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Dec 14, 2023

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La produzione additiva (AM) ha ottenuto un’adozione diffusa nel settore dei dispositivi medici. Presenta vantaggi di progettazione intrinseci, tra cui la facile realizzazione di geometrie implantari complesse e caratteristiche no

La produzione additiva (AM) ha ottenuto un’adozione diffusa nel settore dei dispositivi medici. Presenta vantaggi di progettazione intrinseci, tra cui la facile realizzazione di geometrie implantari complesse e caratteristiche non possibili con la tradizionale produzione sottrattiva, come la creazione di caratteristiche porose che consentono una maggiore penetrazione cellulare per migliorare l'osteointegrazione e la stabilità dell'impianto. Di conseguenza, l’AM viene abitualmente utilizzata nella produzione su larga scala di dispositivi ortopedici come coppe acetabolari, placche e aumenti di base tibiale e gabbie intersomatiche spinali.

Inoltre, l’AM offre l’opportunità di adattare l’impianto all’anatomia del paziente e potenzialmente ridurre la propensione all’allentamento asettico. Essendo un settore strettamente regolamentato, esistono regole rigorose relative al processo di selezione dei materiali, limitando così la scelta dei materiali, soprattutto quando si tratta di impianti. Con l’aumento della domanda dei materiali più comuni, i requisiti normativi cambiano o sono necessarie nuove proprietà meccaniche per soddisfare i progetti sempre più avanzati progettati dai produttori di dispositivi medici.

I produttori stanno iniziando a concentrarsi nuovamente sull’innovazione laddove inizia il processo additivo: la polvere metallica.

Tra le scelte di materiali per impianti metallici esistenti, il titanio-6 alluminio-4 vanadio interstiziale extra basso (Ti6Al4V ELI) detiene una quota di oltre il 90% come materiale di scelta per le applicazioni mediche. La crescente domanda di polvere ha rinnovato l’attenzione al prezzo, alle proprietà e ai processi per la produzione della polvere di titanio.

Le polveri Ti6Al4V ELI con distribuzioni dimensionali variabili vengono utilizzate nella produzione additiva, tra cui la deposizione diretta di energia (DED), la fusione del letto di polvere laser (L-PBF) e la fusione del letto di polvere con fascio di elettroni (EB-PBF). Non tutti i metodi di atomizzazione delle polveri sono adatti alle leghe di titanio a causa dell'effetto dannoso delle inclusioni refrattarie sulla fatica e sulla tenacità. Ciò lascia l’atomizzazione al plasma senza crogiolo (PA) e l’atomizzazione a gas inerte con elettrodo (EIGA) come metodi preferiti per produrre polvere per la produzione additiva. La PA utilizza un filo prelegato alimentato nelle torce al plasma, creando goccioline fuse che si solidificano rapidamente come particelle di polvere altamente sferiche. L'EIGA alimenta continuamente una barra prelegata rotante, di elevata purezza, in una bobina di induzione per formare un flusso fuso che cade liberamente direttamente in un gas inerte ad alta velocità, producendo particelle di polvere altamente sferiche. Sebbene le polveri atomizzate al plasma alimentate a filo abbiano avuto il vantaggio del first mover, recentemente le polveri prodotte da EIGA hanno dimostrato di essere equivalenti alle polveri PA per varie proprietà fisiche e chimiche.

Ossigeno, azoto e idrogeno sono elementi interstiziali all'interno della lega Ti6Al4V che influenzano fortemente le proprietà meccaniche della parte finale e un controllo improprio può provocare parti con proprietà insufficienti. Il contenuto di ossigeno è particolarmente importante anche per le strategie di produzione di produzione additiva progettate per un elevato riutilizzo dei materiali. Le polveri prodotte da EIGA guadagnano solo 100 ppm di ossigeno in aggiunta ai livelli di ossigeno esistenti dalla materia prima (bar). Il forno EIGA non utilizza materiali refrattari e quindi non corre il rischio di introdurre inclusioni ad alta densità. Un libro bianco pubblicato da Carpenter Additive che confronta le polveri atomizzate Ti6Al4V ELI PA ed EIGA conclude che le polveri EIGA forniscono agli utenti un'opzione economica nella catena di approvvigionamento per ridurre i costi e il contenuto di ossigeno nel titanio garantendo al contempo l'assenza di tracce di contaminanti. Inoltre, un white paper complementare che esplora le proprietà meccaniche delle parti finite stampate con ciascuna delle varianti di polvere conclude che le parti stampate con polveri EIGA sono un’opzione praticabile per ridurre i costi mantenendo o migliorando la qualità delle parti stampate.

Le leghe di titanio mostrano elevata robustezza ed eccezionale resistenza alla corrosione insieme ad una biocompatibilità favorevole, che le rende adatte per un'ampia varietà di applicazioni biomediche. La maggior parte dei dispositivi medici impiantabili stampati tramite laser 3D utilizzano Ti6Al4V ELI, la variante interstiziale extra-bassa nota con la sua designazione standard, Grado 23 (ASTM F3001). Nella condizione stampata e pressata isostaticamente a caldo (HIP), questa lega dimostra un'ottima resistenza alla trazione di oltre 130 ksi (890 MPa) e un allungamento superiore al 10%.