Additive Manufacturing in Medical applications Tony Thoma Dean - - PowerPoint PPT Presentation

Additive Manufacturing in Medical applications

Tony Thoma Dean Engineering Technology Mohawk College

Topics ¡

• What ¡is ¡Addi.ve ¡Manufacturing? ¡
• Types ¡of ¡addi.ve ¡Manufacturing ¡
• Uses ¡
• benefits ¡of ¡AD ¡
• Applica.ons ¡in ¡Health ¡Care ¡
• Mohawk ¡College ¡AMRC ¡focus ¡

Tradi.onal ¡Manufacturing ¡Processes ¡ are ¡Subtrac.ve ¡in ¡nature ¡

¡

• material ¡is ¡wasted, ¡Time ¡consuming, ¡Consistency ¡issues, ¡Costs ¡

associated ¡with ¡low ¡volume ¡produc.on ¡ ¡

Addi.ve ¡Manufacturing ¡(AM) ¡ Commonly ¡known ¡as ¡3D ¡prin.ng ¡

• A ¡group ¡of ¡techniques ¡used ¡to ¡create ¡

components ¡directly ¡from ¡computer ¡files ¡ using ¡layering ¡process ¡of ¡material ¡

• Materials ¡include ¡a ¡wide ¡variety ¡of: ¡

– Plas.cs ¡ – Poly ¡based ¡materials ¡ – Ceramics ¡ – Metals ¡ – Bio ¡materials ¡

Common ¡Types ¡of ¡3D ¡prin.ng ¡

Type ¡ Technologies ¡ Materials ¡

Extrusion ¡ Fused ¡deposi7on ¡modeling ¡(FDM) ¡ Thermoplas7cs ¡(e.g. ¡PLA, ¡ABS), ¡HDPE, ¡ eutec7c ¡metals, ¡edible ¡materials ¡ Wire ¡ Electron ¡Beam ¡Freeform ¡Fabrica7on ¡(EBF3) ¡ Almost ¡any ¡metal ¡alloy ¡ Granular ¡ Direct ¡metal ¡laser ¡sintering ¡(DMLS) ¡ Almost ¡any ¡metal ¡alloy ¡ Electron ¡beam ¡mel7ng ¡(EBM) ¡ Titanium ¡alloys ¡ Selec7ve ¡laser ¡mel7ng ¡(SLM) ¡ Titanium ¡alloys, ¡Cobalt ¡Chrome ¡alloys, ¡ Stainless ¡Steels, ¡Aluminium ¡ Selec7ve ¡heat ¡sintering ¡(SHS) ¡ Thermoplas7c ¡powder ¡ Selec7ve ¡laser ¡sintering ¡(SLS) ¡ Thermoplas7cs, ¡metal ¡powders, ¡ceramic ¡ powders ¡ PolyJet ¡ ¡ Inkjet ¡with ¡UV ¡Curing ¡ ¡ Wide ¡variety ¡of ¡Poly, ¡plas7cs ¡flexibly ¡ materials ¡ Laminated ¡ Laminated ¡object ¡manufacturing ¡(LOM) ¡ Paper, ¡metal ¡foil, ¡plas7c ¡film ¡ Light ¡polymerised ¡ Stereo ¡lithography ¡(SLA) ¡ photopolymer ¡ Digital ¡Light ¡Processing ¡(DLP) ¡ photopolymer ¡

Where ¡is ¡Addi.ve ¡Manufacturing ¡used? ¡ ¡

• Prototypes ¡

– Low ¡cost ¡method ¡of ¡verifying ¡designs, ¡dimensions, ¡ fit/form/func.on ¡

• Reverse ¡Engineering ¡

– Taking ¡component ¡where ¡drawings ¡do ¡not ¡exist ¡ and/or ¡unique ¡part ¡to ¡reproduce ¡it ¡

• Produc.on ¡parts ¡

– Iden.fying ¡under ¡what ¡condi.ons ¡AM ¡should ¡be ¡ used ¡for ¡produc.on ¡

Advantages ¡of ¡AM ¡

• Time ¡to ¡market ¡
• Eliminate ¡need ¡for ¡paRerns, ¡tooling, ¡fixtures ¡
• Complexity ¡at ¡no ¡extra ¡cost ¡
• Low ¡volume ¡parts ¡
• Redesign ¡parts ¡to ¡lower ¡weight ¡and ¡remove ¡

unnecessary ¡material ¡ ¡

• Can ¡make ¡parts ¡that ¡could ¡not ¡be ¡made ¡in ¡any ¡
• ther ¡process ¡
• Make ¡assembly ¡as ¡a ¡single ¡part ¡

Aerospace ¡components ¡

Movie ¡Special ¡Effects ¡

FDM ¡prin.ng ¡ ¡

• Thermoplas.c ¡filament ¡enters ¡a ¡heated ¡head ¡and ¡exits, ¡under ¡high ¡

pressure, ¡as ¡a ¡fine ¡thread ¡of ¡semi-­‑molten ¡plas.c. ¡In ¡a ¡heated ¡chamber, ¡ this ¡extrusion ¡process ¡lays ¡down ¡a ¡con.nuous ¡bead ¡of ¡plas.c ¡to ¡form ¡a ¡

• layer. ¡The ¡process ¡repeats ¡to ¡manufacture ¡thermoplas.c ¡parts. ¡
• Real ¡thermal-­‑plas.cs, ¡strong, ¡stable& ¡durable ¡parts, ¡good ¡mechanical ¡

proper.es ¡

ABS ¡materials ¡

• ABS-­‑M30 ¡

¡ ¡

• ABS-­‑M30i ¡

¡ ¡

• ABS-­‑ESD7 ¡

¡ ¡

• PC-­‑ABS ¡ ¡ ¡
• PC ¡(Polycarbonate) ¡ ¡ ¡
• PC-­‑ISO ¡Class ¡6 ¡: ¡Pharmaceu.cal ¡ ¡ ¡
• Ultem ¡9085 ¡

¡ ¡

• Polyphenylsulfone ¡PPSF ¡ ¡ ¡
• Support ¡Material ¡

¡ ¡

PolyJet ¡prin.ng ¡ ¡

• with ¡four ¡or ¡more ¡inkjet ¡heads ¡and ¡ultraviolet ¡(UV) ¡lamps ¡— ¡traverses ¡the ¡

work ¡space, ¡deposi.ng ¡.ny ¡droplets ¡of ¡photopolymers, ¡materials ¡that ¡ solidify ¡when ¡exposed ¡to ¡UV ¡light. ¡Acer ¡prin.ng ¡a ¡thin ¡layer ¡of ¡material, ¡ the ¡process ¡repeats ¡un.l ¡a ¡complete ¡3D ¡object ¡is ¡formed ¡

• Smooth ¡surfaces, ¡fine ¡details, ¡mul.material ¡prin.ng ¡ ¡

Polyjet ¡materials ¡ ¡

• Vero ¡Family ¡– ¡Rigid ¡Opaque ¡

¡ ¡

• FullCure ¡720 ¡-­‑ ¡Rigid ¡Transparent ¡

¡ ¡

• Durus ¡White ¡-­‑ ¡Polypropylene ¡like ¡

¡ ¡

• Tango ¡Family ¡-­‑ ¡Rubber ¡Like ¡

¡ ¡

• RGD5160-­‑DM ¡-­‑ ¡ABS ¡Like ¡ ¡ ¡
• RGD525 ¡– ¡High ¡Temp ¡

¡ ¡

• VeroDent ¡– ¡Dental ¡ ¡ ¡
• MED610 ¡– ¡Rigid ¡Biocompa.ble ¡

¡ ¡

Plas7c ¡and ¡Polyjet ¡Machines ¡

Laser ¡and ¡Electron ¡Beam ¡technologies ¡

• Powder ¡based ¡or ¡Spray ¡systems ¡ ¡
• Material ¡is ¡typically ¡20 ¡microns ¡in ¡size ¡
• Used ¡for ¡fine ¡detail ¡where ¡dimensions ¡

are ¡cri.cal ¡

• Wide ¡variety ¡of ¡Plas.c ¡and ¡Metal ¡op.ons ¡
• Considered ¡Industrial ¡machines ¡ ¡

Main ¡Equipment ¡

Powder ¡materials ¡ ¡

• Plas7cs ¡

– Polyamides ¡( ¡alone ¡or ¡with ¡glass ¡bead ¡or ¡aluminum) ¡ – Polyamide ¡with ¡carbon ¡fibre ¡ – Polyamide ¡flame ¡retardant ¡ – Polystyrene ¡ – Polyether-­‑ether-­‑ketone ¡(Peek) ¡ ¡

• Metals ¡

– Maraging ¡steel ¡ – Stainless ¡steels ¡ – Nickel ¡based ¡alloys ¡ – Cobalt ¡Chrome ¡ – Titanium ¡64 ¡ – Aluminum ¡ – Precious ¡metals ¡ ¡

AM ¡Applica.ons ¡in ¡Health ¡Care ¡

• Pre-­‑opera.ve ¡Planning, ¡Simula.on ¡
• Clinical ¡Trials ¡
• R&D ¡
• Robo.cs ¡and ¡Automa.on ¡
• Educa.on ¡
• Marke.ng ¡
• Fossil, ¡Ar.facts ¡
• Forensics ¡
• ¡implants ¡

Dental ¡Applica7ons ¡

Medical ¡Applica.ons ¡

Case ¡study ¡of ¡custom ¡made ¡Implant ¡

CT ¡scan ¡of ¡Pelvis ¡ 3D ¡CAD ¡Bone ¡model ¡ Implant ¡design ¡

¡ Source: ¡instrumentaria ¡ ¡and ¡ EOS ¡

Laser ¡prin.ng ¡ Final ¡machining ¡& ¡ verifica.on ¡ Finished ¡print ¡

¡ Pre-­‑OP ¡3D ¡model ¡

• f ¡complete ¡

implant ¡ ¡

¡ Post-­‑OP ¡X-­‑ray ¡of ¡ pa.ent ¡ ¡

Orthopaedic ¡-­‑ ¡Anatomical ¡Models ¡

A: ¡Segmenta.on ¡of ¡bones ¡and ¡skin ¡form ¡CT ¡ images ¡-­‑ ¡B: ¡Create ¡a ¡3D ¡model ¡and ¡process ¡it ¡in ¡ 3-­‑ma.c ¡-­‑ ¡C: ¡3D ¡print ¡it! ¡

Original ¡vase ¡ Set ¡up ¡in ¡CT ¡Scan ¡ CT ¡Scan ¡ Conversion ¡of ¡ CT ¡Data ¡to ¡ CAD ¡Data ¡ 3D ¡print ¡ replica ¡

hRp://www.clickondetroit.com/lifestyl ¡e/ health/Michigan-­‑doctors-­‑use-­‑3-­‑D-­‑printer-­‑ to-­‑save-­‑baby/20270392 ¡ ¡ hRp://www.youtube.com/watch?v=xi ¡ THKH2bQN8 ¡ ¡ Case ¡study: ¡Bioresorbable ¡splint ¡by ¡ University ¡of ¡Michigan ¡ ¡

Custom-­‑Designed, ¡3D ¡Printed ¡Splint ¡saves ¡Life ¡of ¡Babies ¡ ¡

Source: ¡University ¡of ¡Michigan ¡ ¡

Robo7c ¡Surgery ¡concept ¡to ¡prototype ¡to ¡produc7on ¡

Mohawk ¡Addi.ve ¡Manufacturing ¡ Resource ¡Centre ¡(AMRC) ¡focus ¡

• Applied ¡Research ¡Center ¡ ¡

– Invite ¡industry ¡in ¡to ¡explore ¡the ¡world ¡of ¡Addi.ve ¡ Manufacturing ¡ – Learn ¡from ¡each ¡other ¡ – Develop ¡design ¡concepts ¡and ¡best ¡prac.ces ¡for ¡the ¡technology ¡ – Bring ¡the ¡learnings ¡back ¡to ¡the ¡classroom ¡ ¡

• Powdered ¡Metals ¡raw ¡material ¡

– Technology ¡Selected ¡

• Direct ¡Metal ¡Laser ¡Sintering ¡(DMLS) ¡

– Complementary ¡plas.c ¡capability ¡ ¡

• Selec.ve ¡laser ¡sintering ¡(SLS) ¡

– FDM ¡plas.c ¡machines ¡as ¡well ¡

Center ¡Services ¡ ¡offerings ¡to ¡Partners ¡and ¡SMEs ¡

• Proof ¡of ¡Concept ¡

– For ¡exis.ng ¡designs ¡evaluate ¡cost ¡drivers, ¡physical ¡proper.es, ¡quality ¡ valida.on ¡ – Three ¡Areas ¡

• Rapid ¡Prototyping ¡
• Reverse ¡Engineering ¡
• “eManufacturing” ¡ ¡
• New ¡Designs ¡

– Eliminate ¡“design ¡for ¡manufacturability” ¡constraints ¡– ¡let ¡designers ¡go ¡wild ¡ – Make ¡exis.ng ¡designs ¡more ¡efficient ¡and ¡compe..ve ¡ – New ¡products ¡that ¡could ¡not ¡be ¡produced ¡in ¡tradi.onal ¡processes ¡

• Due ¡to ¡exis.ng ¡manufacturing ¡process ¡constraints ¡ ¡
• Training ¡

– Of ¡employees ¡ – Of ¡our ¡students ¡

• New ¡powder ¡formula7ons ¡

– Ini.al ¡Materials: ¡Aluminum, ¡Titanium, ¡Inconel, ¡Stainless ¡Steel ¡

Thank ¡You ¡ Q&A ¡ tony.thoma@mohawkcollege.ca ¡