采用激光增材制造鈦合金人工關(guān)節(jié)的方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種采用激光增材制造技術(shù)制備鈦合金人工關(guān)節(jié)的工藝方法，該方法針對不同患者的獨(dú)特特征和身體特性，快速設(shè)計出個性化的零件圖紙，采用激光增材制造工藝，直接成形出個性化定制的鈦合金人工關(guān)節(jié)。激光增材制造的人工關(guān)節(jié)化學(xué)成分、微觀組織、力學(xué)性能、材料密度完全符合醫(yī)用鈦合金人工關(guān)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)要求，生物相容性良好。本發(fā)明可以降低個性化定制人工關(guān)節(jié)的生產(chǎn)成本和周期，可用于多個牌號鈦合金人工關(guān)節(jié)的增材制造，通用性強(qiáng)。
【專利說明】采用激光増材制造鈦合金人工關(guān)節(jié)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于增材制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種采用激光增材制造鈦合金人工關(guān)節(jié)的方法。主要用于醫(yī)用人體植入物。
【背景技術(shù)】
[0002]人工關(guān)節(jié)作為重要的醫(yī)療產(chǎn)品組成部分，近百年來，特別是近20年來得到了長足的發(fā)展。隨著人類進(jìn)入高齡化步伐加快、中青年創(chuàng)傷增多、疑難疾病患者的增加和醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工關(guān)節(jié)的用量逐年提高。
[0003]人體植入物產(chǎn)品具有形狀不規(guī)則，曲面多，生產(chǎn)批量小的特點(diǎn)。個體骨骼之間的差異，使得植入物產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化型號不能完全適合每一位病人，植入物與人體骨骼的適合度對產(chǎn)品的壽命有一定影響，同時也為醫(yī)生的手術(shù)帶來困難。由于手術(shù)的復(fù)雜性和患者的個體差異，外科手術(shù)，尤其是硬組織修復(fù)對醫(yī)生的專業(yè)技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)要求很高?，F(xiàn)有的制造方法主要是“模鍛(鑄造)+機(jī)加”的傳統(tǒng)制造工藝，加工方式成本高、耗時長、反應(yīng)速度慢，尤其是小批量生產(chǎn)的情況下，會對模具造成巨大的浪費(fèi)。為了便于人體細(xì)胞的附著及生長，人工關(guān)節(jié)在局部位置還需要加工為特定的粗糙表面，傳統(tǒng)的機(jī)械加工難度大，如果采用普通的膠接，結(jié)合強(qiáng)度低，人體關(guān)節(jié)的劇烈運(yùn)動會導(dǎo)致植入物粗糙表面的脫落。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種制造工藝簡單、反應(yīng)周期短的采用激光增材制造技術(shù)制備鈦合金人工關(guān)節(jié)的方法。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案是:
[0006](I)選擇激光增材制造原材料，選擇化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3620.1的鈦合金粉末，粒度為100目?500目；
[0007](2)根據(jù)所需制備鈦合金人工關(guān)節(jié)的圖紙，確定增材制造程序編譯；
[0008](3)清理增材用基板表面，采用手持電槍打磨去除表面氧化層，用鋼絲輪拋光打磨表面，最后用丙酮擦洗；
[0009](4)激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率300?1000W，光斑直徑0.3?0.8mm，熔覆速率300?800mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉氣3?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ;激光增材制造采用多層熔覆堆積，單層厚度控制在0.1?2.0mm之間，直到完成計算所需增材制造的尺寸；
[0010](5)更換激光增材制造原材料，選擇化學(xué)成分與之前牌號一致，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3620.1的鈦合金粉末，粒度范圍調(diào)整為20目?100目；更換設(shè)備配件，使用加工20目?100目粉末的送粉管和熔覆頭；
[0011](6)根據(jù)所需制備鈦合金人工關(guān)節(jié)的圖紙，在需要加工為粗糙表面的位置，進(jìn)行增材制造程序的編譯；
[0012](7)激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)粗糙表面的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率50?200W，光斑直徑0.3?0.8mm，熔覆速率500?1000mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉氣5?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ；粗糙表面的激光增材制造采用多層粉末顆粒熔覆堆積，單層厚度控制在0.5?2.0mm之間，直到完成計算所需增材制造的尺寸；
[0013](8)去應(yīng)力退火，對激光增材制造零件進(jìn)行退火，消除零件的殘余應(yīng)力，退火制度為:620 0C X2h ；
[0014](9)無損檢測，采用X光和熒光探傷方法，對激光增材制造的零件進(jìn)行檢查；要求無裂紋等線性缺陷；
[0015](10)機(jī)械加工，根據(jù)圖紙，加工激光增材制備件至最終尺寸和表面光潔度。
[0016]選擇激光增材制造原材料，選擇化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3620.1的鈦合金粉末，粒度為150目?325目。
[0017]激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率300?1000W，光斑直徑0.3?0.8mm,熔覆速率300?800mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉氣3?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ;激光增材制造采用多層恪覆堆積，單層厚度控制在0.1?2.0mm之間。
[0018]激光增材制造粗糙表面原材料，選擇化學(xué)成分與之前牌號一致，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3620.1的鈦合金粉末，粒度范圍調(diào)整為20目?80目。
[0019]激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)粗糙表面的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率50?200W，光斑直徑0.3?0.8mm，熔覆速率500?1000mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉氣5?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ;粗糖表面的激光增材制造采用多層粉末顆粒熔覆堆積，單層厚度控制在0.5?2.0mm之間。
[0020]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，
[0021]本發(fā)明采用激光增材制造鈦合金人工關(guān)節(jié)，降低個性化定制人工關(guān)節(jié)的生產(chǎn)成本和周期。本發(fā)明的激光增材制造工藝可用于多個牌號鈦合金人工關(guān)節(jié)的增材制造，通用性強(qiáng)。與傳統(tǒng)加工工藝相比，采用激光增材制造鈦合金人工關(guān)節(jié)，僅需要CAD建模圖紙，就可以直接成形出所需零件，如果需要改變尺寸和設(shè)計，只需要在CAD圖紙上進(jìn)行改變即可實(shí)現(xiàn)，更容易操作實(shí)施，工藝、材料和時間周期成本均低。在局部位置制備粗糙表面時，本發(fā)明采用的激光增材制造工藝也體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，在激光增材制造的基礎(chǔ)上直接二次加工，生成粗糙的表面，節(jié)約時間，結(jié)合強(qiáng)度也優(yōu)于傳統(tǒng)的膠接。
[0022]當(dāng)前隨著人們生活水平和收入的提高，生物醫(yī)學(xué)行業(yè)關(guān)于個性化定制人工關(guān)節(jié)的需求越來越多。高質(zhì)量的個性化定制生產(chǎn)，需要根據(jù)使用者的獨(dú)特特征和身體特性進(jìn)行快速設(shè)計和小批量制造。這正是激光增材制造的優(yōu)勢所在，市場的前景非常光明。
[0023]前期以常用的Ti6A14V鈦合金進(jìn)行了激光增材制造試驗(yàn)，并對激光增材制備的試樣化學(xué)成分、微觀組織、室溫性能、材料密度等進(jìn)行了研宄。研宄結(jié)果表明，激光增材制造的人工關(guān)節(jié)組織致密、無裂紋、夾雜缺陷；室溫拉伸強(qiáng)度超過了醫(yī)用Ti6A14V鍛件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了實(shí)際鍛件的99%，激光增材制造的人工關(guān)節(jié)材料密度與鍛件的材料密度完全一致。同時，激光增材制造的人工關(guān)節(jié)化學(xué)成分也完全符合醫(yī)用Ti6A14V鈦合金人工關(guān)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)要求，生物相容性良好，即將進(jìn)行臨床試驗(yàn)。
[0024]因此該發(fā)明的成果可直接用于個性化定制鈦合金人工關(guān)節(jié)的小批量生產(chǎn)，由于省去了制備模具的時間，零件的交付周期會大幅度縮短，這在瞬息萬變的市場中具有重大意義，對于急需人工關(guān)節(jié)移植的病人而言，這無異于天大的福音。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下將結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳述:
[0026]根據(jù)待制備人工關(guān)節(jié)在人體上的安裝部位和人體CT掃描結(jié)果，設(shè)計出所需制備的人工關(guān)節(jié)圖紙，通過以上分析和確認(rèn)，實(shí)施以下具體步驟:
[0027](I)選擇激光增材制造原材料，選擇化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3620.1的鈦合金粉末，粒度為100目?500目；
[0028](2)根據(jù)所需制備鈦合金人工關(guān)節(jié)的圖紙，確定增材制造程序編譯；
[0029](3)清理增材用基板表面，采用手持電槍打磨去除表面氧化層，用鋼絲輪拋光打磨表面，最后用丙酮擦洗；
[0030](4)激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率300?1000W，光斑直徑0.3?0.8mm，熔覆速率300?800mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉氣3?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ;激光增材制造采用多層熔覆堆積，單層厚度控制在0.1?2.0mm之間，直到完成計算所需增材制造的尺寸；
[0031](5)更換激光增材制造原材料，選擇化學(xué)成分與之前牌號一致，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3620.1的鈦合金粉末，粒度范圍調(diào)整為20目?100目；更換設(shè)備配件，使用加工20目?100目粉末的送粉管和熔覆頭；
[0032](6)根據(jù)所需制備鈦合金人工關(guān)節(jié)的圖紙，在需要加工為粗糙表面的位置，進(jìn)行增材制造程序的編譯；
[0033](7)激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)粗糙表面的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率50?200W，光斑直徑0.3?0.8mm，熔覆速率500?1000mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉氣5?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ；粗糙表面的激光增材制造采用多層粉末顆粒熔覆堆積，單層厚度控制在0.5?2.0mm之間，直到完成計算所需增材制造的尺寸；
[0034](8)去應(yīng)力退火，對激光增材制造零件進(jìn)行退火，消除零件的殘余應(yīng)力，退火制度為:620°C X2h，空冷；
[0035](9)無損檢測，采用X光和熒光探傷方法，對激光增材制造的零件進(jìn)行檢查；要求無裂紋等線性缺陷；
[0036](10)機(jī)械加工，根據(jù)圖紙，加工激光增材制備件至最終尺寸和表面光潔度。
[0037]實(shí)施例一:采用激光增材制造Ti6A14V鈦合金人工關(guān)節(jié)的方法。
[0038]對待制備的鈦合金人工關(guān)節(jié)，首先確認(rèn)待制備的鈦合金人工關(guān)節(jié)為股骨柄鈦合金人工關(guān)節(jié)，根據(jù)病人實(shí)際CT掃描的結(jié)果，修改并繪制出最終圖紙。
[0039](I)選擇激光增材制造原材料，選擇化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3620.1的鈦合金粉末，粒度為100目?500目；
[0040](2)根據(jù)所需制備鈦合金人工關(guān)節(jié)的圖紙，確定增材制造程序編譯；
[0041](3)清理增材用基板表面，采用手持電槍打磨去除表面氧化層，用鋼絲輪拋光打磨表面，最后用丙酮擦洗；
[0042](4)激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率300?1000W，光斑直徑0.3?0.8mm，熔覆速率300?800mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉氣3?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ;激光增材制造采用多層熔覆堆積，單層厚度控制在0.1?2.0mm之間，直到完成計算所需增材制造的尺寸；
[0043](5)更換激光增材制造原材料，選擇化學(xué)成分與之前牌號一致，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3620.1的鈦合金粉末，粒度范圍調(diào)整為20目?100目；更換設(shè)備配件，使用加工20目?100目粉末的送粉管和熔覆頭；
[0044](6)根據(jù)所需制備鈦合金人工關(guān)節(jié)的圖紙，在需要加工為粗糙表面的位置，進(jìn)行增材制造程序的編譯；
[0045](7)激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)粗糙表面的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率50?200W，光斑直徑0.3?0.8mm，熔覆速率500?1000mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉氣5?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ；粗糙表面的激光增材制造采用多層粉末顆粒熔覆堆積，單層厚度控制在0.5?2.0mm之間，直到完成計算所需增材制造的尺寸；
[0046](8)去應(yīng)力退火，對激光增材制造零件進(jìn)行退火，消除零件的殘余應(yīng)力，退火制度為:620°C X2h，空冷；
[0047](9)無損檢測，采用X光和熒光探傷方法，對激光增材制造的零件進(jìn)行檢查；要求無裂紋等線性缺陷；
[0048](10)機(jī)械加工，根據(jù)圖紙，加工激光增材制備件至最終尺寸和表面光潔度。
[0049]實(shí)施例二:采用激光增材制造Ti6A17Nb鈦合金人工關(guān)節(jié)的方法。
[0050]對待制備的鈦合金人工關(guān)節(jié)，首先確認(rèn)待制備的鈦合金人工關(guān)節(jié)為肘骨柄鈦合金人工關(guān)節(jié)，根據(jù)病人實(shí)際CT掃描的結(jié)果，修改并繪制出最終圖紙。
[0051](I)選擇激光增材制造原材料，選擇化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3620.1的鈦合金粉末，粒度為150目?325目；
[0052](2)根據(jù)所需制備鈦合金人工關(guān)節(jié)的圖紙，確定增材制造程序編譯；
[0053](3)清理增材用基板表面，采用手持電槍打磨去除表面氧化層，用鋼絲輪拋光打磨表面，最后用丙酮擦洗；
[0054](4)激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率300?1000W，光斑直徑0.3?0.8mm，熔覆速率300?800mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉氣3?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ;激光增材制造采用多層熔覆堆積，單層厚度控制在0.1?2.0mm之間，直到完成計算所需增材制造的尺寸；
[0055](5)更換激光增材制造原材料，選擇化學(xué)成分與之前牌號一致，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3620.1的鈦合金粉末，粒度范圍調(diào)整為50目?80目；更換設(shè)備配件，使用加工50目?80目粉末的送粉管和熔覆頭；
[0056](6)根據(jù)所需制備鈦合金人工關(guān)節(jié)的圖紙，在需要加工為粗糙表面的位置，進(jìn)行增材制造程序的編譯；
[0057](7)激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)粗糙表面的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率80?150W，光斑直徑0.3?0.8mm，熔覆速率500?1000mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉氣5?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ；粗糙表面的激光增材制造采用多層粉末顆粒熔覆堆積，單層厚度控制在0.5?2.0mm之間，直到完成計算所需增材制造的尺寸；
[0058](8)去應(yīng)力退火，對激光增材制造零件進(jìn)行退火，消除零件的殘余應(yīng)力，退火制度為:700 0C Xlh，空冷；
[0059](9)無損檢測，采用X光和熒光探傷方法，對激光增材制造的零件進(jìn)行檢查；要求無裂紋等線性缺陷；
[0060](10)機(jī)械加工，根據(jù)圖紙，加工激光增材制備件至最終尺寸和表面光潔度。
【權(quán)利要求】
1.一種采用激光增材制造鈦合金人工關(guān)節(jié)的方法，其特征是: (1)選擇激光增材制造原材料，選擇化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3620.1的鈦合金粉末，粒度為100目?500目； (2)根據(jù)所需制備鈦合金人工關(guān)節(jié)的圖紙，確定增材制造程序編譯； (3)清理增材用基板表面，采用手持電槍打磨去除表面氧化層，用鋼絲輪拋光打磨表面，最后用丙酮擦洗； (4)激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率300?1000W，光斑直徑0.3?0.8mm，熔覆速率300?800mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉氣3?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ;激光增材制造采用多層熔覆堆積，單層厚度控制在0.1?2.0mm之間，直到完成計算所需增材制造的尺寸； (5)更換激光增材制造原材料，選擇化學(xué)成分與之前牌號一致，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3620.1的鈦合金粉末，粒度范圍調(diào)整為20目?100目；更換設(shè)備配件，使用加工20目?100目粉末的送粉管和熔覆頭； (6)根據(jù)所需制備鈦合金人工關(guān)節(jié)的圖紙，在需要加工為粗糙表面的位置，進(jìn)行增材制造程序的編譯； (7)激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)粗糙表面的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率50?200W，光斑直徑0.3?0.8mm，熔覆速率500?1000mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉氣5?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ;粗糖表面的激光增材制造采用多層粉末顆粒熔覆堆積，單層厚度控制在0.5?2.0mm之間，直到完成計算所需增材制造的尺寸； (5)去應(yīng)力退火，對激光增材制造零件進(jìn)行退火，消除零件的殘余應(yīng)力，退火制度為材料手冊中規(guī)定對應(yīng)材料牌號的去應(yīng)力退火熱處理制度； (6)無損檢測，采用X光和熒光探傷方法，對激光增材制造的零件進(jìn)行檢查；要求無裂紋等線性缺陷； (7)機(jī)械加工，根據(jù)圖紙，加工激光增材制備件至最終尺寸和表面光潔度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光增材制造鈦合金人工關(guān)節(jié)的方法，其特征是:選擇激光增材制造原材料，選擇化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3620.1的鈦合金粉末，粒度為150目?325 目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光增材制造鈦合金人工關(guān)節(jié)的方法，其特征是:激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率500?800W，光斑直徑0.3?0.8mm,熔覆速率400?700mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉氣3?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ;激光增材制造采用多層恪覆堆積，單層厚度控制在0.3?1.8mm之間，直到完成計算所需增材制造的尺寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光增材制造鈦合金人工關(guān)節(jié)的工藝方法，其特征是:激光增材制造粗糙表面原材料，選擇化學(xué)成分與之前牌號一致，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3620.1的鈦合金粉末，粒度范圍調(diào)整為20目?80目。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光增材制造鈦合金人工關(guān)節(jié)的工藝方法，其特征是:激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法進(jìn)行人工關(guān)節(jié)粗糙表面的制備，激光熔覆的工藝參數(shù)為:激光功率80?160W，光斑直徑0.3?0.8mm，熔覆速率600?800mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉氣5?10L/min，保護(hù)氣體10?15L/min ;粗糙表面的激光增材制造采用多層粉末顆粒熔覆堆積，單層厚度控制在0.?1.6mm之間，直到完成計算所需增材制造的尺寸。
【文檔編號】B22F3/105GK104498940SQ201410727363
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】李能, 黃永玲, 張學(xué)軍, 賀娟, 孫兵兵, 杜博睿, 陳冰清 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院