diplomová práce

Pokročilá technologie výroby kloubních implantátů metodou EBM

Autor práce: Bc. Katrin Bučková

Ak. rok: 2020/2021

Vedoucí: prof. Ing. Miroslav Píška, CSc.

Oponent: doc. Ing. Josef Sedlák, Ph.D.

Abstrakt:

Tato práce se zabývá pokročilou technologií výroby personalizovaných kloubních implantátů metodou EBM za použití titanové slitiny Ti6Al4V-ELI a navrhuje nový unikátní design kolenního implantátu společně s metodologií jeho inserce, přičemž tato řešení jsou součástí patentové přihlášky č. PV 2020-459. Toto neinvazivní řešení náhrady kolenního kloubu je šetrnější k pacientovi, maximálně chrání jeho zdravé tkáně a kosti, navíc se dá předpokládat vyšší životnost implantátu ve srovnání s tradičními dostupnými řešeními.
Byla uskutečněna výroba vzorků z materiálu Ti6Al4V-ELI metodou EBM, proveden rozbor jejich materiálových, mechanických, technologických a únavových vlastností. Dále byly popsány pokročilé metody zobrazování, úpravy a tvorby kloubních ploch a použity k vyvinutí nového designu personalizovaného kloubního implantátu společně s inovační technologií jeho inserce a nástroji potřebnými k její úspěšné realizaci. Toto nové řešení bylo úspěšně ověřeno mnoha testy i výrobou Ti6Al4V-ELI a CoCrMo prototypů implantátů metodou EBM. Proveditelnost a použití v praxi bylo konzultováno a schváleno odborníky v této oblasti.

Klíčová slova:

Electron Beam Melting, EBM, technologie tavení elektronovým paprskem, titanová slitina, Ti6Al4V, náhrada kolenního kloubu, kolenní personalizovaný implantát, technologie inserce.

Termín obhajoby

16.9.2020

Práce bude zveřejněna

16.9.2023

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znakmkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

Master student presented the content and results of her diploma thesis to the commission and answered questions of the supervisor, the reviewer and other members of the commission. The following supplementary questions were answered during the defense: 1. In you presentation was not paid attention much to the machining processes, can you tell us something about specific cutting forces of the different machining processes? - answered 2. How many teeth are engaded in the cut? - answered 3. Are you giving mean value of the specific cutting enegry or you are calculation in every position on the blade? - answered 4. Was the residual stress measured? -answered

Jazyk práce

angličtina

Fakulta

Ústav

Studijní program

Industrial Engineering (M2E-A)

Studijní obor

Industrial Engineering (M-IND)

Složení komise

prof. Ing. Miroslav Píška, CSc. (předseda)
prof. Ing. Gerard Poulachon, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Guillaume Fromentin, Ph.D. (člen)
Assoc. prof. Ing. Fabien Viprey, Ph.D. (člen)
David Prat, MSc., Ph.D. (člen)
doc. Ing. Josef Chladil, CSc. (člen)
Ing. Petra Sliwková, Ph.D. (člen)

This work was focused new technology of knee joint operation – a development of a new design, a new way of insertion and use of advanced production technologies. The solution described in this work proposes a personalised knee implant design (based on patient’s CT model of the bone), use of additive manufacturing technology - Electron Beam Melting (EBM) of Ti-Al-4V- ELI alloy, and new methodology of insertion of the implant. Furthermore, the diploma thesis analyses technological, mechanical and fatigue properties of the material. This diploma is really unique, because the output is patent pending. Unfortunately, that fact affected a little bit some information and sensitive data that can´t be published in full extent. Anyway, the collaboration with the student was extraordinarily excellent, the student is co-author of several published papers at scientific conferences and held even opening plenary lecture in the international scientific conference devoted to biomechanics and modern technologies in Roma, 2018. I fully recommend her work to the diploma defence.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Známka navržená vedoucím: A

The assessed diploma thesis is processed in accordance with the assignment at an excellent level. This is a work dealing with the production of individual orthopedic implants using modern additive technology Rapid Prototyping. The theoretical part of the work is focused on the characteristics of the additive technology Rapid Prototyping (Electron Beam Melting method), material analysis of the used additive powder material and anatomy of the knee joint.
The practical part of the work deals with the implementation of a number of technological tests on test specimens made of biocompatible titanium alloy Ti6Al4V-ELI (material analysis) by the additive method Electron Beam Melting in order to determine their mechanical and fatigue properties. Part of the practical part of the work is the evaluation of the quality of produced samples using various measuring devices (e.g. Alicona Infinite Forces G4), which is associated with the analysis and overall recommendation of the optimal setting of printing parameters for the applied 3D device. In this part of the work the machinability of the tested alloy using various machining technologies (grinding, turning, milling, tumbling) using Kistler apparatus for evaluating the force load is solved.
The main part of the work deals with the procedure (data acquisition and processing, computer modeling, control of output data) and the design of a new prototype of a femoral implant using the additive method Electron Beam Melting. The last part of the work deals with the surface treatment of functional surfaces of implants using the technology of grinding and tumbling. In this part of the work the innovation of the tibial part of the personalized implant, including the solution of articulating surfaces is also proposed. The work is completed by an overall evaluation of the production of new prototype implants from various additive materials together with the additive technology used in their production.
It is obvious that the student paid considerable attention to the elaboration of the diploma thesis. In terms of graphics, the work is also processed at an excellent level. The student drew on the materials needed for her work from literary, professional and electronic sources (a total of 69 literary sources), on which she also relies. The student proceeded correctly in solving the diploma thesis. The presented results are convincing and are clearly arranged using pictures, tables and graphical dependencies. The work is clear and understandable. It follows from the above facts that the student has fulfilled the assignment in full.
I recommend diploma thesis to defend.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A

Známka navržená oponentem: A

Důvod odložení zveřejnění

Zveřejnění této práce je odloženo na dobu 3 let v souladu s ustanovením § 47b zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů (zákon o vysokých školách), ve znění pozdějších předpisů.

Zveřejnění diplomové práce je v souladu s ustanovením § 47b odst. 4 zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách, odloženo. Důvodem odložení zveřejnění je skutečnost, že diplomová/práce obsahuje informace chráněné zvláštními právními předpisy, PV 2020-459.