Feasibility of producing Ti6Al4V biomedical parts through sheet forming processes at elevated temperature

Over the last years, the aging population and people more active in sports have been correlated to an increasing demand of prostheses and biomedical implants, most of which are made of Ti6Al4V alloy, since it assures elevated corrosion resistance, good mechanical properties and biocompatibility. In the hip replacement, the acetabulum in the pelvis is replaced by a Ti6Al4V acetabular cup, which is currently manufactured through Additive Manufacturing (AM) technologies and machining operations. Nevertheless, this process presents some critical drawbacks in the production of acetabular cups characterized by a high surface-to-thickness ratio, such as the elevated distortions in AM and the significant waste of material in machining operations to reach the final shape. Therefore, the alternative idea suggested and investigated in this PhD project is the application of sheet forming processes to be carried out at elevated temperature to increase the limited formability that Ti6Al4V shows at room temperature. Aiming at identifying the proper working conditions, the research work focused on three main topics, namely (i) the investigation of the material behaviour and biomedical properties to address the forming issue and assure a good osseointegration process at the implant-bone interface, respectively; (ii) the modelling of material rheology and ductility; (iii) the manufacturing of a prototype. Following this approach, because a review of literature showed that Ti6Al4V has been mostly investigated at low strain rates typical of the superplastic regime, the material behaviour was first explored in a wide range of temperatures and moderate strain rates, pointing out the relations between the mechanical and microstructural properties. Based on these results, the process conditions necessary to address the forming issue were identified, since higher temperatures higher ductility. However, the preservation of the material bioactivity, which was enhanced through the application of different surface treatments, was found to limit the forming temperature to a maximum value. The research work on the material modelling raised from the increasing interest of the industrial and scientific communities on the use of Finite-Element (FE) models to numerically assess the manufacturing process. In this context, the Ti6Al4V flow stress behaviour was modelled applying the well-known Johnson-Cook and Arrhenius-type constitutive models, while great efforts were addressed to propose a new model able to describe the ductility of Ti6Al4V sheet in a wide range of temperatures and stress states. With this aim, the original Johnson-Cook fracture strain criterion was modified to incorporate a quadratic function of the stress triaxiality and Lode parameter, whose coupled effect was recently recognized to have a significant role in predicting the fracture occurrence also in more complex stress states. On the other hand, a quadratic function of the temperature was introduced to represent the transformation related ductility inherent in the two phase (α/β phases) titanium alloy Ti6Al4V at elevated temperatures. Finally, Incremental Sheet Forming (ISF) process was chosen to manufacture the biomedical part because, according to literature, ISF technique is suitable for small volume batches and high customized sheet metal parts, as the case of biomedical implants. Different variants of ISF process were electrically-assisted to manufacture difficult-to-form Ti6Al4V sheets, and their results were evaluated in terms of final shape and surface characteristics, the latter playing a key role in the biological phenomena at the basis of the osseointegration process. In addition, within the same manufacturing topic, a variant of ISF process was selected to investigate the fracture phenomenon and provide a deeper understanding of the relations between the process mechanics and the fracture occurrence.

Durante gli ultimi anni, l’invecchiamento della popolazione e il crescente interesse per le attività sportive sono stati accompagnati da un aumento della richiesta di protesi e componenti biomedicali, la maggior parte dei quali viene prodotta in lega di titanio Ti6Al4V, vista la sua elevata resistenza alla corrosione, le buone proprietà meccaniche e la sua biocompatibilità. Nella protesi d’anca, l’acetabolo è sostituito da una coppa acetabolare in Ti6Al4V, che è attualmente prodotta per Additive Manufacturing e operazioni di tornitura. D’altra parte, nella produzione di coppe acetabolari caratterizzate da un elevato rapporto tra superficie e spessore, questo processo presenta degli svantaggi, come le elevate distorsioni nelle operazioni di Additive Manufacturing e il significativo spreco di materiale nella tornitura per raggiungere la geometria desiderata. Pertanto, l'idea alternativa suggerita e valutata in questo progetto di dottorato è l'applicazione di processi di formatura delle lamiere, che devono però essere condotti ad alta temperatura per aumentare la formabilità limitata del Ti6Al4V a temperatura ambiente. Allo scopo di individuare le migliori condizioni di processo, il lavoro di ricerca si è concentrato su tre temi principali, (i) l'indagine del comportamento del materiale e delle proprietà biomedicali per assicurare rispettivamente l’ottenimento del componente e il processo di osseo-integrazione all'interfaccia osso-impianto; (ii) la modellazione della reologia e della duttilità del materiale; (iii) la fabbricazione di un prototipo. Seguendo questo approccio, visto che un’analisi della letteratura ha mostrato che il Ti6Al4V è stato principalmente studiato a basse velocità di deformazione, tipiche del regime superplastico, il comportamento del materiale è stato studiato in un ampio range di temperature a velocità di deformazione moderate, evidenziando in particolare le relazioni tra le proprietà meccaniche e quelle microstrutturali. Sulla base di questi risultati, le condizioni di processo necessarie per formare il componente sono state identificate, dal momento che maggiori temperature corrispondono ad una maggiore duttilità del materiale. D’altra parte, la temperatura di formatura deve essere limitata per preservare la bioattività del materiale, che è stata dimostrata essere migliorata attraverso l'applicazione di differenti trattamenti di modifica superficiale. Il lavoro di ricerca relativo alla modellazione del comportamento del materiale in differenti condizioni di processo è legato al crescente interesse delle comunità industriali e scientifiche all’uso di modelli agli elementi finiti per valutare il processo produttivo. In questo contesto, la reologia delle lamiere in Ti6Al4V è stata descritta utilizzando il criterio di Johnson-Cook e un’equazione tipo-Arrhenius, mentre notevoli sforzi sono stati indirizzati alla proposta di un nuovo modello in grado di descrivere la duttilità delle lamiere in Ti6Al4V in diversi stati tensionali e all’interno di un vasto range di temperature. A tal fine, il criterio di frattura di Johnson-Cook è stato modificato incorporando una funzione quadratica della triassialità e del parametro di Lode, il cui effetto congiunto è stato recentemente riconosciuto avere un ruolo significativo nel prevedere la frattura anche in stati di sollecitazione più complessi. D'altra parte, una funzione quadratica della temperatura è stata introdotta nel modello per rappresentare il fatto che la duttilità del materiale è correlata alla trasformazione insita nelle due fasi α e β del Ti6Al4V a temperature elevate. In conclusione, il processo di formatura incrementale (Incremental Sheet Forming process, ISF) è stato individuato per produrre il componente acetabolare visto che, sulla base dell’analisi della letteratura, questo processo è adatto a piccoli lotti di produzione e a componenti altamente personalizzati, come il caso degli impianti biomedicali. Diverse varianti del processo di formatura incrementale sono state elettricamente assistite per incrementare la temperatura di formatura, sfruttando così il relativo incremento della duttilità del Ti6Al4V. I risultati sono stati poi valutati in termini di accuratezza geometrica e caratteristiche superficiali, essendo quest’ultime fondamentali per i fenomeni biologici alla base del processo di osseo-integrazione dell’impianto. Sempre all’interno di questo ambito, il fenomeno di frattura in una particolare variante di processo è stato poi analizzato per individuare le relazioni tra lo stato tensionale che si verifica durante il processo e il fenomeno stesso della rottura.