Seçici lazer ergitme yöntemi ile üretilmiş ticari saflıktaki titanyum implantların yüzey pürüzlülüklerinin mekanik davranışa etkisi

Bu proje, seçici lazer ergitme yöntemiyle üretilmiş ticari saflıktaki titanyum implantların yüzey pürüzlülüklerinin mekanik davranışa etkisinin incelenmesini kapsamaktadır. Seçici lazer ergitme (SLM) son yıllarda kullanımı yaygınlaşan bir eklemeli üretim yöntemidir. Çağın getirdiği insan hayatını etkileyen yeni ihtiyaçlar ve gelişen teknoloji eklemeli üretimin keşfine ve yaygınlaşmasına sebep olmuştur. Eklemeli üretim yöntemi metaller, seramikler, polimerler gibi birçok malzeme icin uygun olmakla birlikte, otomotiv, ucak-uzay, enerji ve saglik sektorlerinde kullanılabilmektedir. Seçici lazer ergitme, bilgisayar destekli tasarımla (3 boyutlu modelleme) hazırlanmış karmaşık şekilli parçaların, toz hammaddenin lazerle katman katman ergitilip birleştirilmesi ile uretilmesi olarak tanımlanır. Geleneksel üretim yöntemlerine göre birçok avantajı vardır. Öncelikle kompleks şekilli tasarımlar başta olmak üzere, parçaların üretim sonrası işlenme ihtiyacını minimuma indirdiği için zaman ve maliyet anlamında tasarruf sağlar. Ayrıca üretilen parçalar yüksek yoğunluklu dolayısıyla yüksek mekanik özelliklidir. Son olarak, özellikle sağlık sektörüne hizmet açısından en önemli avantajı, hastaya özgü detaylı implant tasarımlarının üretimini mümkün kılmasıdır. Özellikle medikal implant üretiminde titanyum ön plana çıkmaktadır. Ticari saflıktaki titanyum (cpTi) ve titanyum aluminyum alaşımları (Ti6Al4V) kemikle uyumlu mukavemetleri, şekillendirilebilirlikleri ve korozyon direnciyle en çok tercih edilen malzemelerdir. Seçici lazer ergitme yönteminin önemli dezavantajlarindan biri ise yüzey kalitesindeki değişkenliktir. Eklemeli üretim yöntemiyle üretilen parçalar, bu üretim şeklinin içsel özelliklerinin (katman katman üretim sonucu merdiven adımı etkisi ve lokal ergitme sonucu oluşan yüzey gerilmeleri sebebiyle topaklanma) etkisiyle düşük yüzey kalitesine sahip olabilir. Üretim parametreleri, kullanılan tozun özellikleri ve son ürün için planlanmış üretim sonrası işlemler (kumlama ve anodizasyon), seçici lazer ergitme ile üretilen ürünlerin yüzey kalitesini etkilemektedir. Belli orandaki yüzey pürüzlülüğünün implantlarda osseointegrasyonu kolaylaştırdığı bilinse de, ön gözlemler sonucu özellikle aynı üretim alanından çıkan bazı parçaların sahip oldugu yüzey pürüzlülüğünün istenenden fazla olduğu farkedilmiştir. Ön testler sonucunda edinilen izlenim ise artan yüzey pürüzlülüğüyle gerilme direncinde düşüş olarak tanımlanmıştır. Bu nedenle, bu tez kapsamında toz özellikleri ve lazer parametreleri sabit tutulup, yalnızca parçaların üretim alanındaki değişen pozisyon ve oryantasyonun yüzey pürüzlülüğüne etkisi ve belirlenen yüzey pürüzlülüğünün parçanın mekanik davranışı üzerindeki etkisi incelenmistir. Bu doğrultuda ilk adım yüzey pürüzlülüğünün tanımlanması olarak belirlenmiştir. Yüzey pürüzlülüğü yüzey dokusunun karmaşık elementlerini ayırt edebilmek için ceşitli parametrelerle tanımlanmıştır (Bu çalışmada Ra, Rz ve Rt kullanılmıştır). Yüzey pürüzlülük parametrelerini ölçmek için kullanılacak en uygun yöntemi seçmek üzere 3 farklı yüzey pürüzlülüğü ölçüm yöntemi karşılaştırılmıştır. 3 yöntem; temassız, temaslı ve nitel metod olarak sırasıyla Konfokal mikroskobu (CM), dokunsal profilometre ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) olarak belirlenmiş, karşılastırma yapılırken, en yaygın yüzey pürüzlülük parametresi Ra kullanılmıştır. Daha sonra, parca yüzey pürüzlülüğünün üretim alanındaki pozisyon ve oryantasyona bağlı olarak gösterdiği değişim incelenmiştir. Bu amaçla lazerin konumu göz önünde bulundurularak, 15 farklı pozisyon ve 6 farklı oryantasyonla numuneler üretilmiştir. 15 pozisyon şu şekilde belirlenmiştir; bir tanesi lazerle aynı lokasyonda olacak şekilde tanımlanırken, diğer 14 pozisyon üretim alanının sağ ve soluna eşit olarak dağıtılmış ve pozisyonlar 1 den 6 ya kadar numaralandırılmış, numaradaki artış lazere olan uzaklığın artışı ile eşleştirilmiştir. 6 oryantasyon ise numunelerin z ekseninde rotasyonu ile ve açılı üretim yapılarak sağlanmıştır. Son olarak mekanik karakterizasyon için, hem çekme hem yorulma deney standartlarına uygun çekme testi numunesi tasarlanmıştır. Üretim sonrası işlemin etkisini görmek icin ayrılmış parçaların dışında her parça işlenmemis haliyle kullanılmıştır. Çekme testi için her gruptan 5 numune 5 MPa ön yükleme ile parça kopana kadar test edilmiş, akma dayanımı ve nihai çekme mukavemeti değerlerinin ortalaması alinarak, o gruba ait ortalama değerler belirlenmiştir. Hesaplanan ortalama akma dayanımı değerleri yorulma testi girdilerinin hesaplanması için kullanılmıştır. Yük kontrollü, gerilmeli yorulma testi 60 Hz frekansla uygulanmış, R degeri 0.1 ve sonsuz ömür 1 milyon çevrim olarak belirlenmistir (implantlar icin standart çevrim sayısı). 5 stres düzeyi belirlenmiş ve düşük çevrim değerleri için 2 şer, uzun çevrim değerleri icin 3 er numune test edilmiştir. Projenin ortaklarından Materialise adlı implant şirketinin implantlara standart olarak uyguladığı son işlemlerin yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkisini görmek için bir grup numune bu işleme tabi tutulmuş, bir grup numuneye ise yalnızca kumlama uygulanmış ve mekanik testler yapılmıştır. Sonuçlara bakıldığında, yüzey pürüzlülüğü ölçme yönteminin belirlermesi kısmında, farklı yöntemlerle ölçülen değerler analiz edildiğinde, test edilen numunelere uygun kesme uzunluğu (yüzey pürüzlülüğü olarak sayılacak düzensizliğin frekansını belirleyen uzunluk) 2.5 µm ve 8 µm olarak belirlenmiştir. Temassız, temaslı ve nitel metodlar erişilebilirlik, ölçüm kapasitesi, tekrarlanabilirlik, doğruluk, maliyet ve zaman verimliliği bakımından değerlendirilmiştir. SEM ile ölçülen değerler küçük ilgi bolgesi (small region of interest) sebebiyle aralık dışı kalırken, CM ve dokunsal profilometre sonuçları birbiriyle uyumlu çıkmıştır. Bu proje kapsaminda incelenen yüzeylerin pürüzlülük menzili ve numune sayısı da göz önünde bulundurularak, en uygun yöntem dokunsal profilometre olarak belirlenmiştir. Ikinci adımda lazer lokasyonu göz önünde bulundurularak, farklı pozisyon ve oryantasyonlarla üretilen numunelerin dokunsal profilometre ile pürüzlülük değerleri ölçülerek üretim alanındaki yüzey pürüzlülüğü menzili minimum 7 µm and maksimum 24µm olarak ölçülmüştür. Özellikle numunelerin lazere dönük olmayan yüzeylerinde, üretim alanının sağına doğru gidildikçe yüzey pürüzlülüğünde artış gözlemlenmiş, maksimum yüzey pürüzlülüğü üretim alanının sağ alt kısmında 24 µm olarak ölçülmüştür. Farklı oryantasyonların etkisi incelendiğinde ise, lazer ışınını dik alan numunelerin lazere dönük yüzeylerinde, yüzey pürüzlülüğünün daha düşük olduğu gözlemlenirken, lazer ışınına paralel olan oryantasyonlarda, ön ve arka yüzeylerin pürüzlülük değerlerindeki farklılığın minimum olduğu gözlemlendi. Bu veriler göz önünde bulundurularak, tezin üçüncü kısmında mekanik davranışın incelenmesi için üretilecek numuneler icin 5 lokasyon (minimum pürüzlülük değerine sahip olan lokasyondan, maksimum değere doğru) ve tek oryantasyon (lazere dönük olan ve olmayan yüzey arasindaki farkin en büyük olduğu oryantasyon) belirlendi. Mekanik testler öncesi numunelerin yüzey pürüzlülüğü, kalınlık ve genişlik ölçümleri yapıldı. Maksimum yüzey pürüzlülüğünün (Ra) 20 µm, minimum yuzey pürüzlülüğünün ise 10 µm oldugu görüldü. Ayrıca, pürüzlülük artışıyla yüzey pürüzlülüğünün (Rz) doğru orantılı olduğu gösterildi. Bu bağlantı doğrultusunda, yüzey pürüzlülüğünün kalınlık üzerindeki etkisini kaldırmaya yönelik bir formül tanımlandı. Numunelerin ön ve arka yüzeylerine ait Rz değerleri toplanıp, kalınlık değerinden çıkarıldığında, yüzey pürüzlülüğünün kalınlık ölçümü ve dolayısıyla kesit alanı hesaplamalarındaki etkisinin kaldırılabileceği önerildi. 5 pozisyon için ölçülen ortalama akma dayanımı değerlerine bakıldığında, minimum pürüzlülük pozisyonunda 493 MPa, maksimum pürüzlülük pozisyonunda ise 448 MPa oldugu görüldü. Fakat önerilen formül ile kesit alanı değeri değiştirilip, stres değerleri tekrar hesaplandığında, hem işlenmemiş hem de üretim sonrası işlem görmüş numunelerde, farklı pozisyonların ortalama akma değerleri arasındaki farkın göz ardı edilebilecek kadar küçük olduğu gösterildi. Çekme testinden elde edilen akma mukavemetinin 80%'i kullanılarak maksimum pürüzlülüğe sahip grupla yorulma deneylerine başlandı. Farklı yüzdeler kullanılarak 5 stres düzeyi belirlendi. Numunelerin pozisyon farkına rağmen yakın akma dayanımına sahip olması göz önünde bulundurularak, ve karşılaştırma yapabilmek için, her gruba aynı stres düzeyleri uygulandı. Önerilen formül kullanılarak hesaplanan "pürüzlülükten arınmış kalınlık" değerleri ve yorulma testi sırasında uygulanan yük kullanılarak stres yeniden hesaplandı. Sonuçlar karşılaştırıldığında, yorulma eğrilerinin çakıştığı görüldü. Maksimum ve minimum yüzey pürüzlülüğüne sahip gruplar arasında kayda değer bir farklılık görülemeyince, ara değer gruplarına yorulma testi uygulanmadı. Yalnızca, üretim sonrası işlem görmüş numunelerde, önerilen formül kullanılıp, stres tekrar hesaplansa da yorulma eğrileri işlenmemiş numunelere gore farklılık göstermeye devam etti. Bunun sebebinin ise üretim sonrası işlemler dolayısıyla yaratılan kalıntı gerilmeler (kumlama işlemiyle) ya da sert oksit tabakası (anodizasyon işlemiyle) olabileceği düşünüldü. Ayrıca maksimum ve minimum pürüzlülük pozisyonlarından alınan numunelerin mikroyapıları incelendi. Her iki grup için de α+β yapısı gözlenmiş, hızlı soğuma sonucu oluşan iğnemsi yapının hakim olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, yüzey pürüzlülüğünün SLM yöntemiyle üretilen cpTi numunelerin mekanik davranışları üzerinde bir etkisi olmadığı gösterilmiştir.