marzo: 2024
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Realizzazione della protesi con processo SPF

Le attività di ricerca che hanno visto direttamente impegnata la UO1 (Politecnico di Bari) sono state mirate alla realizzazione tramite Formatura SuperPlastica (SPF) di un prototipo di protesi craniale in lega di Titanio altamente customizzato; gli step eseguiti per l’ottenimento di tale obiettivo sono schematizzati nella figura seguente.

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Come mostrato in figura sotto, utilizzando il simulatore fisico GLEEBLE 3180 e la macchina di trazione universale INSTRON 4485, la UO1 ha condotto una campagna sperimentale consistita in prove di trazione e test di espansione libera (Blow Forming) in un vasto range di temperature per determinare il comportamento meccanico e deformativo delle leghe oggetto di studio (Ti-Gr5 e Ti-Gr23, aventi spessori rispettivamente di 1.5 ed 1 mm).

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I test di trazione sono stati condotti variando la temperatura tra 200 ed 800 °C ed investigando differenti velocità di deformazione. Al fine di definire le costanti del modello costitutivo in campo superplastico (C ed m), tutte le prove di Blow Forming, sono state invece condotte alla temperatura di 850 °C, sia mantenendo la pressione costante sia variandola alternativamente tra due valori prestabiliti.

I dati sperimentali ottenuti sono stati successivamente utilizzati per la messa a punto di un modello numerico in grado di simulare la prova condotta: in particolare, partendo da un test sperimentale a pressione variabile, l’evoluzione temporale dell’altezza del provino è stata utilizzata come curva di riferimento per la conduzione di una analisi inversa; infine, una procedura di ottimizzazione, basata su algoritmo genetico multi-obiettivo, ha permesso di minimizzare lo scostamento tra la curva numerica e quella sperimentale, consentendo così di individuare i valori delle costanti del modello costitutivo tipo Power law (C ed m) adottato per modellare il materiale. Tale modello è stato quindi impiegato per descrivere il comportamento superplastico delle leghe investigate nelle simulazioni mirate all’identificazione delle condizioni ottimali del processo SPF per la produzione di protesi craniali. La definizione di un modello numerico robusto è stata possibile grazie alla corretta modellazione: (i) dello stampo e della lamiera iniziale; (ii) del materiale; (iii) dei carichi e delle condizioni di vincolo. La simulazione numerica ha permesso di definire la legge di pressione in grado di produrre prototipi di protesi craniali in entrambe le leghe considerate (a 850°C) in condizioni di formatura ottimali (velocità di deformazione non superiore a quella individuate come ottimale nei test di caratterizzazione). Sfruttando le potenzialità di un sistema di acquisizione ottico, la successiva validazione del modello numerico è stata effettuata confrontando sia gli assottigliamenti della lamiera (numerici e sperimentali) a fine processo sia il profilo (numerico e sperimentale) delle protesi.

Le protesi in Ti-Gr5 e Ti-Gr23 prodotte mediante SPF sono caratterizzate da una elevatissima precisione dimensionale e da un’ottima corrispondenza con la geometria dello stampo; queste protesi presentano quindi un elevatissimo fitting tra protesi e superficie cranica, avendo scostamenti massimi dell’ordine del decimo di millimetro (inferiore all’errore caratterizzante i dati provenienti dalla TAC di partenza, effettuata con un passo di 0.6 mm). L’adozione di un profilo di pressione ottimizzato tramite FEM ha permesso di ottenere una elevata uniformità dello spessore (assottigliamento massimo pari al 40%), con tempi di formatura pari a 115 min per il Ti-Gr23 e a 119 min per il Ti-Gr5. Considerando le spese sostenute per l’acquisto del materiale, i post-trattamenti, l’utilizzo e la predisposizione delle attrezzature necessarie, il costo della protesi SPF è quantificabile in circa 1200 €. Al fine di ridurre i costi, la tecnologia SPF è stata implementata con successo anche adoperando stampi in materiale ceramico usa e getta (tipicamente utilizzato in campo dentale); in questo modo è inoltre possibile realizzare protesi con geometria più complessa, anche con sottosquadri.