Processing of highly porous titanium parts by metal injection moulding in combination with innovative plasma treatment

A combinação da Moldagem por Injeção de pós Metálicos (Metal Injection Moulding MIM) e o Método do Retentor Espacial (Space Holder Method - SHM) é uma técnica promissora para fabricação de peças porosas de titânio com porosidade bem definida como implantes biomédicos, uma vez que permite um alto grau de automatização e redução dos custos de produção em larga escala quando comparado a técnica tradicional (SHM e usinagem a verde). Contudo a aplicação desta técnica é limitada pelo fato que há o fechamento parcial da porosidade na superfície das amostras, levando ao deterioramento da fixação do implante ao osso. E além disso, até o presente momento não foi possível atingir condições de processamento estáveis quando a quantidade de retentor espacial excede 50 vol. %. Entretanto, a literatura descreve que a melhor faixa de porosidade para implantes de titânio para coluna vertebral está entre 60 - 65 vol. %. Portanto, no presente estudo, duas abordagens foram conduzidas visando a produção de amostras altamente porosas através da combinação de MIM e SHM com o valor constante de retentor espacial de 70 vol. % e uma porosidade aberta na superfície. Na primeira abordagem, a quantidade ótima de retentor espacial foi investigada, para tal foram melhorados a homogeneização do feedstock e os parâmetros de processo com o propósito de permitir a injeção do feedstock. Na segunda abordagem, tratamento por plasma foi aplicado nas amostras antes da etapa final de sinterização. Ambas rotas resultaram na melhoria da estabilidade dimensional das amostras durante a extração térmica do ligante e sinterização, permitindo a sinterização de amostras de titânio altamente porosas sem deformação da estrutura.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq

No presente estudo, amostras de titânio altamente porosas foram produzidas através de Moldagem por Injeção de pós Metálicos (Metal Injection Moulding - MIM) com adição de agente espaçante (space holder). MIM permite a produção de amostras com geometrias complexas, alto grau de automatização e custos reduzidos em larga escala de produção. A adição de partículas de agente espaçante à MIM possibilita a produção de amostras com porosidade funcional, fazendo com que esse método seja especialmente atrativo para a produção de implantes biomédicos. Entretanto, a aplicação desta técnica tem sido limitada pelo fato de que a porosidade na superfície das amostras é parcialmente fechada e as condições de processamento não são estáveis quando a quantidade de agente espaçante excede 55 Vol.%. Deformação e até o colapso das amostras foram observados quando amostras contentando mais 55 Vol.% de retentor espacial foram sinterizadas. Contudo, para implantes de titânio, produzidos pelo método do agente espaçante, uma porosidade final no intervalo de 60-65 Vol.% e uma porosidade aberta na superfície são necessárias para atingir uma porosidade interligada que permita o crescimento ósseo. Portanto, neste estudo, três abordagens foram conduzidas visando a produção de amostras de titânio altamente porosas com uma porosidade aberta na superfície através da MIM com adição de KCl como agente espaçante. Primeiro, a quantidade de sólidos (agente espaçante e titânio) no material de trabalho foi otimizada. A quantidade de sólidos foi aumentada até 80 Vol.%. Evitar o bloqueio da injetora durante a injeção do material de trabalho foi o principal desafio, consequentemente um grande esforço foi empregado para melhorar a homogeneização do material de trabalho e a otimização dos parâmetros de processo e, assim, permitir a injeção dos materiais de trabalho com até 80 Vol.% de sólidos. O aumento na quantidade de sólidos melhorou a estabilidade geométrica das amostras injetadas durante a extração térmica do ligante e a sinterização, permitindo a sinterização de amostras contendo 70 Vol.% de agente espaçante sem deformação. Depois, remoção agente espaçante foi realizada através de sublimação do KCl durante a sinterização a vácuo, o que permitiu omitir a etapa mais lenta do processo: a dessalinização em solvente, e aumentar ainda mais a estabilidade geométrica das amostras. E por último, tratamento por plasma foi introduzido nas amostras antes da etapa final de sinterização. Primeiramente, o tratamento por plasma foi aplicado às amostras porosas obtidas por compactação a quente do material de trabalho com 70 Vol.% de agente espaçante. Os resultados obtidos para amostras compactadas foram transferidos para produção e tratamento por plasma das Abstract ________________________________________________________________________________ amostras injetadas. Uma investigação detalhada foi conduzida com o objetivo de determinar o mecanismo de modificação por plasma das amostras injetadas com agente espaçante. Além disso, ligas de aço bem conhecidas foram tratadas por plasma a fim de avaliar a temperatura durante o tratamento das amostras injetadas. As amostras porosas de titânio foram analisadas com relação ao efeito do tratamento por plasma e da composição do material de trabalho na contaminação por elementos intersticiais, precisão geométrica após cada etapa do processamento, microestrutura, porosidade no volume e na superfície da amostra. O tratamento por plasma aumentou a quantidade de poros abertos na superfície e melhorou a precisão geométrica das amostras. Logo, tratamento por plasma de amostras produzidas por MIM com adição de agente espaçante tem potencial para ser aplicado como processo padrão de produção de amostras altamente porosas. Resumindo, todas as rotas estudadas são promissoras para a produção de implantes de titânio porosos através da MIM, uma vez que permitem a sinterização de titânio altamente poroso com boa precisão geométrica, porosidade aberta na superfície e porosidade final no intervalo adequado para o crescimento ósseo (cerca de 65 Vol.%).