Medical technologies are gaining in importance because of scientific and technical progress in medicine and the increasing average lifetime of people. This has opened up a huge market for medical devices, where complex-shaped metallic parts made from biocompatible materials are in great demand. Today many of these components are already being manufactured by powder metallurgy technologies. This includes mass production of standard products and also customized components. In this paper some aspects related to metal injection molding of Ti and its alloys as well as modifications of microstructure and surface finish were discussed. The process chain of additive manufacturing (AM) was described and the current state of the art of AM processes like Selective Laser Melting and electron beam melting for medical applications was presented.
Additive manufacturing by electron beam melting is an affordable process for fabricating near net shaped parts of titanium and its alloys. 3D additive-manufactured parts have various kinds of voids, lack of fusion, etc., and they may affect crack initiation and propagation. Post process is necessary to eliminate or minimize these defects. Hot isostatic pressing (HIP) is the main method, which is expensive. The objective of this paper is to achieve an optimum and simple post heat treatment process without the HIP process. Various post heat treatments are conducted for the 3D-printed Ti-6Al-4V specimen below and above the beta transus temperature ($996^{\circ}C$). The as-fabricated EBM Ti-6Al-4V alloy has an ${\alpha}^{\prime}$-martensite structure and transforms into the ${\alpha}+{\beta}$ duplex phase during the post heat treatment. The fatigue strength of the as-fabricated specimen is 400 MPa. The post heat treatment at $1000^{\circ}C/30min/AC$ increases the fatigue strength to 420 MPa. By post heat treatment, the interior pore size and the pore volume fraction are reduced and this can increase the fatigue limit.
Popov Jr, Vladimir V.;Muller-Kamskii, Gary;Kovalevsky, Aleksey;Dzhenzhera, Georgy;Strokin, Evgeny;Kolomiets, Anastasia;Ramon, Jean
Biomedical Engineering Letters
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제8권4호
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pp.337-344
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2018
Additive manufacturing (AM) is an alternative metal fabrication technology. The outstanding advantage of AM (3D-printing, direct manufacturing), is the ability to form shapes that cannot be formed with any other traditional technology. 3D-printing began as a new method of prototyping in plastics. Nowadays, AM in metals allows to realize not only net-shape geometry, but also high fatigue strength and corrosion resistant parts. This success of AM in metals enables new applications of the technology in important fields, such as production of medical implants. The 3D-printing of medical implants is an extremely rapidly developing application. The success of this development lies in the fact that patient-specific implants can promote patient recovery, as often it is the only alternative to amputation. The production of AM implants provides a relatively fast and effective solution for complex surgical cases. However, there are still numerous challenging open issues in medical 3D-printing. The goal of the current research review is to explain the whole technological and design chain of bio-medical bone implant production from the computed tomography that is performed by the surgeon, to conversion to a computer aided drawing file, to production of implants, including the necessary post-processing procedures and certification. The current work presents examples that were produced by joint work of Polygon Medical Engineering, Russia and by TechMed, the AM Center of Israel Institute of Metals. Polygon provided 3D-planning and 3D-modelling specifically for the implants production. TechMed were in charge of the optimization of models and they manufactured the implants by Electron-Beam Melting ($EBM^{(R)}$), using an Arcam $EBM^{(R)}$ A2X machine.
Molybdenum ingot of 50mm in diameter were obtained from sintered Mo bars by EB drip melting technique. Macroscopic observation of EB remelted ingot indicates that coarse and columnar grains grow in the direction parallel to ingot pulling direction. This can be explained by slow solidification (3mm/min), large temperature gradient and heat flow to this direction. The orientation of columnar structure was found to be <110>, <200> and <211> by the analysis of X-ray diffraction patterns. The contents of typical metallic impurities in Mo sintered bar are 1.2ppm Cr, 3ppm Fe, 44ppm Zr, 150ppm W. Most of metallic impurities were reduced below the order of ppm except zirconium and tungsten by the selective evaporation. In the removal of nonmetallic impurities, oxygen and carbon impurities were lowered from 120 to 6ppm and from 157 to 106ppm, respectively, after first melting. Although the purification effect was not significant with the number of remelting, Vickers hardness was reduced from 217 to 195 and 184 in sequence with increasing the number of remelting.
In this paper, ablation rate of $Al_2O_3$ ceramics by femtosecond laser fluence is derived with experimental method. The automatic three axis linear stage makes laser optics to move with high spatial resolution. With 10 times objective lens, minimal pattern width of $Al_2O_3$ is measured in the focal plane. Ablated surface area is shown as linear tendency increasing number of machining times with various laser power conditions. Machining times is most sensitive condition to control $Al_2O_3$ pattern width. Also, the linear increment of pattern width with laser power change is investigated. In high machining speed, the ablation volume rate is more linear with fluence because pulse overlap is minimized in this condition. Thermal effect to surrounding medium can be minimized and clean laser process without melting zone is possible in high machining speed. Ablation volume rate decelerates as increasing machining times and multiple machining times should be considered to achieve proper ablation width and depth.
This present paper investigated the mechanical properties and the microstructures of each penetration shapes classifying the conduction shape area and the keyhole shape area about electron beam welded 120(T)mm thick plated aluminum 5052 112H. As a result the penetration depth is increased linearly according to the output power, but the aspect ratio is decreased after the regular output power. In the conduction shape area, the Heat affected zone is observed relatively wider than the keyhole shape area. In the material front surface of the welded specimen, the width is decreased but the width in the material rear surface is increased. After the measuring the Micro Vikers Hardness, it showed almost similar hardness range in all parts, and after testing the tensile strength, the ultimate tensile strength is similar to the ultimate tensile strength of the base material in all the specimens, also the fracture point was generated in the base materials of all the samples. In the result of the impact test, impact absorbed energy of the Keyhole shape area is turned up very high, and also shown up the effect about four times of fracture toughness comparing the base material. In the last result of observing the fractographs, typical ductile fraction is shown in each weld metal, and in the basic material, the dimple fraction is shown. The weld metals are shown that there are no other developments of any new chemical compound during the fastness melting and solidification.
본 연구에서는 나노구조를 갖는 카본블랙이 충전된 CB/HDPE 복합재료를 용융 혼합법으로 제조한 후 온도변화에 따른 전기적 특성을 고찰하였다. 복합재료의 전기적 재현성 향상과 negative temperature coefficient (NTC) 현상의 제거를 위하여 전자선을 30-150 kGy로 조사하였으며, 조사된 복합재료의 가교함량 분석은 용매 추출법을 이용하였다. 실험결과, CB/HDPE 복합재료의 PTC 세기는 카본블랙의 함량과 입자크기에 크게 영향을 받으며. 가교함량의 급격한 증가에 따른 NTC 현상의 제거는 전자선 흡수선량이 60 kGy일 때였다. 또한 전자선 조사를 통하여 전기적 재현성이 향상되었는데, 이는 복합재료의 가교도 증가에 따른 수지의 용융온도 근처에서의 카본블랙 유동성의 감소 때문이라 사료된다.
Le, X.Y.;Yan, S.;Zhao, W.J.;Han, B.H.;Wang, Y.G.;Xue, J.M.;Zhang, H.T.
Journal of Korean Vacuum Science & Technology
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제6권2호
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pp.92-96
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2002
In this paper, we treated the Ni$_3$Al based alloy samples with intense pulsed ion beams (IPIB) at the beam parameters of 250KV acceleration voltage, 100 - 200 A/cm$^2$ current density and 60 u pulse duration. We simulated the thermal-mechanical process near the surface of Ni$_3$Al based alloy with our STEIPIB codes. The surface morphology and the cross-section microstructures of samples were observed with SEM, the composition of the sample surface layer was determined by X-ray Energy Dispersive Spectrometry (XEDS) and the microstructure on the surface was observed by Transmission Electron Microscope (TEM). The results show that heating rate increases with the current density of IPIB and cooling rate reached highest value less than 150 A/cm$^2$. The irradiation of IPIB induced the segregation of Mo and adequate beam parameter can improve anti-oxidation properly of IC6 alloy. Some craters come from extraneous debris and liquid droplets, and some maybe due to the melting of the intersection region of interphase. Increasing the pulse number enlarges average size of craters and decreases number density of craters.
영남대학병원 치료방사선과에 설치되어 있는 NELAC-1018의 작은 치료 면적에 대한 전자선출력 특성을 측정하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. $6{\times}6cm$ applicator에서는 콜리메타가 $6{\times}6cm$일때 0.60에서 콜리메타 완전 열림일때 1.39을 나타내었으며, $20{\times}20cm$ applicator에서는 콜리메타 $20{\times}20cm$ 에서 0.89를, 콜리메타 완전 열림일때는 1.15을 나타내어 작은 면적에서는 콜리메타의 열림 정도에 따른 출력특성이 크게 변하였다. 2. 작은 면적에 대한 출력특성은 6MeV에서 $10{\times}10cm$을 기준으로 하여 $2{\times}3cm$ 일때 0.618, $6{\times}6cm$일때 0.826을 나타내었으며, 15MeV에서 $2{\times}3cm$일때 0.887, $6{\times}6cm$ 0.982을 나타내어 에너지가 클수록 치료 면적의 크기에 따른 출력변화가 적음을 나타내었다. 위와 같은 측정결과는 작은 치료면적을 갖는 전자선 치료의 임상적이용에 있어서 콜리메타의 열림 정도의 결정과 에너지 선택이 매우 중요함을 시사하고 있다.
전자선 치료시에 납판이나 저융점 합금이 조사면의 형태의 변형을 위하여 사용되고 있다. 콜리메이팅 장치와 마찬가지로 조사면 변형을 위한 물질도 전자선의 출력에 영향을 미친다. 저자들은 폴리스티렌 팬톰에 삽입된 Farmer형 전리함을 이용하여 Clinac-18의 전자선의 변형된 조사면에 대한 출력율을 측정하고 출력율에 영향을 미치는 요인들에 관해 분석했다. 전자선의 출력율은 전자선의 초기 에너지, 콜리메이팅 장치뿐만 아니라 조사면 크기에도 좌우되었다. 변형된 조사면에 대하여 잔자선의 에너지에 관계없이 X-선 콜리메이터와 전자선 어플리케이터의 조합이 고정되면 조사면의 크기 대 출력율은 A/P로 표시된 등가조사면의 크기에 따라 변하지만 조사면의 형태에 대해서는 무시할 수 있었다. 그러나 개조사면에 대한 출력율은 변형조사면의 출력율로부터 예상될 수 없고, 그것들만의 독립적인 관계를 가지고 있었다. 어플리케이터와 콜리메이터의 조합이 고정된 경우에 한해서 판자선의 변형조사면에 대한 출력율은 A/P로서 표시된 등가 조사면 방법에 의하여 구할 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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