医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法及应用转让专利
申请号 : CN202011012011.3
文献号 : CN112222409B
文献日 : 2021-08-10
发明人 : 李元元 , 罗炫 , 杨超 , 李冬冬 , 秦彦国 , 李宁
申请人 : 华南理工大学 , 华中科技大学 , 吉林大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法,其特征在于,所述的增材制造方法包括如下步骤:
S1、对植入物使役环境进行受力分析:根据不同解剖位置植入物的使役环境要求,采用有限元模拟软件分析植入物各部位的受力状态;
S2、对基于弹性模量各向异性的工艺参数进行设计:根据植入物的受力状态构建合金中各个晶体的<001>取向的空间分布并逐层分解,基于U型熔池或V型熔池设计理念,完成工艺参数设计并确定植入件打印摆放位置;
所述的步骤S2中构建合金<001>取向的空间分布并逐层分解,过程如下:通过步骤S1中有限元模拟软件模拟植入物受力状态,将植入物各部位受力方向等效为晶体的<001>取向,得出植入物在加载环境下各部位<001>取向的整体分布图,然后根据<
001>取向角度变化差值小于5°的范围划分为一层,将平均取向定义为该层的<001>取向;
所述的步骤S2中基于U型熔池或V型熔池设计理念,完成工艺参数设计,过程如下:调控熔池形状实现晶体生长方向的定制化,其中,晶体生长方向为<001>取向,工艺参数包括:50 mm/s≤扫描速度V≤8000 mm/s;激光选区熔化成形时激光器输入功率为P:50 W≤P≤360 W、激光扫描间距h介于20 150μm;电子束选区熔化成形时电子枪电流为I:3mA≤I~
≤120mA,电子束扫描间距h介于40 300μm;铺粉厚度为20 140μm,基板预热温度:激光选区~ ~
熔化为0 550℃,电子束选区熔化为400 1200℃;
~ ~
S3、增材制造成形:选用医用β型钛合金粉末,采用激光选区熔化或电子束选区熔化成形设备进行增材制造成形,得到弹性模量个性化定制的植入物。
2.根据权利要求1所述的医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法,其特征在于,所述的不同解剖位置植入物为关节植入物、脊柱植入物、肩部植入物、颅颌面植入物、足踝植入物和胸骨植入物中的一种或者多种,所述的关节植入物为髋或膝关节植入物,所述的脊柱植入物为内固定植入物或微创植入物,所述的肩部植入物为肩胛骨植入物,所述的颅颌面植入物为下颌骨植入物或颅骨植入物,所述的足踝植入物为足踝关节植入物或脚趾骨植入物。
3.根据权利要求1所述的医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法,其特征在于,所述的步骤S1中分析植入物各部位的受力状态是指植入物在人体使役环境要求下,通过有限元模拟软件分析植入物各部位的受力状态,包括力的大小、方向以及形变量,其中,所述的人体使役环境为包括站立、行走、伸展、弯曲在内的肢体动作中的一种,所述的有限元模拟软件选自ANSYS、MIMICS、ABAQUS、ADINA、MSC、NASTRAN、FENRIS、PAFEC、ASKA软件中的一种。
4.根据权利要求1所述的医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法,其特征在于,所述的步骤S2中确定打印件摆放位置是根据打印件各部位的受力状态确定的。
5.根据权利要求1所述的医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法,其特征在于,所述的步骤S3中医用β型钛合金粉末的制造方法为等离子雾化法、电极感应熔炼气体雾化法或等离子旋转电极雾化制粉法,粉末颗粒尺寸范围为:当进行激光选区熔化时,选择
15 53μm;当进行电子束选区熔化时,选择45 150μm。
~ ~
6.根据权利要求1所述的医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法,其特征在于,所述的步骤S3中成形设备为多激光器或者电子束打印。
7.一种任意择优取向的医用钛合金,由权利要求1‑6任一所述的增材制造方法制得,其特征在于,所述的医用钛合金组织结构如下:以柱状晶的β‑Ti为基体,β‑Ti晶粒生长方向与水平方向的夹角为θ,其中,β‑Ti晶粒生长方向为<001>取向,θ取值范围为0 90°,柱状晶之间近乎相互平行,整体呈现为旋转立方~
织构,在θ角方向合金弹性模量最低。
8.一种根据权利要求7所述的任意择优取向的医用钛合金在人体植入物制备中的应用,所述的人体植入物为关节植入物、脊柱植入物、肩部植入物、颅颌面植入物、足踝植入物和胸骨植入物中的一种或者多种,所述的关节植入物为髋或膝关节植入物,所述的脊柱植入物为内固定植入物或微创植入物,所述的肩部植入物为肩胛骨植入物,所述的颅颌面植入物为下颌骨植入物或颅骨植入物,所述的足踝植入物为足踝关节植入物或脚趾骨植入物。
说明书 :
医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法及应用
技术领域
背景技术
然而相对于人体皮质骨(弹性模量10‑30GPa),α+β型Ti‑6Al‑4V合金具有较高的弹性模量
(~110GPa),易产生应力屏蔽造成骨萎缩,并且其含有毒性元素Al和V。最近,β型钛合金尤
其(Ti69.71Nb23.72Zr4.83Ta1.74)100‑xSix(at.%,x=0,2,5)因具有更低的弹性模量(42‑69GPa)
而受到研究者们广泛关注,然而其弹性模量依旧偏高。目前,基于d电子理论(计算合金的平
均结合次数 平均d电子轨道能级 )等理论设计β型钛合金成分已很难进一步降低弹
性模量(50‑80GPa)。国内外研究者正尝试基于调控织构的方法调控弹性模量,如轧制、挤
压、定向凝固等,然而这些工艺无法满足复杂构件个性化定制的需求。因此,亟需寻找一种
能降低医用钛合金植入体弹性模量并且满足复杂构件个性化定制的制造方法。
术中的选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)和选择性电子束熔化(Selective
4 5
Electron Beam Melting,SEBM)冷却速率快(10~10 K/s以上)、温度梯度分布个性化的特
点,可实现不同织构组织的制备从而实现弹性模量的调控。例如,有研究者通过改变不同扫
描策略实现了<110>取向和<001>取向的制备,所制备的Ti–15Mo–5Zr–3Al合金弹性模量分
别为99.6±4.8GPa和68.7±0.9GPa,相较于传统工艺制备所获得的弹性模量(84.3GPa)明
显降低。但是,上述方法尚不能实现植入件不同受力部位都能匹配到最低的弹性模量(<001
>取向),因此,如何实现植入件任意部位<001>取向的定制化从而降低合金弹性模量是目前
亟待解决的技术难题。
发明内容
成工艺参数设计并确定植入件打印摆放位置;
理想治疗效果。
植入物(下颌骨植入物、颅骨植入物等),足踝植入物(足踝关节植入物、脚趾骨植入物等),
其他部位植入物(如胸骨植入物等)。
力状态,包括力的大小、方向以及形变量。
据<001>取向角度变化差值小于5°的范围划分为一层,将平均取向定义为该层的<001>取
向。
≤扫描速度V≤8000mm/s;激光选区熔化成形时激光器输入功率为P:50W≤P≤360W、激光扫
描间距h介于20~150μm,扫描策略采用0~90°扫描;电子束选区熔化成形时电子枪电流为
I:3mA≤I≤120mA、电子束扫描间距h介于40~300μm。铺粉厚度为20~140μm,基板预热温
度:激光选区熔化为0~550℃,电子束选区熔化为400~1200℃。
(PREP),粉末颗粒尺寸范围为15~53μm(适用于激光选区熔化)或45~150μm(适用于电子束
选区熔化)。
(θ为0~90°),柱状晶之间近乎相互平行,整体呈现为旋转立方织构,在θ角方向合金弹性模
量最低。
物、颅骨植入物,足踝关节植入物、脚趾骨植入物,以及胸骨植入物。
现其弹性模量的定制化。首先,制备具有任意<001>择优取向的医用钛合金需要满足金属在
液相凝固时能保证液相以柱状晶生长方式生长且散热方向具有明显的方向性。在这种情况
下,立方结构金属中<001>方向的长大速率最大,如果某一晶粒的<001>取向与散热方向接
近,则在散热方向上能够保持稳定的<001>取向。在3D打印过程中,熔池内散热方向垂直于
熔池边界,因此,通过调控工艺参数,如激光功率,电子枪电流,扫描速度和扫描间距和扫描
策略,定制化熔池形貌(如图1所示),从而调控熔池边界与水平方向的夹角α,其中α=90°‑
θ,进而调控熔池的散热方向,最终可制备出在受力方向上满足<001>最低弹性模量医用钛
合金植入物。
量的植入物制备。
用率,从而节约了成本。
附图说明
组织形貌图,试样Y‑Z面平行于加载方向,图2(c)为块体试样X‑Y面的{001}晶面极图,其中
试样X‑Y面垂直于加载方向;
中的受力方向与静立时身体轴线方向平行;
立时身体轴线方向平行;
0.4mm。图中的受力方向与静立时身体轴线方向平行;
具体实施方式
本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员
在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
体试样,根据受力分析可知试样各部分都受到Z方向的力;
向,即试样的Z方向平行于<001>取向,因此块体试样总体可分为一层。基于U型熔池或V型熔
池设计理念,其关键参数为:扫描速度为900mm/s,激光功率为160W,扫描间距为60mm,扫描
策略为90°扫描,铺粉厚度为40μm,基板预热温度为180℃。试样打印时XY面平行于基板,样
品不需要倾转;
制造成形,得到弹性模量个性化定制的试样。
间近乎相互平行,整体为立方织构(图2(c)),通过超声法对其进行弹性模量测试,在受力方
向合金弹性模量为42GPa,明显小于铸态试样(62GPa)。
量。
的整体分布图,然后根据<001>取向角度变化差值小于5°的范围划分为一层,共3层,将平均
取向定义为该层的<001>取向(如图3所示)。基于U型熔池或V型熔池设计理念,设计各层工
艺参数,第Ⅰ层工艺参数为:扫描速度为800mm/s,激光功率为160W,扫描间距为60mm,扫描策
略为90°扫描;第Ⅱ层工艺参数为:扫描速度为200mm/s,激光功率为120W,扫描间距为40mm,
扫描策略为0°;第Ⅲ层工艺参数为:扫描速度为1900mm/s,激光功率为300W,扫描间距为
50mm,扫描策略为0°扫描,其中铺粉厚度为30μm,基板预热温度为180℃,试样打印时XY面平
行于基板(如图3所示)。
SLMsolution 280 2.0设备进行增材制造成形,得到弹性模量个性化定制的股骨柄。
粒<001>取向的生长方向与水平方向的夹角分别成~90°、~72°和~45°,接近各层平均受
力方向,满足设计要求,柱状晶之间近乎相互平行,整体为立方织构或者旋转立方织构,通
过超声法对其进行弹性模量测试,在90°、72°和45°方向合金弹性模量分别为47GPa、52GPa
和50GPa,明显小于铸态试样(69GPa)。
变量。
的整体分布图,然后根据<001>取向角度变化差值小于5°的范围划分为一层,将平均取向定
义为该层的<001>取向,基于U型熔池或V型熔池设计理念,设计各层工艺参数。由于髋臼杯
在站立状态下其受力方向平行于身体轴线(Z向),即髋臼杯植入物的Z方向平行于<001>取
向,因此总体可分为一层。基于U型熔池或V型熔池设计理念,其工艺参数为:熔道搭接率为
50%,扫描速度为800mm/s,激光功率为160W,扫描间距为60mm,扫描策略为90°扫描,其中铺
粉厚度为30μm,基板预热温度为180℃,试样打印时XY面与基板成43°(如图4所示)。
设备进行增材制造成形,得到弹性模量个性化定制的髋臼杯。
001>取向的生长方向与水平方向的夹角分别成~90°,柱状晶之间近乎相互平行,整体为立
方织构,通过超声法对其进行弹性模量测试,合金弹性模量分别为46GPa明显小于铸态试样
(67GPa)。
变量。
001>取向的整体分布图,然后根据<001>取向角度变化差值小于5°的范围划分为一层,由于
脊柱植入物各部位受力方向都平行于加载方向,即脊柱植入物的Z方向平行于<001>取向,
因此总体可分为一层,如图5所示。基于U型熔池或V型熔池设计理念,其关键参数为:扫描速
度为6000mm/s,电流为30mA,扫描间距为60mm,扫描策略为90°扫描,铺粉厚度为50μm,基板
预热温度为750℃。试样打印时XY面平行于基板,样品不需要倾转。
制造成形,得到弹性模量个性化定制的脊柱植入物。
方向的夹角分别成~90°,柱状晶之间近乎相互平行,整体为立方织构,通过超声法对其进
行弹性模量测试,在90°方向合金弹性模量分别为59GPa,明显小于铸态试样(75GPa)。
均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。