii relationate cu imagistica medicala CT și RMN, modelarea geometrica 3D a structurilor osteo-articulare, parametrizarea mecanica și analiza FEM (Finite Element Method – Metoda Elementului Finit), chirurgie asistata de computer și evaluarea cantitativa a metodelor corective chirurgicale și ortopedice.

De asemenea INCDMTM se va afilia în contextul european de dezvoltare, cu laboratoarele recunoscute cu preocupari și rezulate deosebite în domeniu:

– LBM – Laboratoire de Biomecanique, Paris;

– LIS 3D – Laboratoire d’Informatique de la Scoliose, Montreal;

– LIO – Laboratoire de recherche en Imagerie et Orthopedie, Montreal;

– EPM – Ecole Polytechnique de Montreal;

– ETS – Ecole de Technologie Superieure, Montreal.

Laboratorul de cercetare-dezvoltare în domeniul sinterizarii selective laser pentru pulberi metalice prin procedee tehnologice mecanice și micromecanice de prototipare rapida va genera masa critica de experti și de cunoastere astfel incat sa se dezvolte un pol de excelenta în cercetare de nivel european cu un climat favorabil pentru cercetare-dezvoltare de noi tehnologii aflate în stransa legatura cu imagistica medicala CT și RMN, modelarea geometrica 3D a structurilor osteo-articulare, parametrizarea mecanica și analiza FEM (Finite Element Method – Metoda Elementului Finit), chirurgie asistata de computer și evaluarea cantitativa a metodelor corective chirurgicale și ortopedice. Un număr foarte divers de materiale sunt disponibile pentru a fi utilizate cu sistemele high-tech EOSINT M270, oferind o gamă largă de aplicații de e-Manufacturing.

EOS CobaltChrome MP1 este o pulbere de super-aliaj de cobalt-crom ce a fost special optimizat pentru prelucrarea pe acest tip de masini high-tech.

Alte materiale sunt, de asemenea, disponibile pentru sistemele de EOSINT M, inclusiv un aliaj special de cobalt-crom-molibden pentru restaurari dentare.

Capacitatea de a produce astfel de piese extrem de rapid, economic și flexibil permite fabricarea de piese sau de loturi individuale, care, la rândul său, permite identificarea problemelor de proiectare sau de fabricație într-un stadiu incipient de dezvoltare a produsului iar timpul de punere pe piață este scurtat. Aceasta noua tehnologie este folosită în domenii de top, domenii de inginerie și medicină, atât pentru scopuri civile cat și militare.

Cea mai avansata entitate de inginerie din lume, NASA, foloseste tehnologia EOSINT M270 Titanium Version.

BIBLIOGRAFIE:

[1] Bannon, B. P., and Mild, E. E., „Titanium Alloys for Biomaterial Application: An Overview,” Titanium Alloys in Surgical Implants, ASTM STP 796, H. A. Luckey and Fred Kubli, Jr., Eds., Americcan Society for Testing and Materials, 1983, pp. 7-15

[2] Bell, W. H., Modern practice in orthognatic and reconstructive surgery, W. B. Saunders company, Philadelphia,1992

[3] Ciobota N.D., Titanium and Titanium Alloys for Biomedical and Industry Applications, National Institute of Research and Development for Mechatronics and Measurement Technique, Bucuresti, International Conference 6th Workshop on European Scientific and Industrial Collaboration on promoting Advanced Technologies In Manufacturing WESIC’08, Bucharest 25-26 September 2008

[4] De Vleeschouwer, M., The Usage of Medical Images for Creating Custom FE And CFD Models, Proceedings of the 1st International Conference on Additive Manufacturing, DAAAM International, 2007.

[5] Dolinsek, S., Kopac, J., Prodan, I. Industrial applications with DMLS rapid tooling. V: International Manufacturing Leaders Forum, , IMLF2005 : proceedings. Adelaide, Australia, 2005, pp. 117 – 122

[6] Dontu G.O., “Masini si sisteme integrate de fabricatie”, Ed. Printech, Bucuresti, 2015

[7] Dontu O.,” Tehnologii de prelucrare cu laser”, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1985

[8] Drstvensek, I., Strojnik, T., Brajlih T., Valentan, B., Rapid Technologies Supporting Surgical Operations – Case Study, Proceedings of the 1st International Conference on Additive Manufacturing, DAAAM International, 2007.

[9] Dumitriu, D., Drstvensek, I., Ihan-Hren, N., Balc N., Development of a Custom Maxillofacial Implant by Means of Rapid Prototyping, Proceedings of the 2nd International Conference on Additive Manufacturing, DAAAM International, 2008.

[10] Euro-Titan Handels AG, Solingen, Germany

[11] Handzettel, EOS GmbH, 02-07, MS, M_ Standard_en

[12] Igor Drstvensek, Natasa Ihan Hren, Tadej Strojnik, Tomaz Brajlih, Bogdan Valentan,Vojko Pogacar, Tjasa Zupancis Hartner., „ Applications of Rapid Prototyping in Cranio-Maxilofacial Surgery Procedures,” International Journal of Biology and Biomedical Engineering, Issue 1, Volume2, 2008, pp. 29-38

[13] Iliescu, M., Nutu, E., Georgescu, L., Finite Element Method Simulation and Rapid Prototyping, Proceedings of the 8th WSEAS International Conference on Electric Power Systems, High Voltages, Electric Machines (POWER '08), 2008, pag. 257

[14] Installation Conditions – EOSINT M 270, ED.01.08, 9212-0041, EOS GmbH – Electro Optical Systems

[15] Material data sheets – EOSINT M 2×0, EOS GmbH – Electro Optical Systems, Robert-Stirling-Ring 1, D-82152 Krailling / München

[16] MCP HEK Tooling GmbH, Selective Laser Melting Technology, www.mcp-group.de

[17] Wohlers, T. Wohlers Report 2006, Wohlers Associates, Fort Collins, 2006

[18] https://ro.wikipedia.org/wiki/Laser

[19] https://en.wikipedia.org/wiki/Laser

[20] https://en.wikipedia.org/wiki/Selective_laser_sintering

[21] https://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_laser

[22] http://en.wikipedia.org/wiki/Titanium_alloy

[23] http://www.healthpointcapital.com

[24] http://www.eos.info

[25] http://www.pddnet.com/news-eosint-m-270-system-purchased-for-titanium-in-n-america-052209/