Impact of print orientation on wear behavior in FDM printed PLA Biomaterial: Study for hip-joint implant

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction: hip joint replacement surgery involves replacing the damaged joint with an implant that can re-create the joint's articulation functionality. 3D printing technology is more promising than the traditional manufacturing process when it comes to producing more complex parts and shapes. The goal of the current research project is to determine how quickly biomaterial implant can be manufactured using 3D printing for hip-joint replacement by studying the wear rate of parts manufactured using different printing orientations. Although there are several additive manufacturing technologies, fuse deposition modeling (FDM) technology has had a significant impact on healthcare, automotive industry, etc. This is mainly due to the adaptability of different polymer-based composite materials and its cost-effectiveness. Such 3D printed polymers need to be further studied to evaluate the wear rate depending on different 3D printing orientations. Polylactic acid (PLA) biomaterials were extensively studied to determine its suitability for use as hip joint materials. Purpose of the work: in this work, an experimental study was carried out on the effect of printing orientation on dry sliding wear of a polylactic acid (PLA) material obtained by fused deposition modeling (FDM) technology using the pin-on-disk (SS 316) scheme. In addition, experimental and empirical models are developed to predict the performance taking into account the influence of load and sliding speed. Grey relational analysis was used to determine the optimal parameters. The methods of investigation: the FDM printing was used to manufacture pins using different printing orientations. Printing direction refers to printing at angles of 0°, 45°, and 90°, while all other 3D printing parameters remained unchanged. Wear testing was performed using the pin-on-disk kinematic scheme. During the experiments, the normal pin load and disk rotation speed were varied. The experiments were methodically designed to study the effect of input parameters on the specific wear rate. About 13 experiments were conducted for each printing orientation with a friction path of 4 kilometers, in the load range of 400–800 N, at a sliding speed of 450–750 rpm. Result and discussion: the study provides important results especially regarding the direction of 3D printing of components. It was found that the lowest sliding wear was observed for the pin printed at an angle of 0°, while slightly higher wear was observed for the pin printed at an angle of 90°. The layer bonding in the pin printed at an angle of 45° deformed under higher load, mainly due to an increase in temperature. The low bond strength in the pin printed at an angle of 45° resulted in high sliding wear. The optimal result was achieved at a sliding speed of 451 rpm and a load of 600 N. The results of the study are very useful for choosing materials for 3D printing of biomedical implants, medical and industrial products.

About the authors

Y. B. Dama

Email: yogirajdama@dbatu.ac.in
ORCID iD: 0009-0008-5404-4347
Dr. Babasaheb Ambedkar Technological University, Lonere, Raigad, Maharashtra, 402103, India, yogirajdama@dbatu.ac.in

B. F. Jogi

Email: bfjogi@dbatu.ac.in
ORCID iD: 0000-0003-2099-7533
Professor, Dr. Babasaheb Ambedkar Technological University, Lonere, Raigad, Maharashtra, 402103, India, bfjogi@dbatu.ac.in

R. Pawade

Email: rspawade@dbatu.ac.in
ORCID iD: 0000-0001-7239-625X
Associate Professor, Dr. Babasaheb Ambedkar Technological University, Lonere, Raigad, Maharashtra, 402103, India, rspawade@dbatu.ac.in

A. P. Kulkarni

Email: atul.kulkarni@viit.ac.in
ORCID iD: 0000-0002-6452-6349
Doctor of Philosophy, Associate Professor, Vishwakarma Institute of Information Technology, Survey No. 3/4, Kondhwa (Budruk), Maharashtra, Pune - 411048, India, atul.kulkarni@viit.ac.in

References

  1. Ventola C.L. Medical applications for 3D printing: current and projected uses // Pharmacy and Therapeutics Journal: Peer Review. – 2014. – Vol. 39 (10). – P. 704–711.
  2. Gibson I., Rosen D., Stucker B. Direct digital manufacturing // Additive Manufacturing Technologies. – 2nd ed. – New York: Springer, 2015. – P. 375–397. – doi: 10.1007/978-1-4939-2113-3_16.
  3. Patil N.A., Njuguna J., Kandasubramanian B. UHMWPE for biomedical applications: performance and functionalization // European Polymer Journal. – 2020. – Vol. 125. – P. 109529. – doi: 10.1016/j.eurpolymj.2020.109529.
  4. Kurtz S.M. Primer on UHMWPE // UHMWPE biomaterials handbook: ultra-high molecular weight polyethylene in total joint replacement and medical. – 3rd ed. – Amsterdam: Elsevier, 2016. – P. 1–6.
  5. Lewis G. Properties of crosslinked ultra-high-molecular-weight polyethylene // Biomaterials. – 2001. – Vol. 22 (4). – P. 371–401. – doi: 10.1016/S0142-9612(00)00195-2.
  6. Lubrication and wear of ultra-high molecular weight polyethylene in total joint replacements / A. Wang, A. Essner, V. Polineni, C. Stark, J. Dumbleton // Tribology International. – 1998. – Vol. 31. – P. 17–33. – doi: 10.1016/S0301-679X (98)00005-X.
  7. Yousuf J.M., Mohsin A.A. Enhancing wear rate of high-density polyethylene (HDPE) by adding ceramic particles to propose an option for artificial hip joint liner // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 561. – P. 012071. – doi: 10.1088/1757-899X/561/1/012071.
  8. Relationship between polyethylene wear and osteolysis in hips with a second-generation porous-coated cementless cup after seven years of follow-up / K.F. Orishimo, A.M. Claus, C.J. Sychterz, C.A. Engh // The Journal of Bone & Joint Surgery. – 2003. – Vol. 85 (6). – P. 1095–1099. – doi: 10.2106/00004623-200306000-00018.
  9. Mechanical and tribological performance of HDPE matrix reinforced by hybrid Gr/TiO2 NPs for hip joint replacement / A. Nabhan, G. Sherif, R. Abouzeid, M. Taha // Journal of Functional Biomaterials. – 2023. – Vol. 14 (3). – P. 140. – doi: 10.3390/jfb14030140.
  10. Wear mechanism and debris analysis of PEEK as an alternative to CoCrMo in the femoral component of total knee replacement / X. Zhang, T. Zhang, K. Chen, H. Xu, C. Feng, D. Zhang // Friction. – 2023. – Vol. 11. – P. 1845–1861. – doi: 10.1007/s40544-022-0700-z.
  11. Posterolateral or direct lateral surgical approach for hemiarthroplasty after a hip fracture: a randomized clinical trial alongside a natural experiment / M.C.J.M. Tol, N.W. Willigenburg, A.J. Rasker, H.C. Willems, T. Gosens, M. Heetveld, M.G.M. Schotanus, B. Eggen, M. Kormos, S.L. van der Pas, A. van der Vaart, J.C. Goslings, R.W. Poolman // JAMA Network Open. – 2024. – Vol. 7 (1). – P. e2350765. – doi: 10.1001/jamanetworkopen.2023.50765.
  12. D printing for hip implant applications: a review / O. Obinna, I. Stachurek, B. Kandasubramanian, J. Njuguna // Polymers (Basel). – 2020. – Vol. 12 (11). – P. 2682. – doi: 10.3390/polym12112682.
  13. Critical review of FDM 3D printing of PLA biocomposites filled with biomass resources, characterization, biodegradability, upcycling and opportunities for biorefineries / S. Bhagia, K. Bornani, R. Agarwal, A. Satlewal, J. Durkovic, R. Lagana, M. Bhagia, C.G. Yoo, X. Zhao, V. Kunc, Y. Pu, S. Ozcan, A.J. Ragauskas // Applied Materials Today. – 2021. – Vol. 24. – P. 101078. – doi: 10.1016/j.apmt.2021.101078.
  14. Biochar reinforced PLA composite for fused deposition modelling (FDM): a parametric study on mechanical performance / P. Anerao, A. Kulkarni, Y. Munde, A. Shinde, O. Das // Composites, Part C: Open Access. – 2023. – Vol. 12. – P. 100406. – doi: 10.1016/j.jcomc.2023.100406.
  15. Comparative analysis of drop impact resistance for different polymer based materials used for hearing aid casing / A. Gosavi, A. Kulkarni, Y. Dama, A. Deshpande, B. Jogi // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 49. – P. 2433–2441. – doi: 10.1016/j.matpr.2021.09.519.
  16. Dama Y.B., Jogi B.F., Pawade R.S. Application of nonlinear analysis in evaluating additive manufacturing process for engineering design features: a study and recommendations // Communications on Applied Nonlinear Analysis. – 2024. – Vol. 31 (1s). – P. 94–105. – doi: 10.52783/cana.v31.559.
  17. FDM technology and the effect of printing parameters on the tensile strength of ABS parts / M. Daly, M. Tarfaoui, M. Chihi, C. Bouraoui // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2023. – Vol. 126 (11–12). – P. 5307–5323. – doi: 10.1007/s00170-023-11486-y.
  18. Effect of process parameter on tensile properties of FDM printed PLA / L. Sandanamsamy, J. Mogan, K. Rajan, W.S.W. Harun, I. Ishak, F.R.M. Romlay, M. Samykano, K. Kadirgama // Materials Today: Proceedings. – 2023. – doi: 10.1016/j.matpr.2023.03.217.
  19. Eryildiz M. Effect of build orientation on mechanical behaviour and build time of FDM 3D-printed PLA parts: an experimental investigation // European Mechanical Science. – 2021. – Vol. 5 (3). – P. 116–120. – doi: 10.26701/ems.881254.
  20. Additive manufacturing of PLA structures using fused deposition modelling: effect of process parameters on mechanical properties and their optimal selection / J.M. Chacón, M.A. Caminero, E. García-Plaza, P.J. Núñez // Materials & Design. – 2017. – Vol. 124. – P. 143–157. – doi: 10.1016/j.matdes.2017.03.065.
  21. Explainable AI techniques for comprehensive analysis of the relationship between process parameters and material properties in FDM-based 3D-printed biocomposites / N. Kharate, P. Anerao, A. Kulkarni, M. Abdullah // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2024. – Vol. 8 (4). – P. 171. – doi: 10.3390/jmmp8040171.
  22. Experimental investigation of dry sliding wear behaviour of jute/epoxy and jute/glass/epoxy hybrids using Taguchi approach / A. Paturkar, A. Mache, A. Deshpande, A. Kulkarni // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5 (11). – P. 23974–23983. – doi: 10.1016/j.matpr.2018.10.190.
  23. Satkar A.R., Mache A., Kulkarni A. Numerical investigation on perforation resistance of glass-carbon/epoxy hybrid composite laminate under ballistic impact // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 59 (1). – P. 734–741. – doi: 10.1016/j.matpr.2021.12.464.
  24. Kanitkar Y.M., Kulkarni A.P., Wangikar K.S. Investigation of flexural properties of glass-Kevlar hybrid composite // European Journal of Engineering and Technology Research. – 2018. – Vol. 1. – P. 25–29. – doi: 10.24018/ejeng.2016.1.1.90.
  25. Virpe K., Deshpande A., Kulkarni A. A review on tribological behavior of polymer composite impregnated with carbon fillers // AIP Conference Proceedings. – 2020. – Vol. 2311 (1). – P. 070030. – doi: 10.1063/5.0035408.
  26. Чинчаникар С. Моделирование характеристик износа при скольжении композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированного углеродным волокном, в паре трения с SS304 (12Х18Н10Т) // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 40–52. – doi: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-40-52.
  27. Pawade R.S., Joshi S.S. Multi-objective optimization of surface roughness and cutting forces in high-speed turning of Inconel 718 using Taguchi grey relational analysis (TGRA) // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2011. – Vol. 56 (1–4). – P. 57–62. – doi: 10.1007/s00170-011-3183-z.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».