Fabrication additive de structures architecturées en alliages de titane conventionnel et superélastique pour cages intervertébrales

Timercan, Anatolie (2024). Fabrication additive de structures architecturées en alliages de titane conventionnel et superélastique pour cages intervertébrales. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’Organisation Mondiale de la Santé rapporte que les douleurs de dos, plus particulièrement du bas du dos, sont la principale cause d’invalidité au monde, affectant plus de 600 millions de personnes en 2020. La majorité des cas sont traités par physiothérapie et médication antiinflammatoire, toutefois, certains patients peuvent avoir recours à l’intervention chirurgicale de fusion vertébrale. Les cages intervertébrales présentement utilisées pour ces chirurgies comportent des risques de complications majeures comme la perte de fixation, la migration et la défaillance de l’implant. La fabrication additive (FA), aussi appelée impression 3D, est une des technologies émergentes de production de composantes complexes. Dans le cadre de ce projet, la technique de fusion laser sur lit de poudre est employée pour fabriquer des structures architecturées à partir d’un alliage à mémoire de forme (AMF), le Ti-Ni, qui est une solution envisagée pour produire des cages légères et résistantes, possédant des propriétés fonctionnelles de superélasticité ainsi que la capacité d’ostéo-intégration qui ont le potentiel de réduire les complications.

En un premier lieu, un cahier de charges a été établi pour identifier les requis fonctionnels des cages intervertébrales et sélectionner de candidats de structures architecturées. Des structures en diamant à base de poutres et des structures gyroides surfaciques, avec une taille de pore de 750 μm et des niveaux de porosité de 60, 70 et 80%, ont été conçues et fabriquées à partir de l'alliage Ti-6Al-4V. Les structures produites ont été caractérisées en termes de géométrie, de propriétés mécaniques et de perméabilité fluidique. La rigidité des deux structures (1.9-4.8 GPa) est comparable à celle de l'os, tandis que leur résistance mécanique en compression (52-160 MPa) est supérieure à celle des vertèbres (3-6 MPa), réduisant ainsi les risques de détérioration osseuse ou défaillance de l'implant. La perméabilité aux fluides (5-57 x 10-9 m2) et les rapports surface/volume (~3) des deux structures sont proches de ceux des vertèbres.

En second lieu, le comportement des structures cellulaires sous différents modes de chargement a été analysé. Les mêmes structures, mais avec des porosités de 50 à 80% ont été testées expérimentalement et simulées numériquement en traction/compression axiale et en torsion pour répliquer la flexion/extension, la compression et la rotation de la colonne vertébrale. Les simulations numériques surestiment le comportement expérimental d'environ 25%, probablement en raison de la présence de défauts de fabrication, notamment dans les structures plus poreuses. Les résultats expérimentaux et numériques ont démontré que les structures ont des propriétés mécaniques quasi-identiques en compression et en tension, mais plus élevées en torsion que prévu par les théories de limitation conventionnelles. Néanmoins, les propriétés sont adéquates pour satisfaire les exigences des cages intervertébrales.

Enfin, il fut possible de procéder à la FA de structures architecturées en AMF de Ti- 50.26%atNi en utilisant tout d’abord un modèle numérique pour tester et étudier divers ensembles de paramètres d'impression. Une densité d’énergie volumétrique de 90 J/mm3 et un taux de fabrication de 10 cm3/h ont permis la production d’échantillons avec une densité de 99.94% et une température finale de transformation en austénite Af = 26.3°C. Des structures en diamant et gyroides avec un taux de porosité de 60% ont été fabriquées et testées en compression. Suite à un traitement thermique à 500°C pendant 30 minutes, les structures en diamant ont manifesté des déformations apparentes réversibles plus importantes que leurs équivalents gyroides (7% contre 6%) ainsi qu’une souplesse plus importante (E 2.9 contre 3.5 GPa), et des contraintes élastiques similaires (Sy ~48 MPa). Ceci indique que les structures en diamant sont un meilleur candidat pour une utilisation dans les cages intervertébrales. L’analyse par éléments finis a permis de comparer l’état de contraintes dans les deux structures et d’identifier les zones de concentration des contraintes. Comparées à l’alliage Ti-6Al-4V, les structures en Ti-Ni sont plus souples pour une porosité plus faible et ont des déformations réversibles plus importantes.

Titre traduit

Additive manufacturing of lattice structures using conventional and superelastic titanium alloys for use in intervertebral cages

Résumé traduit

The World Health Organization reports that back pain, especially lower back pain, is the leading cause of disability worldwide, affecting over 600 million people in 2020. While most cases are treated with physiotherapy and anti-inflammatory medication, some patients may opt for spinal fusion surgery. The intervertebral cages currently used in these surgeries pose significant risks of complications, such as loss of fixation, migration, and implant failure. Additive manufacturing (AM), also known as 3D printing, is an emerging technology for producing complex components. In this project, the laser powder bed fusion technique is used to manufacture lattice structures from a Ti-Ni shape memory alloy (SMA), which has the potential for producing lightweight and resistant cages with functional properties of superelasticity and osseointegration, possibly reducing complications.

First, the functional requirements of intervertebral cages were established and lattice structures candidates were selected. Strut-based diamond and sheet-based gyroid structures, with a pore size of 750 μm and porosity levels of 60%, 70%, and 80%, were designed and manufactured from Ti-6Al-4V alloy. The structures were characterized in terms of geometry, mechanical properties, and fluid permeability. The compressive stiffness of both structures (1.9-4.8 GPa) was comparable to that of bone, while their mechanical resistance (52- 160 MPa) was greater than that of vertebrae (3-6 MPa), thus reducing the risks of bone deterioration and implant failure. Fluid permeability (5-57 x 10-9 m2) and surface-to-volume ratios (~3) of both structures were close to those of vertebrae.

Secondly, a better understanding of the behavior of lattice structures under different loading modes was gained. The same two structures, but with porosities ranging from 50% to 80%, were tested experimentally and simulated numerically in axial tension/compression and in torsion to simulate flexion/extension, compression, and rotation of the spine. Numerical simulations overestimated the experimental behavior by about 25%, likely due to manufacturing defects, especially in most porous structures. Experimental and numerical results demonstrated that the structures had quasi-identical mechanical properties in compression and tension, but higher torsional properties than predicted by conventional limitation theories. Nevertheless, the lattice structures proved adequate and met the requirements of intervertebral cages.

Finally, lattice structures could be produced using AM of Ti-50.26%atNi SMA by using a numerical model to test and study various printing parameter sets. A volumetric energy density of 90 J/mm3 and a build rate of 10 cm3/h allowed the production of specimens with a density of 99.94% and an austenite finish temperature of Af = 26.3°C. Diamond and gyroid structures with a 60% porosity level were manufactured and compression tested. After heat treatment at 500°C for 30 minutes, diamond structures showed larger reversible deformations (7% vs 6%) and higher compliance (E 2.9 vs 3.4 GPa) and similar yield stresses (Sy ~48 MPa) compared to their gyroid equivalents. This indicates that diamond lattices are more suited for use in intervertebral cages. Finite element analysis allowed a comparison of stress distribution in both structures and the identification of stress concentration areas. Compared to the Ti-6Al-4V alloy, Ti-Ni structures were more compliant at lower porosity levels and exhibited larger reversible deformations.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 143-160).
Mots-clés libres:	fabrication additive, structures architecturées, modélisation par éléments finis, alliages à mémoire de forme
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Brailovski, Vladimir
Codirecteur:	Codirecteur Terriault, Patrick
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	19 juin 2024 15:07
Dernière modification:	19 juin 2024 15:07
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3465

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