Tc4鈦合金鏤空人造骨的選區(qū)激光熔化成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于TC4鈦合金人造骨制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種TC4鈦合金鏤空人造骨的選區(qū)激光熔化成形方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人造骨是一種具有生物功能的新型材料，它可以依靠從人體體液補(bǔ)充某些離子形成新骨，在骨骼結(jié)合界面發(fā)生分解、吸收、析出等反應(yīng)，實現(xiàn)骨骼的牢固結(jié)合。TC4鈦合金具有耐腐蝕性好、彈性好、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性高等特點，同時也具有優(yōu)異的生物相容性，與人長期接觸以后也不改變其本質(zhì)，不會造成人類的過敏反應(yīng)。新的骨頭可以貼合在TC4鈦合金上，可和人骨密切結(jié)合，它也是唯一對人類植物神經(jīng)和味覺沒有任何影響的金屬，所以TC4鈦合金是最好的人造骨材料，在醫(yī)學(xué)上具有獨特的用途。
[0003]傳統(tǒng)TC4鈦合金人造骨的制備技術(shù)主要采用精鑄，其主要的步驟包括:模具設(shè)計與制造、精鑄、脫模、后期處理等。而其中模具設(shè)計與制造環(huán)節(jié)時間周期非常長，并且這種方法難以實現(xiàn)生物人造骨的個性化和定制化；同時，人造骨由于植入人體，需要一些鏤空網(wǎng)格結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)與人體的完全融合，這些結(jié)構(gòu)通過傳統(tǒng)加工方法根本無法實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供一種TC4鈦合金鏤空人造骨的選區(qū)激光熔化成形方法，是一種個性化，制備周期短，加入鏤空網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能優(yōu)異的TC4鈦合金人造骨選區(qū)激光熔化成形方法。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，TC4鈦合金鏤空人造骨的選區(qū)激光熔化成形方法，包括以下步驟:
[0006]步驟1:通過現(xiàn)有的三維建模軟件，設(shè)計TC4鈦合金人造骨的CAD模型；或者采用傳統(tǒng)逆向反求方法，獲得TC4鈦合金人造骨的三維模型；
[0007]步驟2:采用商用三維設(shè)計軟件對人造骨的三維模型進(jìn)行鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇合適的區(qū)域加入鏤空網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增加人造骨與人體的相容性；
[0008]步驟3:采用商用剖分軟件對具有鏤空結(jié)構(gòu)的人造骨三維模型進(jìn)行分層離散，將人造骨三維模型轉(zhuǎn)化成二維切片模型，得到一層層的截面輪廓數(shù)據(jù)，并根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的加工程序；
[0009]步驟4:將人造骨選區(qū)激光熔化加工程序?qū)肷逃媒饘龠x區(qū)激光熔化成形設(shè)備中；
[0010]步驟5:將成形基材固定在選區(qū)激光熔化成形設(shè)備的成形缸上，TC4鈦合金粉末放入粉末缸中，并向成形室中充入氬氣，充入的氬氣純度不低于99.99%，保持成形室中氧含量濃度在8-10ppm的范圍內(nèi)；
[0011 ] 步驟6:送粉裝置將TC4鈦合金粉末送至成形缸上，鋪粉裝置將足夠的TC4鈦合金粉末均勻的鋪在成形缸的基材上，多余的粉末送至收粉缸內(nèi)；
[0012]步驟7:激光根據(jù)人造骨選區(qū)激光熔化加工程序選擇性的照射在金屬粉末上，被照射上的粉末熔化，凝固形成實體，單層激光掃描結(jié)束后形成人造骨的單層截面；
[0013]步驟8:成形缸下降一層的高度，重復(fù)步驟6和7，金屬粉末逐層熔化，層層疊加，直至人造骨完全堆積成形；
[0014]步驟9:向成形室中充入氬氣，直至成形室中壓強(qiáng)達(dá)到一個大氣壓，然后打開成形室，將未使用的TC4鈦合金粉末回收，得到成形好的TC4鈦合金人造骨。
[0015]本發(fā)明的特點還在于，
[0016]其中的步驟7中，激光功率為200-400W，掃描速度為1000-1500mm/s，供粉量為
0.05-0.18mm/層，單層層高為0.02-0.06mm，成形室內(nèi)氬氣循環(huán)風(fēng)速控制電壓為2.0-3.0V。
[0017]其中的步驟7中，激光對金屬粉末進(jìn)行層間錯開掃描，每層輪廓單獨進(jìn)行掃描。
[0018]其中的TC4鈦合金粉末的粒度為+150目到-200目，顆粒尺寸為75 μ m。
[0019]其中的商用金屬選區(qū)激光熔化成形設(shè)備的激光器為400W-1000W的0)2激光器或者光纖激光器。
[0020]其中的送粉裝置為可升降的送粉缸，其中的鋪粉裝置為刮刀。
[0021]其中的鏤空結(jié)構(gòu)為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、帶蒙皮網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或異型曲面蒙皮網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
[0022]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)勢和有益效果:
[0023]1.本發(fā)明采用該成形工藝可以滿足人造骨的個性化要求，可以實現(xiàn)具有鏤空網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的人造骨的加工，并且極大的縮短了制造周期。
[0024]2.采用本發(fā)明方法成形出的鈦合金人造骨內(nèi)部組織均勻、尺寸精度高，表面質(zhì)量好，力學(xué)性能優(yōu)異，尺寸精度可控制在±0.1mm以內(nèi)，能滿足植入人體的力學(xué)性能要求。
[0025]3.采用本發(fā)明方法制備的TC4鈦合金人造骨結(jié)構(gòu)可以很復(fù)雜，較容易實現(xiàn)骨骼中的鏤空網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計，在不影響使用效果的前提下可以減輕人造骨重量，提高人造骨的生物相容性，更便于患者使用。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的流程不意圖；
[0027]圖2是股骨鏤空區(qū)域的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3是盆骨鏤空區(qū)域帶蒙皮的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4是鎖骨鏤空區(qū)域帶異型曲面蒙皮的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述，但本發(fā)明可制備的TC4鈦合金人造骨結(jié)構(gòu)不限于此。
[0031]本發(fā)明TC4鈦合金鏤空人造骨的選區(qū)激光熔化成形方法，具體包括如下步驟:
[0032]步驟1:通過現(xiàn)有的三維建模軟件，設(shè)計TC4鈦合金人造骨的CAD模型；或者采用傳統(tǒng)逆向反求方法，獲得TC4鈦合金人造骨的三維模型；
[0033]步驟2:采用商用三維設(shè)計軟件對人體骨骼的三維模型進(jìn)行鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇合適的區(qū)域加入鏤空網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增加人造骨與人體的相容性；
[0034]步驟3:采用商用剖分軟件對具有鏤空結(jié)構(gòu)的人造骨三維模型進(jìn)行分層離散，將人造骨三維模型轉(zhuǎn)化成二維切片模型，得到一層層的截面輪廓數(shù)據(jù)，并根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的加工程序；
[0035]步驟4:將人造骨選區(qū)激光熔化程序?qū)肷逃媒饘龠x區(qū)激光熔化成形設(shè)備中；
[0036]步驟5:將成形基材固定在選區(qū)激光熔化成形設(shè)備的成形缸上，TC4鈦合金粉末放入粉末缸中，并向成形室中充入氬氣，充入的氬氣純度不低于99.99%，保持成形室中氧含量濃度在8-10ppm的范圍內(nèi)；
[0037]步驟6:送粉裝置將TC4鈦合金粉末送至成形缸上，鋪粉裝置將足夠的TC4鈦合金粉末均勻的鋪在成形缸的基材上，多余的粉末送至收粉缸內(nèi)；
[0038]步驟7:激光根據(jù)人造骨選區(qū)激光熔化加工程序選擇性的照射在金屬粉末上，被照射上的粉末熔化，凝固形成實體，單層激光掃描結(jié)束后形成人造骨的單層截面；
[0039]步驟8:成形缸下降一層的高度，重復(fù)步驟6和7，金屬粉末逐層熔化，層層疊加，直至人造骨完全堆積成形；
[0040]步驟9:向成形室中充入氬氣，直至成形室中壓強(qiáng)達(dá)到一個大氣壓，然后打開成形室，將未使用的TC4鈦合金粉末回收，取出成形好的TC4鈦合金人造骨。
[0041]成形過程中的工藝參數(shù)是通過正交試驗獲得，通過設(shè)計激光功率、掃描速度、供粉量和單層層高等參數(shù)的正交試驗，采用傳統(tǒng)金相法、三維尺寸掃描法和室溫拉伸等方法檢測實驗零件的內(nèi)部組織、尺寸和表面精度以及力學(xué)性能，對比各項數(shù)據(jù)，最終獲得最優(yōu)成形工藝參數(shù)。
[0042]TC4鈦合金人造骨通過工藝參數(shù)實驗，獲得最優(yōu)工藝參數(shù)為激光功率為200-400W，掃描速度為1000-1500mm/s，供粉量為0.05-0.18mm/層，單層層高為0.02-0.06mm,成形室內(nèi)氬氣循環(huán)風(fēng)速控制電壓為2.0-3.0V。在該工藝條件下，可以實現(xiàn)TC4鈦合金區(qū)域鏤空的人造骨的選區(qū)激光熔化成形，成形出的TC4鈦合金人造骨的表面精度可以達(dá)到Ra6.3左右，尺寸精度可以達(dá)到±0.1mm，并且可以獲得優(yōu)異的力學(xué)性能，室溫拉伸性能可以達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)(抗拉強(qiáng)度彡895MPa，屈服強(qiáng)度彡825MPa，延伸率彡8?10% )。
[0043]TC4鈦合金粉末的粒度為+150目到-200目，顆粒尺寸約為75 μ m。
[0044]商用金屬選區(qū)激光熔化成形設(shè)備的激光器應(yīng)為400W-1000W的C02激光器或者光纖激光器，其他參數(shù)的范圍應(yīng)包含人造骨選區(qū)激光成形工藝參數(shù)的范圍。
[0045]送粉裝置、鋪粉裝置、成形缸和激光器的操作均由設(shè)備的控制機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。
[0046]送粉裝置為可升降的送粉缸；鋪粉裝置為刮刀。
[0047]步驟2中，可實現(xiàn)的鏤空結(jié)構(gòu)包括網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、帶蒙皮網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和異型曲面蒙皮網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等。
[0048]步驟7中，激光對金屬粉末進(jìn)行層間錯開掃描，每層輪廓單獨進(jìn)行掃描，以保證成形表面的精度和強(qiáng)度。
[0049]實施例1
[0050]按照圖1所示的步驟，本TC4鈦合金人造股骨的選區(qū)激光熔化方法，具體包括如下步驟:
[0051](1)通過現(xiàn)有的三維建模軟件，設(shè)計TC4鈦合金人造股骨的CAD模型；或者采用傳統(tǒng)逆向反求方法，獲得TC4鈦合金人造股骨的三維模型；
[0052](2)采用商用三維設(shè)計軟件對人造股骨的三維模型進(jìn)行鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇合適的區(qū)域加入鏤空網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增加人造股骨與人體的相容性；
[0053](3)采用商用剖分軟件對具有鏤空結(jié)構(gòu)的人造股骨三維模型進(jìn)行分層離散，將人造股骨三維模型轉(zhuǎn)化成二維切片模型，得到一層層的截面輪廓數(shù)據(jù)