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一种用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备

阅读：1018发布：2021-02-21

IPRDB可以提供一种用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，其特征在于它包括成形系统、粉末回收系统、铺粉系统、激光传输系统、粉尘过滤和水/氧净化双循环系统以及密封腔；所述成形系统、粉末回收系统、铺粉系统均置于密封腔体内，所述激光传输系统置于密封腔体上部，所述粉尘过滤和水/氧净化双循环系统置于密封腔外部；所述成形系统包括成形缸、成形缸活塞、滚珠丝杠、伺服电机和光栅尺；所述成形缸活塞内部设有加热铜板、水冷系统和温度传感器；所述铺粉系统采用上铺粉的方式铺粉；成形过程在氩气保护下进行，并设有粉尘过滤和水/氧净化双循环系统。本发明成形腔气氛洁净度高、成形零件尺寸精度高、可成形多孔结构和生物通道等仿生结构，适合于人工髋关节的快速和个性化定制。，下面是一种用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，其特征在于它包括成形系统、粉末回收系统、铺粉系统、激光传输系统、粉尘过滤和水/氧净化双循环系统以及密封腔；所述成形系统、粉末回收系统、铺粉系统均置于密封腔体内，所述激光传输系统置于密封腔体上部，所述粉尘过滤和水/氧净化双循环系统置于密封腔外部，并通过密封腔上的通气孔与密封腔连接；所述成形系统包括成形缸、成形缸活塞、滚珠丝杠、伺服电机和光栅尺；所述成形缸活塞内部设有加热铜板、水冷系统和温度传感器；所述铺粉系统采用上铺粉的方式铺粉；成形过程在氩气保护下进行，并设有粉尘过滤和水/氧净化双循环系统。

2.根据权利要求1所述的用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，其特征在于：所述成形缸活塞与光栅读数头固定连接，所述成形缸与标尺光栅固定连接伺服电机与标尺光栅配合形成闭环控制，使成形缸活塞定位精度达到5μm。

3.根据权利要求1或2所述的用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，其特征在于：所述成形缸活塞包括活塞底板、连接法兰、铺粉基板、铜加热板、水冷通道、聚四氟乙烯隔热垫和温度传感器；所述铜加热板置于活塞底板之上，通过螺纹孔与活塞底板固定，所述铜加热板与活塞底板之间用聚四氟乙烯隔热垫隔开，并与其上方的铺粉基板有

2-4mm的间隙；所述水冷通道置于铜加热板外侧并用○型密封圈密封；所述温度传感器与控制系统相连，以实现粉层的高温预热和温度的实时监测。

4.根据权利要求1所述的用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，其特征在于：所述铺粉系统包括铺粉料斗、滚珠丝杠、刮刀和电磁阀；所述铺粉料斗置于成形缸上方，由滚珠丝杠驱动，左右运动；所述刮刀安装于铺粉料斗出口端一侧，在铺粉料斗运动的同时对粉末进行刮平和压实；所述电磁阀安装于铺粉料斗开口处，并与控制系统相连以控制开口的开度大小。

5.根据权利要求1所述的用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，其特征在于：所述密封腔体前后左右各开有通气口；所述左右两侧通气孔与气体净化系统相连，形成水/氧净化循环，前后两侧通气孔与粉尘过滤系统相连，形成粉尘过滤循环。

6.根据权利要求5所述的用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，其特征在于：所述水/氧净化系统包括粉尘滤芯、气体循环管路、电磁阀、水含量传感器、氧含量传感器、真空泵、水/氧净化器、氩气储气罐；所述密封腔前后左右开有通气口以及氩气补充进气口，密封腔内气体通过右侧通气孔进入气体循环管路；所述气体循环管路出口处安装有电磁阀用以控制气体循环的通断；所述气体循环管路出口处安装有水含量传感器和氧含量传感器，所述水含量传感器和氧含量传感器检测精度可达0.1ppm。

7.根据权利要求1的所述的用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，其特征在于：所述粉尘过滤系统包括粉尘过滤循环管路、粉尘过滤器、循环风机、粉尘滤芯；

所述密封腔体前后侧开有通气孔，密封腔内气体通过前侧通气孔进入粉尘过滤循环管路；

来自于密封腔内含有粉尘的气体在风机的吸力作用下经过粉尘过滤循环管路进入粉尘过滤器，经粉尘过滤器过滤的气体经过粉尘滤芯的二次过滤然后进入密封腔。

8.根据权利要求7所述和用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，其特征在于：后方循环进气口处安装有进气格栅。

9.根据权利要求1所述和用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，其特征在于：所述密封腔水平板上开有气压平衡孔以平衡上下腔体气压。

10.根据权利要求1所述和用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，其特征在于：所述激光传输系统包括光纤激光器、准直扩束镜、场镜、扫描振镜以及光学透镜；

所述准直扩束镜、场镜、扫描振镜位于密封腔体上部，光学透镜位于保护腔内部并与成形缸相对；所述光纤激光器及扫描振镜与控制系统连接；光纤激光器所发出的激光束经准直扩束镜、场镜、扫描振镜及光学透镜到达金属粉末表面从而熔化金属；所述光纤激光器功率优选800W，光束质量M2<1.2，激光束能量呈高斯分布，所述激光器工作模式为连续模式；所述扫描振镜保护罩内部设有水冷循环装置。

说明书全文

一种用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备

技术领域

[0001] 本发明涉及一种医疗用品制造技术，尤其是一种用于医用植入体制造的设备，具体地说是一种用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备。

背景技术

[0002] 目前，骨科植入假体特别是髋关节置换，已经成为整形外科投资最大、发展最突出的领域之一。据统计，全球每年有 110 万例的髋关节植入，并呈现逐年递增的趋势。因此对金属骨科植入假体技术的研究，具有重要的科学价值和社会经济价值。

[0003] 我国现在使用的植入假体以国外进口的成系列标准件为主。进口产品的设计对象为白种人，有测量数据显示，国人股骨近端解剖形态与白种人在颈干角上有显著差异性，国人的颈干角明显大于白种人。这些植入体柄的形状与我国患者的骨骼不匹配，进行手术时需要骨水泥固定，使用过程中易松动，寿命较短，给患者带来额外的术后病痛。

[0004] 此外，传统的金属骨科植入物加工方法存在以下难以克服的问题。

[0005] （1）目前植入体主流材料为钛合金，一方面，用传统方法制造钛合金难度较大，工序繁琐复杂，生产周期长，制造成本高；另一方面，铸造与机加工相结合的加工方式难以根据个体差异灵活地制造出所需的结构和尺寸。

[0006] （2）为了降低及避免植入物的远期松动，需要对植入体表面做特殊处理。传统做法多采用植入体表面涂层技术例如金属粉末喷涂、微珠或金属丝烧结、羟基磷灰石涂层等，以期与骨质之间形成相对稳定的结合面。但这些方法都存在着结合涂层与基底界面强度低，骨长上、长入困难等问题，当关节面磨损产生的碎屑逐渐增多时，将会在界面处形成骨溶解进而导致植入体松动失效。

[0007] （3）为了在术后形成良好的骨长入，需要在金属植入体与骨床接触的部位制作成类骨小梁结构层（微孔表面），以封闭造成骨溶解的介质侵入通路，有效减缓骨质退化萎缩。在植入体中添加多孔结构，在保证强度足够的情况下可减小金属的强性模量，使之与人骨的匹配，以减少应力屏蔽作用，并且由于结构上含有大量的连通性孔洞，可以促进体液的传输和新骨组织的内生长。传统的加工方法均难以加工微孔和多孔结构。

[0008] 如果能够建立一种一对一式的、与患者骨骼相匹配的、具有仿生结构的植入体柄，那么患者的使用效果必将得到改善。基于此，人们逐渐将视线转向3D打印领域，希望通过增材制造的方法实现金属骨科植入物的快速制造和个性化定制。

[0009] 激光选区熔化技术（Selective Laser Melting，SLM）是增材制造领域的重要分支，它的基本原理是：在计算机的控制下，利用聚焦激光束将金属粉末完全熔化，然后根据计算机三维模型的切片信息，由点到线、由线到面、由面到体成形金属零件。激光选区熔化技术具有如下优点：（1）激光选区熔化设备采用粉末自支撑方式，空间可达性高；
（2）激光选区熔化设备采用“离散-堆积”的制造方式，在理论上可成形任意复杂形状功的结构，尤其是微孔和多孔结构；
（3）与其他增材制造方式相比，激光选区熔化技术可以成形组织致密度高、具有完全冶金结合的金属零件。

[0010] 然而，现有的激光选区熔化设备中，大多采用存在以下问题：（1）成形尺寸较大，粉末利用率较低；
（2）采用粉末缸下铺粉的方式供粉，设备体积较大；
（3）成形腔不能实现精确的粉尘与水/氧含量检测和过滤，气氛洁净度较低。

[0011] 因此，现有的激光选区熔化设备不适合于金属骨科植入物的直接制造，急需针对金属骨科植入物的特点开发一款专用设备。

发明内容

[0012] 本发明的目的是针对现有的医用植入体不能适应个体化制造，造成制造周期长，适应性差的问题，设计一种用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备。

[0013] 本发明的技术方案是：一种用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，其特征在于它包括成形系统、粉末回收系统、铺粉系统、激光传输系统、粉尘过滤和水/氧净化双循环系统以及密封腔；所述成形系统、粉末回收系统、铺粉系统均置于密封腔体内，所述激光传输系统置于密封腔体上部，所述粉尘过滤和水/氧净化双循环系统置于密封腔外部，并通过密封腔上的通气孔与密封腔连接；所述成形系统包括成形缸、成形缸活塞、滚珠丝杠、伺服电机和光栅尺；
所述成形缸活塞内部设有加热铜板、水冷系统和温度传感器；所述铺粉系统采用上铺粉的方式铺粉；成形过程在氩气保护下进行，并设有粉尘过滤和水/氧净化双循环系统。

[0014] 所述成形缸活塞与光栅读数头固定连接，所述成形缸与标尺光栅固定连接伺服电机与标尺光栅配合形成闭环控制，使成形缸活塞定位精度达到5μm。

[0015] 所述成形缸活塞包括活塞底板、连接法兰、铺粉基板、铜加热板、水冷通道、聚四氟乙烯隔热垫和温度传感器；所述铜加热板置于活塞底板之上，通过螺纹孔与活塞底板固定，所述铜加热板与活塞底板之间用聚四氟乙烯隔热垫隔开，并与其上方的铺粉基板有2-4mm的间隙；所述水冷通道置于铜加热板外侧并用○型密封圈密封；所述温度传感器与控制系统相连，以实现粉层的高温预热和温度的实时监测。

[0016] 所述铺粉系统包括铺粉料斗、滚珠丝杠、刮刀和电磁阀；所述铺粉料斗置于成形缸上方，由滚珠丝杠驱动，左右运动；所述刮刀安装于铺粉料斗出口端一侧，在铺粉料斗运动的同时对粉末进行刮平和压实；所述电磁阀安装于铺粉料斗开口处，并与控制系统相连以控制开口的开度大小。

[0017] 所述密封腔体前后左右各开有通气口；所述左右两侧通气孔与气体净化系统相连，形成水/氧净化循环，前后两侧通气孔与粉尘过滤系统相连，形成粉尘过滤循环。

[0018] 所述水/氧净化系统包括粉尘滤芯、气体循环管路、电磁阀、水含量传感器、氧含量传感器、真空泵、水/氧净化器、氩气储气罐；所述密封腔前后左右开有通气口以及氩气补充进气口，密封腔内气体通过右侧通气孔进入气体循环管路；所述气体循环管路出口处安装有电磁阀用以控制气体循环的通断；所述气体循环管路出口处安装有水含量传感器和氧含量传感器，所述水含量传感器和氧含量传感器检测精度可达0.1ppm。

[0019] 所述粉尘过滤系统包括粉尘过滤循环管路、粉尘过滤器、循环风机、粉尘滤芯。所述密封腔体前后侧开有通气孔，密封腔内气体通过前侧通气孔进入粉尘过滤循环管路；来自于密封腔内含有粉尘的气体在风机的吸力作用下经过粉尘过滤循环管路进入粉尘过滤器，经粉尘过滤器过滤的气体经过粉尘滤芯的二次过滤然后进入密封腔。

[0020] 后方循环进气口处安装有进气格栅。

[0021] 所述密封腔水平板上开有气压平衡孔以平衡上下腔体气压。

[0022] 所述激光传输系统包括光纤激光器、准直扩束镜、场镜、扫描振镜以及光学透镜；所述准直扩束镜、场镜、扫描振镜位于密封腔体上部，光学透镜位于保护腔内部并与成形缸相对；所述光纤激光器及扫描振镜与控制系统连接；光纤激光器所发出的激光束经准直扩束镜、场镜、扫描振镜及光学透镜到达金属粉末表面从而熔化金属；所述光纤激光器功率优选800W，光束质量M2<1.2，激光束能量呈高斯分布，所述激光器工作模式为连续模式；所述扫描振镜保护罩内部设有水冷循环装置。

[0023] 本发明的有益效果：（1）本发明采用“离散-堆积”的思想，由点到线、由线到面、由面到体成形金属零件可以实现人工关节的快制造和个性化定制。

[0024] （2）本发明可以成形微孔、多孔、生物通道等仿生结构。

[0025] （3）成形尺寸较与髋关节相匹配，粉末利用率较高。

[0026] （4）成形腔能实现精确的粉尘与水/氧含量检测和过滤，气氛洁净度较高，特别适合于对制造环境要求高的人工关节的制造。

[0027] （5）所述水/氧净化系统间歇性工作，既能满足气体过滤的要求又借阅氩气和能源。

[0028] （6）本发明可以实现粉层的高温预热及预热温度的实时监测。

[0029] （7）本发明可以成形钛基、镁基、铁基、陶瓷基等材料，成形材料广泛，工艺柔性高。

[0030] （8）与其他增材制造方式相比，激光选区熔化技术可以成形组织致密度高、具有完全冶金结合的金属零件。

[0031] （9）零件成形结束时粉末回收缸在步进电机的驱动下上升，方便回收多余的粉末。

[0032] （10）采用上铺粉的供粉形式，结构紧凑，所占空间小，可放置于桌面上使用。

附图说明

[0033] 图1是本发明的结构示意图。

[0034] 图2是图1在A-A处的剖视图。

[0035] 图3是粉尘过滤和水/氧净化双循环系统示意图。

[0036] 图4是本发明工作流程图。

[0037] 图5是成形缸活塞结构图。

具体实施方式

[0038] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

[0039] 一种用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，如图1所示，包括：成形缸伺服电机1、成形缸滚珠丝杠2、成形缸活塞3、成形缸4、刮刀5、料斗电磁阀6、右通气孔7、料斗8、密封腔压力传感器9、密封腔温度传感器10、氩气补充进气口11、振镜组件12、准直扩束镜及场镜13、光纤激光器14、料斗滚珠丝杠15、料斗驱动电机16、左通气孔17、后进气栅格18、粉末回收活塞19、粉末回收缸20、粉末回收缸滚珠丝杠21、粉末回收缸步进电机22、密封腔23、光栅读数头24、标尺光栅25。

[0040] 图2是图1在A-A处的剖视图，包括烟尘收集管26、气压平衡孔27、成形腔水平板28。

[0041] 图3是粉尘过滤和水/氧净化双循环系统示意图，包括水/氧过滤器31、氩气储气罐32、真空泵单向阀33、真空泵34、水含量传感器35、氧含量传感器36、管路阀37、滤芯38、进气栅格18、循环风机39、粉末过滤器40、密封腔23。

[0042] 所述成形系统由成形缸伺服电机1、成形缸滚珠丝杠2、成形缸活塞3、成形缸4组成；所述粉末回收系统由粉末回收缸19、粉末回收活塞20、粉末回收缸滚珠丝杠21、粉末回收缸步进电机22组成；所述铺粉系统由刮刀5、料斗电磁阀6、料斗滚珠丝杠15、料斗驱动电机16组成；所述激光传输系统由振镜组件12、准直扩束镜及场镜13、光纤激光器14组成；所述气体净化系统由水/氧过滤器31、氩气储气罐32、真空泵单向阀33、真空泵34、水含量传感器34、氧含量传感器36、管路阀37组成；所述粉尘过滤系统由滤芯38、进气栅格18、循环风机39、粉末过滤器40、密封腔23组成。

[0043] 所述成形缸4与粉末回收缸19安装于密封腔23内部，二者顶部与成形腔水平板28上表面平齐。所述成形缸活塞3安装于成形缸4内部，其底部与成形缸滚珠丝杠2通过螺纹连接，成形缸滚珠丝杠2底部与成形缸伺服电机1相连。所述成形缸活塞3在成形缸伺服电机1的驱动下可以沿成形缸4侧壁上下运动。

[0044] 所述粉末回收活塞20安装于粉末回收缸19内部，其底部与粉末回收缸滚珠丝杠21通过螺纹连接，粉末回收缸滚珠丝杠21底部与粉末回收缸步进电机22相连。所述粉末回收活塞20在粉末回收缸步进电机22的驱动下可以沿粉末回收缸19侧壁上下运动。

[0045] 所述料斗8安装于密封腔23内部的料斗滚珠丝杠15上，料斗8底部开有出粉口，所述出粉口由料斗电磁阀6控制开度。所述出粉口右侧安装有刮刀5。所述料斗8连同刮刀5在料斗滚珠丝杠15的驱动下可实现左右运动，从而实现铺粉动作。

[0046] 成形过程中，控制系统根据上位机的切片信息，向成形缸伺服电机1发出指令，成形缸伺服电机1在光栅读数头24和标尺光栅25的配合下，下降一个切片厚度。

[0047] 开启粉尘过滤系统和气体净化系统之前，关闭所有管路阀门，启动真空泵34，对密封腔23抽真空，当密封腔压力传感器9显示密封腔23内部压力低于0.08MPa时，关闭真空泵34。然后打开氩气储气瓶开关向密封腔23内通入氩气，并打开所有管路阀门，启动循环风机
39、粉尘过滤器40和水/氧过滤器31。当密封腔压力传感器9显示密封腔23内部压力为
0.12MPa时关闭氩气开关停止通入氩气。当密封腔23内氧含量低于设定阈值时，关闭水/氧过滤器31。

[0048] 按照本实施例操作，所述水/氧净化系统间歇性工作，既能满足气体过滤的要求又节约氩气和能源。

[0049] 图5是成形缸活塞结构图，包括连接法兰41、成形缸活塞下板42、聚四氟乙烯隔热垫43、成形缸活塞上板44、石棉隔热垫45、铜加热板46、成形基板47、O型防水密封圈50。

[0050] 所述铜加热板46一侧留有两个电源接口49，内置温度传感器。所述成形缸活塞下板42开有密封环槽48。所述连接法兰开有圆形水冷凹槽51。

[0051] 所述连接法兰41与成形缸活塞下板42通过螺纹连接。所述石棉隔热垫43置于成形缸活塞下板42凹槽内，其上方安装铜加热板46，两侧安装聚四氟乙烯隔热垫43。所述成形缸活塞上板44与成形缸活塞下板44通过螺纹连接，内部开有凹槽以容纳铜加热板46。所述成形基板47通过连接螺栓与成形缸活塞上板44连接。为了防止成形缸粉末漏入成形缸活塞3下部，所述成形缸活塞下板42开有密封环槽48，用以安装防尘密封圈。所述连接法兰开有环形水冷凹槽51，所述水冷凹槽51与成形缸活塞下板42形成密闭空间。所述环形水冷凹槽51内外两侧分别开有环形凹槽，用以安装O型防水密封圈50。

[0052] 所述铜加热板46接220V交流电源。铜加热板46内部温度传感器将采集到的温度信息作为反馈信号传送到控制系统形成，控制系统PID控制方式控制加热时间使得基板预热温度稳定在150℃。所述环形水冷凹槽51接入水冷循环，用以控制预热温度，同时减少传递到滚珠丝杠2上的热量。

[0053] 图4是本发明工作流程，具体步骤如下：（1）通过CT断层扫描直接建模或者采用三维测量逆向建模的方式获取髋关节三维CAD模型；
（2）对三维CAD模型进行切片处理，得到n层切片轮廓信息，再对二维CAD模型进行轨迹规划，得到扫描路径信息。将所得轨迹信息存入激光选区熔化专用设备上位机。

[0054] （3）清理密封腔残余粉尘，向料斗加入金属粉末粉末，其质量是最终成形零件质量的1.5-2倍。

[0055] （4）开启粉尘过滤系统和气体净化系统。

[0056] （5）将成形系统、粉末回收系统、铺粉系统复位，即上位机控制程序将成形缸活塞3上升到与成形腔水平板28上表面平齐的位置，上升距离由限位开关控制；将粉末回收活塞20下降到粉末回收缸19底部，下降距离由限位开关控制；将料斗8移动到最右端，移动距离由限位开关控制。

[0057] （6）成形缸活塞3在上位机控制程序和光栅读数头24和标尺光栅25的控制下下降1个切片厚度。

[0058] （7）料斗电磁阀6打开，料斗8从右到左运动，刮刀5将粉层铺平并压实，并将多余的粉末刮到粉末回收缸19内，完成一次铺粉后料斗电磁阀6关闭。

[0059] （8）扫描振镜12根据（2）中得到的路径信息在控制系统的控制下对粉层进行一次扫描成形。

[0060] （9）成形缸活塞3下降1个切片厚度。

[0061] （10）料斗8复位，即从左到右运动到初始位置。

[0062] （11）重复（9），进入下一个成形循环直到n层切片全部扫描完成。

[0063] （12）关闭循环风机39、粉尘过滤器40。

[0064] （13）采用点动模式将成形缸4和粉末回收缸19上升适当的高度以便取出工件和回收粉末。零件成形完成后，所述成形缸和粉末回收缸由手动控制其上升，便于取出工件和回收粉末。

[0065] 上述施例是本发明较佳的实施方式，但是本发明的实施方式并不受上述实施例限制，其他任何未违背本发明精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

[0066] 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

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