Mechanical and Structural Evaluation of an Additively Printed Gyroid Lattice Structure of a CoCr Alloy

Shreyas Shivashankar

Diplomová práce

Anotace:

Tato diplomová práce zkoumá gyroidní mřížkové struktury – typ trojitě periodické minimální plochy (TPMS) – vyrobené ze slitiny CoCr-0404 pro lékařské implantáty, kombinující lehkou konstrukci s vysokou pevností pomocí AM (SLM). Tři gyroidní konstrukce (2článková, 3článková a 4článková) byly vytištěny 3D tiskem a testovány na tvrdost, pevnost v tlaku a kvalitu povrchu. Dvoučlánková struktura vykazovala nejlepší mechanické vlastnosti (tvrdost 489 HV, pevnost v tlaku 90–95 MPa), což ji činí vhodnou pro nosné aplikace, zatímco 4článková konstrukce nabízela lepší rovnoměrnost povrchu a propojení pórů, což je klíčové pro integraci kosti. Následné zpracování, jako je omílání, zlepšilo hladkost povrchu až o 30,8 % a zvýšilo biokompatibilitu. Studie zdůrazňuje, jak mohou gyroidy založené na TPMS způsobit revoluci v ortopedických implantátech vyvážením pevnosti a biofunkčnosti prostřednictvím přizpůsobitelných návrhů. Budoucí výzkum by se mohl zaměřit na reálný výkon při dynamickém zatížení a dlouhodobé testování in vivo, aby se dále ověřil jejich klinický potenciál.

Abstract:

This Master thesis explores gyroid lattice structures—a type of Triply Periodic Minimal Surface (TPMS)—made from CoCr-0404 alloy for medical implants, combining lightweight design with high strength using AM (SLM). Three gyroid designs (2-cell, 3-cell, and 4-cell) were 3D-printed and tested for hardness, compression strength, and surface quality. The 2-cell structure showed the best mechanical performance (489 HV hardness, 90–95 MPa compressive strength), making it suitable for load-bearing applications, while the 4-cell design offered better surface uniformity and pore connectivity, which are crucial for bone integration. Post-processing, like tumbling, improved surface smoothness by up to 30.8%, enhancing biocompatibility. The study highlights how TPMS-based gyroids can revolutionize orthopedic implants by balancing strength and bio functionality through customizable designs. Future research could focus on real-world performance under dynamic loads and long-term in vivo testing to further validate their clinical potential.

Klíčová slova

Aditivní výroba, Selektivní laserové tavení, Trojnásobně periodický minimální povrch, Gyroidní struktury, Zkoušky kompresí, Tvrdost, Topografie povrchu, Skenovací elektronový mikroskop, Slitina kobaltu a chromu

Keywords

Additive Manufacturing, Selective Laser Melting, Triply Periodic Minimal Surface, Gyroid Structures, Compression Testing, Hardness, Surface Topography, Scanning Electron Microscope, Cobalt-Chromium Alloy

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 12. 5. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Akash Nag

VŠB – Technická univerzita Ostrava

Fakulta strojní

Magisterský studijní program:
Strojírenská technologie