Cercetătorii dezvoltă primul implant de genunchi total imprimat 3D cu laser

Un grup de cercetători în domeniul materialelor avansate de la Naton Biotechnology a publicat recent un studiu menit să explice modul în care tratamentul termic de tip solubilizare și recoacere la temperatură joasă poate reduce comportamentul anisotrop al aliajelor CoCrMo obținute prin metoda Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Rezultatele au o importanță deosebită în special pentru aplicațiile biomedicale, deoarece CoCrMo este frecvent utilizat în fabricarea implanturilor medicale (proteze de șold, genunchi etc.).
Aliajele de cobalt-crom-molibden (CoCrMo) sunt recunoscute pentru:

• Proprietăți mecanice de excepție (rezistență mare la eforturi de oboseală și coroziune).  
• Aplicabilitate biomedicală ridicată, fiind folosite la proteze dentare, ortopedice și alte dispozitive care necesită stabilitate structurală pe termen lung.

Metoda LPBF (un tip de imprimare 3D cu laser) permite obținerea de forme complexe și personalizate, extrem de utile în domeniul medical. Cu toate acestea, procesul de solidificare strat-cu-strat, asociat cu rate mari de răcire (~10^5-10^6 K/s), duce frecvent la anisotropie structurală și mecanică. Mai concret, se pot forma:

• Fibre colonare orientate preponderent pe direcția de creștere.  
• Zone de tensiuni reziduale și microstructuri neuniforme, ducând la rezistență și ductilitate diferite pe direcții perpendiculare sau paralele cu axa de construcție.

Numeroase studii au urmărit fie optimizarea parametrilor de imprimare, fie aplicarea unor tratamente termice pentru a reduce această anisotropie. Totuși, tratamentul termic de solubilizare la temperaturi înalte elimină substructurile și tensiunile, dar, uneori, scade semnificativ și rezistența materialului. În acest context, autorii studiului de față au investigat mecanismele prin care un tratament termic în doi pași (solubilizare urmată de o recoacere la temperatură joasă) poate menține un echilibru între anularea anisotropiei, păstrarea (sau chiar creșterea) rezistenței și îmbunătățirea ductilității.

Despre studiu

Cercetătorii au folosit o pulbere sferică de CoCrMo (diametru 15-53 μm) pentru realizarea unor epruvete prin LPBF (laser 180 W, viteză de scanare 800 mm/s, grosime strat 30 μm și strategie de scanare cu rotație 67°). S-au confecționat:

• Cuburi (10×10×10 mm) pentru analiza microstructurală (orientate astfel încât XOY să fie planul orizontal, YOZ cel vertical).
• Mostre pentru tracțiune (slat-shaped), testate fie cu direcția de solicitare perpendiculară (TDX), fie paralelă (TDZ) față de direcția de creștere (building direction).

Au fost aplicate trei condiții distincte:  

• As-Printed (AP): fără tratament ulterior, conținând grăunți coloanari și tensiuni ridicate.  
• Solution Heat-Treated (SHT): eșantioanele încălzite la 1150 °C (1 oră), apoi răcite rapid în apă.  
• Solution + Annealing Heat-Treated (SAHT): tratamentul de solubilizare de mai sus, urmat de recoacere la 450 °C (0,5 ore), apoi răcire în apă.

Analizele au inclus:

• Microscopia optică (OM) și electronică (SEM) pentru evidențierea structurii de topitură, a grăunților recristalizați și a precipitațiilor.  
• Difracția de raze X (XRD) și Difracția de electroni cu retrodifracție (EBSD) pentru determinarea fazelor (FCC și HCP), a orientărilor cristalografice, a texturii și a distribuției tensiunilor reziduale.  
• Microscopie electronică de transmisie (TEM) pentru a investiga inclusiv substructurile fine (lamele de martensită, defecte, stacking faults etc.).  
• Teste de tracțiune la temperatura camerei, repetate de trei ori pentru fiecare variantă (AP, SHT, SAHT), cu o viteză de deformare de 0,5 mm/min.

Rezultate

Anisotropia epruvetelor As-Printed  

• Planul YOZ (vertical) arată grăunți coloanari foarte mari, aliniați cu direcția de creștere, având un ax lung mult mai extins decât grosimea stratului (30 μm).
• Planul XOY (orizontal) prezintă grăunți mai fini, aproape echiaxați, datorită modului în care se suprapun piscinele de topitură la fiecare strat.
• În testele de tracțiune:

• Perpendicular (TDX) - rezistență la curgere (YS) mai mare (~780 MPa), dar alungire redusă (~9,3%).  
• Paralel (TDZ) - alungire semnificativ mai bună (până la 19,1%), dar rezistență puțin mai scăzută (~658 MPa).  
• Diferența de alungire depășește 100%, confirmând anisotropia pronunțată.

Efectul tratamentului de solubilizare (SHT)  

• A determinat recristalizare extinsă: grăunții coloanari sunt înlocuiți de grăunți echiaxați, scade texturarea pe <001> și se reduce drastic densitatea de dislocații (KAM scăzut).  
• Se formează mai multe twin boundaries (limite de maclare), îmbunătățind oarecum ductilitatea și uniformitatea structurii.  
• Proprietăți mecanice după SHT:  

• Diferențele de rezistență (YS, UTS) între TDX și TDZ scad.  
• Elongarea la TDX crește, la TDZ se reduce, conducând la valori mai apropiate între cele două.  

Efectul tratamentului dublu (SAHT)  

• Eșantioanele soluționate, apoi tratate la 450 °C, prezintă:  

• Formarea unor faze martensitice fine, uneori distribuite în apropierea granițelor de maclare.  
• Mai multe twin boundaries, un aport suplimentar la mecanismele de alunecare și blocare a dislocațiilor.  

• Rezultatul este o ușoară creștere a rezistenței față de SHT, în paralel cu o sporire a ductilității (elongare peste 17% la TDX și 20% la TDZ).
• Diferența de proprietăți mecanice între TDX și TDZ se reduce foarte mult, materialul devenind aproape izotrop din punct de vedere tensil.
• 
  

Mecanisme implicate  

• Prin solubilizare (1150 °C), s-au eliminat structurile celulare, tensiunile reziduale și s-a indus recristalizarea ce a dus la grăunți relativ echiaxați.  
• Recoacerea la 450 °C nu a favorizat reintroducerea unor tensiuni mari, dar a indus formarea unor lamelae martensitice fine și a extins maclajul, fapt care a echilibrat rezistența și ductilitatea.  
• Carburile și nitriturile s-au concentrat la noile granițe de recristalizare, contribuind parțial la creșterea rezistenței, dar efectul lor a fost mai modest față de influența totală a grăunților echiaxați și a twin-urilor.

Concluzii practice  

• Aplicarea unui tratament termic în doi pași (solubilizare + recoacere) asupra aliajelor CoCrMo imprimat 3D prin LPBF elimină aproape complet anisotropia, obținându-se caracteristici mecanice aproape egale pe cele două direcții de testare.  
• Punctul forte al acestei metode este conservarea unei ductilități bune și chiar creșterea rezistenței ușoare după recoacere.  
• Pentru domeniul biomedical, aceasta înseamnă posibilitatea de a fabrica implanturi personalizate cu proprietăți uniforme, reducând riscurile de eșec structural în zonele cu tensiuni maxime.

Perspective de viitor  

• Rămâne deschisă explorarea unor tratamente termice alternative, care să mențină rezistența chiar mai ridicată, alături de o coroziune și uzură optimizate.  
• Efectele asupra oboselii (fatigue) sub sarcini ciclice (caz tipic pentru proteze de șold/genunchi) pot fi îmbunătățite prin procedee suplimentare (shot peening ultrasonic, laser shot peening ș.a.).  
• Nivelul de biocompatibilitate și comportament in vivo (fixare în țesut și durabilitate) reprezintă aspectele cheie în integrarea acestor aliaje personalizate în practica medicală curentă.

Concluzie

Studiul demonstrează clar modul în care tratamentul termic reglabil poate elimina sau atenua puternic anisotropia din aliajele CoCrMo realizate prin LPBF. Solubilizarea la temperaturi înalte provoacă recristalizarea și transformarea grăunților coloanari în grăunți echiaxați, iar recoacerea ulterioară la temperatură moderată îmbunătățește relația rezistență-ductilitate prin generarea de maclare și forme lamelare de martensită. Astfel de constatări au implicații semnificative pentru concepția și utilizarea implanturilor personalizate în practica medicală, permițând obținerea unor proprietăți omogene și rezistente la oboseală pe termen lung.