Kişiye/Hastaya özel tasarlanmış vücut içi implant ve protezlerin üretiminde  katmanlı üretim teknolo


Giriş

Gelişen teknoloji sayesinde, giderek daha kapsamlı tasarım yazılımları, yeni yüksek performanslı malzemeler ve daha hızlı makineler üretildikçe, katmanlı üretim sadece prototip üretimi için değil, tüm dünyada endüstriyel üretim süreçlerinden biri olma yoluna girmiştir. İlk olarak uzayda yedek parça gereksinimlerini gidermek ve parça üretmek amaçlı başlayan katmanlı üretim süreci, son yıllarda aşırı hızlı gelişerek hayatımızın önemli alanlarına yayılmıştır. Bu süreçte, yeni nesil hastaya özel olarak tasarlanmış vücut içi implant/protezler, katmanlı üretim sayesinde daha hafif ve daha güvenilir halde üretilebilmektedir.


Artık üretim prosesi de değiştiğinden, kalıptan çıkar mı çıkmaz mı? Malzeme yolluklarda yürür mü?/yürümez mi? Freze takım ucu ulaşır mı ulaşmaz mı? Hurda malzeme çıktısını nasıl düşürürüm gibi sorular yerine, katmanlı üretim makinasının tablasına hangi açı ile ürünümü yerleştirmeliyim? Katmanlar düzgün atıldı mı? Isıl gerilmeleri nasıl düşürürüm gibi sorular sorulmaya başlanmıştır.


Tarihçe


1987’de 3D Systems, Stereolithography (SL) tekniği olarak bilinen plastik işleme yöntemi ile ilk ticari 3D Printer makinalarını çıkarmıştı, bu makinalar ile, morötesi ışığa duyarlı polimerler bir lazer yardımıyla katman katman dondurulmakta ve özellikle mühendis ve tasarımcılara etkili prototip çözümler sunmataydı.

1990 ‘larda polimer tabanlı katmanlı imalat teknolojileri özellikle Stratasys tarafından geliştirilen “fused deposition modeling (FDM)”, Cubital firmasının “solid ground curing (SGC)”, Helisys firmasının “Laminated Object Manufacturing (LOM)” metodlarının kullanımı ile ticarileşmiştir. DTM firmasının, toz maddelerin eritilmesi yöntemi “Selective Laser Sintering (SLS)” çözümü de bu dönemde tanıtılmıştır. 1994’de EOS firması, doğrudan metal tozu katılaştırma (direct metal laser sintering) tekniğini pazara tanıtmış, sonrasında EOSINT M160 ve M250 modeli tezgâhları geliştirmiştir; ancak, elde edilen çözümler, bronz benzeri düşük sıcaklıklarda eriyen ve çelik gibi mukavim metallerin karışımı işlendiğinden, metal alaşımlardan çok kompozit malzemelerin özelliğini göstermektedir. 1990’ların sonlarında, Optomec ve Röders firmaları benzer lazer işlem teknolojileri ile çözümler geliştirmiştir. ExtrudeHone firması, MIT’nin geliştirdiği bir teknoloji ile toz içerisinde ham şekillerin lazer yardımıyla eritilerek oluşturulması yöntemini, alet tasarımına yönelik olarak “Prometal Rapid Tooling System RTS-300”ü geliştirmiştir. 2002 yılında ise Precision Optical Manufacturing firması da lazer ile metal kaplama (Direct Metal DepositionDMD) teknolojisini tanıtmıştır. [1] “What is AM?”, metal-am.com




Katmanlı üretim teknolojisinde, titanyum ileri seviye alaşımları, yüksek maliyetli geleneksel imalat yöntemlerine göre maliyet avantajı doğurabilmektedir. Medikal, özellikle ortopedi ve diş hekimliği alanlarında, vakaya özel çözümler geliştirilebilmektedir. Katmanlı imalatın şu an için en büyük dezavantajlarından birisi, mevcut ticari tezgâhların çalışma alanının birçok endüstriyel parça için küçük olmasıdır. Metal katmanlı imalat için şu andaki en büyük tezgâh, 630 x 400 x 500 mm’dir. Medikal uygulamalar için yeterli olan bu ölçüler, Havacılık, Savunma ve Otomotiv sektörleri için bir kısıt olarak görülmektedir.



Toz Yataklı Lazer Eritmeli Sistemler (Powder Bed Laser Melting/Sintering)


Bu sistemlerde; toz içerisinde tasarımın bir kesiti lazer ile eritilir ve üzerine yeni bir katman toz ilave edilerek sıradaki katman eritilerek eklenir. Katmanların kalınlığı 20-100µm kadardır. Bu teknolojide uygulamalar, birden çok ve farklı güçlerde lazerleri soy gaz ortamında kullanmaktadır. Lazer eritme yöntemi de denilen bu yöntemde, “Selective Laser Melting (SLM)”, “Laser Curing” ve “Direct Metal Laser Sintering (DMLS)” gibi birçok faklı isimde ticari çözüm bulunmaktadır. Bununla birlikte, tümüyle vakum içinde uygulanan “Electron Beam Melting (EBM)” sistemi de kullanılan uygulamalardan biridir. Bu alanda bilinen tezgâhları, Avrupa’da Concept Laser, EOS, ReaLizer, Renishaw ve SLM Solutions, ABD’de ise 3D-Systems sunmaktadır. İsveçli Arcam AB firması da, Japon Matsuura ile ortak geliştirdiği elektron ışını kullanan bir çözüm sunmaktadır.


Katmanlı imalat, çoğunlukla ana imalat yöntemi olup, yüzey düzeltme/çapak alma gibi tesviye ve ısıl işlemler, imalat sonrası uygulanmaktadr.


Üretim simülasyonu yazılım üreticileri, katmanlı üretim teknolojisinin yaygınlaşması ile katmanlı üretim proseslerinin analizleri kousunda çözümler üretmeye başlamştır.Bu yazılımlar ile Isı transferi ve faz değişiklikleri gibi birçok fiziksel prosesin ve yapının üretim süresi boyunca malzeme özelliklerinin ve artık gerimelerinin öngörülmesi mümkün olmaktadır.




Medikalde kullanım


Tasarım optimizasyonundan üretime kadar geçen süreçte, katmanlı üretim teknolojisi ile kompleks geometrideki parçaların üretilebilmesinin verdiği özgürlük ile CT/MR görüntüleri 3D hale getirilirek oluşturulan 3D organ datalarının ve bu datalar üzerinden kayıp yaşanan kemik yapıyı destekleyen veya yerine geçen biyo uyumlu parçaları ve kılavuzları tasarlamak, tasarıma ağırlık ve mukavemet optimizasyonu yaparak yön vermek mümkün kılınmaktadır.




3D tasarımın mühendislik ve simülasyonla entegrasyonu, katmanlı üretim için parçaları optimize etmekte ve standart parametrelere olanak vermekte ve böylece sertifikasyon standartlarına uygunluk sağlamaktadır. Katmanlı üretim öncesi, her aşamada sanal doğrulama sağlanarak, parça üretilmeden önce sorunları tespit etmek ve tasarımların optimize edilmesi gerekliliği ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte katmanlı üretim, endüstri dünyasının daha az atık ağırlık ve maliyetle daha fazlasını başarabilmesini sağlamakta ve tasarımcıların geleneksel yöntemlerle üretilemeyecek karmaşık şekilleri tasarlamalarının önünü açmaktadır.




Kemik ile protezin implantasyonunda en kritik konulardan biri, Osseointegrasyon 'dur, Branemark ve arkadaşları tarafından "yaşayan kemik dokusu ile yükleme altındaki titanyum implant yüzeyi arasında direkt yapısal ve işlesel bağlantı" olarak tanımlanmaktadır. Yapılan araştırmalar göstermiştir ki, Titanyum yüzeyindeki çok küçük yüzey düzensizliklerine, mineralize dokunun ilerlemesi ve güçlü bir bağ kurması olarak açıklanan sisteme, kırılmaya yol açacak büyüklükte yük uygulandığında bile kırılma çizgisi implant-kemik arayüzünden geçmemekte, kemiğin diğer zayıf alanlarında oluşmaktadır. Özellikle kemik tümörü rezeksiyonu(sağlıklı dokudan uzaklaştırma) sonrası oluşan defekt ve fonksiyon kayıplarının giderilmesi için yapılan custom made protez çalışmalarında, protezin kemik ile kontakt kurduğu yüzeyler katmanlı üretim teknolojisi ile poroz veya kafes yapısında üretilebilmekte ve osseointegrasyonun sağlıklı bir şekilde oluşması sağlanmaktadır.







MXLLS​​

Archive
Search By Tags
Follow Us
  • Facebook Basic Square
  • Twitter Basic Square
  • Google+ Basic Square