Влияние направления печати на характер износа PLA-биоматериала, полученного методом FDM: исследование для имплантата тазобедренного сустава

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Операция по эндопротезированию тазобедренного сустава предполагает замену поврежденного сустава имплантатом, который может восстановить его функциональность. Технология 3D-печати более перспективна, чем традиционный производственный процесс, когда речь заходит о создании более сложных деталей и форм. Цель текущего исследовательского проекта: определить, насколько быстро можно изготовить имплантат из биоматериала для эндопротезирования тазобедренного сустава с использованием 3D-печати, изучив скорость износа изделий, изготовленных при использовании различных направлений печати. Несмотря на наличие нескольких технологий аддитивного производства, технология послойного наплавления (FDM – fuse deposition modeling) оказала значительное влияние на здравоохранение, автомобильную промышленность и др. В основном это объясняется адаптируемостью различных композиционных материалов на основе полимеров и их экономичностью. Такие полимеры, напечатанные на 3D-принтере, нуждаются в дальнейшем изучении для оценки износа в зависимости от различных направлений 3D-печати. Биоматериалы на основе полимолочной кислоты (PLA – polylactic acid) были тщательно изучены с целью определения их пригодности в качестве материалов для изготовления тазобедренных суставов. Цель работы. В настоящей работе проведено экспериментальное исследование влияния направления печати на износ в условиях сухого трения скольжения материала из полимолочной кислоты (PLA), полученного путем послойного наплавления (FDM), по схеме «штифт – диск (SS 316)». Кроме того, были разработаны экспериментальные и эмпирические модели для прогнозирования производительности с учетом влияния нагрузки и скорости скольжения. Для определения оптимальных параметров был использован алгоритм реляционного анализа «серых» систем. Методы исследования. Методом FDM-печати в различных направлениях изготовлен штифт. Под направлением печати подразумевается печать под углами 0°, 45° и 90°, при этом все остальные параметры 3D-печати оставались неизменными. Испытание на износ проводили по кинематической схеме «штифт – диск». В ходе экспериментов варьировалась нормальная нагрузка на штифт и скорость вращения диска. Эксперименты были методически разработаны для изучения влияния входных параметров на удельную скорость износа. Было проведено около 13 экспериментов на каждое направление печати при пути трения, равном 4 км, в диапазоне нагрузки 400–800 Н при скорости скольжения 450–750 об/мин. Результаты и обсуждение. В ходе исследования были получены важные результаты, особенно касающиеся направления 3D-печати компонентов. Было обнаружено, что наименьший износ при трении скольжения наблюдается у штифта, напечатанного под углом 0°, чуть больший износ характерен для штифта, напечатанного под углом 90°. Соединение слоев на штифте, напечатанном под углом 45°, деформировалось при более высокой нагрузке в основном из-за повышения температуры. Низкая прочность соединения в штифте, напечатанном под углом 45°, привела к сильному износу при трении скольжения. Оптимальный результат достигнут при скорости скольжения 451 об/мин и нагрузке 600 Н. Результаты исследования очень полезны при выборе материалов для 3D-печати биомедицинских имплантатов, изделий медицинского и промышленного назначения.

Об авторах

Й. Б. Дама

Email: yogirajdama@dbatu.ac.in
ORCID iD: 0009-0008-5404-4347
Технологический университет доктора Бабасахеба Амбедкара, Лонере, Райгад, Махараштра, 402103, Индия, yogirajdama@dbatu.ac.in

Б. Ф. Джоги

Email: bfjogi@dbatu.ac.in
ORCID iD: 0000-0003-2099-7533
профессор, Технологический университет доктора Бабасахеба Амбедкара, Лонере, Райгад, Махараштра, 402103, Индия, bfjogi@dbatu.ac.in

Р. Паваде

Email: rspawade@dbatu.ac.in
ORCID iD: 0000-0001-7239-625X
доцент, Технологический университет доктора Бабасахеба Амбедкара, Лонере, Райгад, Махараштра, 402103, Индия, rspawade@dbatu.ac.in

А. P. Кулкарни

Email: atul.kulkarni@viit.ac.in
ORCID iD: 0000-0002-6452-6349
канд. техн. наук, доцент, Институт информационных технологий Вишвакармы, Кондва (Бадрек), Махараштра, Пуне – 411048, Индия, atul.kulkarni@viit.ac.in

Список литературы

  1. Ventola C.L. Medical applications for 3D printing: current and projected uses // Pharmacy and Therapeutics Journal: Peer Review. – 2014. – Vol. 39 (10). – P. 704–711.
  2. Gibson I., Rosen D., Stucker B. Direct digital manufacturing // Additive Manufacturing Technologies. – 2nd ed. – New York: Springer, 2015. – P. 375–397. – doi: 10.1007/978-1-4939-2113-3_16.
  3. Patil N.A., Njuguna J., Kandasubramanian B. UHMWPE for biomedical applications: performance and functionalization // European Polymer Journal. – 2020. – Vol. 125. – P. 109529. – doi: 10.1016/j.eurpolymj.2020.109529.
  4. Kurtz S.M. Primer on UHMWPE // UHMWPE biomaterials handbook: ultra-high molecular weight polyethylene in total joint replacement and medical. – 3rd ed. – Amsterdam: Elsevier, 2016. – P. 1–6.
  5. Lewis G. Properties of crosslinked ultra-high-molecular-weight polyethylene // Biomaterials. – 2001. – Vol. 22 (4). – P. 371–401. – doi: 10.1016/S0142-9612(00)00195-2.
  6. Lubrication and wear of ultra-high molecular weight polyethylene in total joint replacements / A. Wang, A. Essner, V. Polineni, C. Stark, J. Dumbleton // Tribology International. – 1998. – Vol. 31. – P. 17–33. – doi: 10.1016/S0301-679X (98)00005-X.
  7. Yousuf J.M., Mohsin A.A. Enhancing wear rate of high-density polyethylene (HDPE) by adding ceramic particles to propose an option for artificial hip joint liner // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 561. – P. 012071. – doi: 10.1088/1757-899X/561/1/012071.
  8. Relationship between polyethylene wear and osteolysis in hips with a second-generation porous-coated cementless cup after seven years of follow-up / K.F. Orishimo, A.M. Claus, C.J. Sychterz, C.A. Engh // The Journal of Bone & Joint Surgery. – 2003. – Vol. 85 (6). – P. 1095–1099. – doi: 10.2106/00004623-200306000-00018.
  9. Mechanical and tribological performance of HDPE matrix reinforced by hybrid Gr/TiO2 NPs for hip joint replacement / A. Nabhan, G. Sherif, R. Abouzeid, M. Taha // Journal of Functional Biomaterials. – 2023. – Vol. 14 (3). – P. 140. – doi: 10.3390/jfb14030140.
  10. Wear mechanism and debris analysis of PEEK as an alternative to CoCrMo in the femoral component of total knee replacement / X. Zhang, T. Zhang, K. Chen, H. Xu, C. Feng, D. Zhang // Friction. – 2023. – Vol. 11. – P. 1845–1861. – doi: 10.1007/s40544-022-0700-z.
  11. Posterolateral or direct lateral surgical approach for hemiarthroplasty after a hip fracture: a randomized clinical trial alongside a natural experiment / M.C.J.M. Tol, N.W. Willigenburg, A.J. Rasker, H.C. Willems, T. Gosens, M. Heetveld, M.G.M. Schotanus, B. Eggen, M. Kormos, S.L. van der Pas, A. van der Vaart, J.C. Goslings, R.W. Poolman // JAMA Network Open. – 2024. – Vol. 7 (1). – P. e2350765. – doi: 10.1001/jamanetworkopen.2023.50765.
  12. D printing for hip implant applications: a review / O. Obinna, I. Stachurek, B. Kandasubramanian, J. Njuguna // Polymers (Basel). – 2020. – Vol. 12 (11). – P. 2682. – doi: 10.3390/polym12112682.
  13. Critical review of FDM 3D printing of PLA biocomposites filled with biomass resources, characterization, biodegradability, upcycling and opportunities for biorefineries / S. Bhagia, K. Bornani, R. Agarwal, A. Satlewal, J. Durkovic, R. Lagana, M. Bhagia, C.G. Yoo, X. Zhao, V. Kunc, Y. Pu, S. Ozcan, A.J. Ragauskas // Applied Materials Today. – 2021. – Vol. 24. – P. 101078. – doi: 10.1016/j.apmt.2021.101078.
  14. Biochar reinforced PLA composite for fused deposition modelling (FDM): a parametric study on mechanical performance / P. Anerao, A. Kulkarni, Y. Munde, A. Shinde, O. Das // Composites, Part C: Open Access. – 2023. – Vol. 12. – P. 100406. – doi: 10.1016/j.jcomc.2023.100406.
  15. Comparative analysis of drop impact resistance for different polymer based materials used for hearing aid casing / A. Gosavi, A. Kulkarni, Y. Dama, A. Deshpande, B. Jogi // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 49. – P. 2433–2441. – doi: 10.1016/j.matpr.2021.09.519.
  16. Dama Y.B., Jogi B.F., Pawade R.S. Application of nonlinear analysis in evaluating additive manufacturing process for engineering design features: a study and recommendations // Communications on Applied Nonlinear Analysis. – 2024. – Vol. 31 (1s). – P. 94–105. – doi: 10.52783/cana.v31.559.
  17. FDM technology and the effect of printing parameters on the tensile strength of ABS parts / M. Daly, M. Tarfaoui, M. Chihi, C. Bouraoui // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2023. – Vol. 126 (11–12). – P. 5307–5323. – doi: 10.1007/s00170-023-11486-y.
  18. Effect of process parameter on tensile properties of FDM printed PLA / L. Sandanamsamy, J. Mogan, K. Rajan, W.S.W. Harun, I. Ishak, F.R.M. Romlay, M. Samykano, K. Kadirgama // Materials Today: Proceedings. – 2023. – doi: 10.1016/j.matpr.2023.03.217.
  19. Eryildiz M. Effect of build orientation on mechanical behaviour and build time of FDM 3D-printed PLA parts: an experimental investigation // European Mechanical Science. – 2021. – Vol. 5 (3). – P. 116–120. – doi: 10.26701/ems.881254.
  20. Additive manufacturing of PLA structures using fused deposition modelling: effect of process parameters on mechanical properties and their optimal selection / J.M. Chacón, M.A. Caminero, E. García-Plaza, P.J. Núñez // Materials & Design. – 2017. – Vol. 124. – P. 143–157. – doi: 10.1016/j.matdes.2017.03.065.
  21. Explainable AI techniques for comprehensive analysis of the relationship between process parameters and material properties in FDM-based 3D-printed biocomposites / N. Kharate, P. Anerao, A. Kulkarni, M. Abdullah // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2024. – Vol. 8 (4). – P. 171. – doi: 10.3390/jmmp8040171.
  22. Experimental investigation of dry sliding wear behaviour of jute/epoxy and jute/glass/epoxy hybrids using Taguchi approach / A. Paturkar, A. Mache, A. Deshpande, A. Kulkarni // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5 (11). – P. 23974–23983. – doi: 10.1016/j.matpr.2018.10.190.
  23. Satkar A.R., Mache A., Kulkarni A. Numerical investigation on perforation resistance of glass-carbon/epoxy hybrid composite laminate under ballistic impact // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 59 (1). – P. 734–741. – doi: 10.1016/j.matpr.2021.12.464.
  24. Kanitkar Y.M., Kulkarni A.P., Wangikar K.S. Investigation of flexural properties of glass-Kevlar hybrid composite // European Journal of Engineering and Technology Research. – 2018. – Vol. 1. – P. 25–29. – doi: 10.24018/ejeng.2016.1.1.90.
  25. Virpe K., Deshpande A., Kulkarni A. A review on tribological behavior of polymer composite impregnated with carbon fillers // AIP Conference Proceedings. – 2020. – Vol. 2311 (1). – P. 070030. – doi: 10.1063/5.0035408.
  26. Чинчаникар С. Моделирование характеристик износа при скольжении композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированного углеродным волокном, в паре трения с SS304 (12Х18Н10Т) // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 40–52. – doi: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-40-52.
  27. Pawade R.S., Joshi S.S. Multi-objective optimization of surface roughness and cutting forces in high-speed turning of Inconel 718 using Taguchi grey relational analysis (TGRA) // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2011. – Vol. 56 (1–4). – P. 57–62. – doi: 10.1007/s00170-011-3183-z.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».