Tc4钛合金镂空人造骨的选区激光熔化成形方法
【技术领域】
[0001]本发明属于TC4钛合金人造骨制造技术领域，具体涉及一种TC4钛合金镂空人造骨的选区激光熔化成形方法。
【背景技术】
[0002]人造骨是一种具有生物功能的新型材料，它可以依靠从人体体液补充某些离子形成新骨，在骨骼结合界面发生分解、吸收、析出等反应，实现骨骼的牢固结合。TC4钛合金具有耐腐蚀性好、弹性好、强度高、稳定性高等特点，同时也具有优异的生物相容性，与人长期接触以后也不改变其本质，不会造成人类的过敏反应。新的骨头可以贴合在TC4钛合金上，可和人骨密切结合，它也是唯一对人类植物神经和味觉没有任何影响的金属，所以TC4钛合金是最好的人造骨材料，在医学上具有独特的用途。
[0003]传统TC4钛合金人造骨的制备技术主要采用精铸，其主要的步骤包括:模具设计与制造、精铸、脱模、后期处理等。而其中模具设计与制造环节时间周期非常长，并且这种方法难以实现生物人造骨的个性化和定制化；同时，人造骨由于植入人体，需要一些镂空网格结构从而实现与人体的完全融合，这些结构通过传统加工方法根本无法实现。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种TC4钛合金镂空人造骨的选区激光熔化成形方法，是一种个性化，制备周期短，加入镂空网格结构，力学性能优异的TC4钛合金人造骨选区激光熔化成形方法。
[0005]本发明所采用的技术方案是，TC4钛合金镂空人造骨的选区激光熔化成形方法，包括以下步骤:
[0006]步骤1:通过现有的三维建模软件，设计TC4钛合金人造骨的CAD模型；或者采用传统逆向反求方法，获得TC4钛合金人造骨的三维模型；
[0007]步骤2:采用商用三维设计软件对人造骨的三维模型进行镂空结构设计，选择合适的区域加入镂空网格结构，增加人造骨与人体的相容性；
[0008]步骤3:采用商用剖分软件对具有镂空结构的人造骨三维模型进行分层离散，将人造骨三维模型转化成二维切片模型，得到一层层的截面轮廓数据，并根据轮廓数据生成相应的加工程序；
[0009]步骤4:将人造骨选区激光熔化加工程序导入商用金属选区激光熔化成形设备中；
[0010]步骤5:将成形基材固定在选区激光熔化成形设备的成形缸上，TC4钛合金粉末放入粉末缸中，并向成形室中充入氩气，充入的氩气纯度不低于99.99%，保持成形室中氧含量浓度在8-10ppm的范围内；
[0011 ] 步骤6:送粉装置将TC4钛合金粉末送至成形缸上，铺粉装置将足够的TC4钛合金粉末均匀的铺在成形缸的基材上，多余的粉末送至收粉缸内；
[0012]步骤7:激光根据人造骨选区激光熔化加工程序选择性的照射在金属粉末上，被照射上的粉末熔化，凝固形成实体，单层激光扫描结束后形成人造骨的单层截面；
[0013]步骤8:成形缸下降一层的高度，重复步骤6和7，金属粉末逐层熔化，层层叠加，直至人造骨完全堆积成形；
[0014]步骤9:向成形室中充入氩气，直至成形室中压强达到一个大气压，然后打开成形室，将未使用的TC4钛合金粉末回收，得到成形好的TC4钛合金人造骨。
[0015]本发明的特点还在于，
[0016]其中的步骤7中，激光功率为200-400W，扫描速度为1000-1500mm/s，供粉量为
0.05-0.18mm/层，单层层高为0.02-0.06mm，成形室内氩气循环风速控制电压为2.0-3.0V。
[0017]其中的步骤7中，激光对金属粉末进行层间错开扫描，每层轮廓单独进行扫描。
[0018]其中的TC4钛合金粉末的粒度为+150目到-200目，颗粒尺寸为75 μ m。
[0019]其中的商用金属选区激光熔化成形设备的激光器为400W-1000W的0)2激光器或者光纤激光器。
[0020]其中的送粉装置为可升降的送粉缸，其中的铺粉装置为刮刀。
[0021]其中的镂空结构为网格结构、带蒙皮网格结构或异型曲面蒙皮网格结构。
[0022]本发明与现有技术相比，具有如下优势和有益效果:
[0023]1.本发明采用该成形工艺可以满足人造骨的个性化要求，可以实现具有镂空网格结构的人造骨的加工，并且极大的缩短了制造周期。
[0024]2.采用本发明方法成形出的钛合金人造骨内部组织均匀、尺寸精度高，表面质量好，力学性能优异，尺寸精度可控制在±0.1mm以内，能满足植入人体的力学性能要求。
[0025]3.采用本发明方法制备的TC4钛合金人造骨结构可以很复杂，较容易实现骨骼中的镂空网格结构设计，在不影响使用效果的前提下可以减轻人造骨重量，提高人造骨的生物相容性，更便于患者使用。
【附图说明】
[0026]图1是本发明的流程不意图；
[0027]图2是股骨镂空区域的网格结构示意图；
[0028]图3是盆骨镂空区域带蒙皮的网格结构示意图；
[0029]图4是锁骨镂空区域带异型曲面蒙皮的网格结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图及【具体实施方式】对本发明进行进一步的详细描述，但本发明可制备的TC4钛合金人造骨结构不限于此。
[0031]本发明TC4钛合金镂空人造骨的选区激光熔化成形方法，具体包括如下步骤:
[0032]步骤1:通过现有的三维建模软件，设计TC4钛合金人造骨的CAD模型；或者采用传统逆向反求方法，获得TC4钛合金人造骨的三维模型；
[0033]步骤2:采用商用三维设计软件对人体骨骼的三维模型进行镂空结构设计，选择合适的区域加入镂空网格结构，增加人造骨与人体的相容性；
[0034]步骤3:采用商用剖分软件对具有镂空结构的人造骨三维模型进行分层离散，将人造骨三维模型转化成二维切片模型，得到一层层的截面轮廓数据，并根据轮廓数据生成相应的加工程序；
[0035]步骤4:将人造骨选区激光熔化程序导入商用金属选区激光熔化成形设备中；
[0036]步骤5:将成形基材固定在选区激光熔化成形设备的成形缸上，TC4钛合金粉末放入粉末缸中，并向成形室中充入氩气，充入的氩气纯度不低于99.99%，保持成形室中氧含量浓度在8-10ppm的范围内；
[0037]步骤6:送粉装置将TC4钛合金粉末送至成形缸上，铺粉装置将足够的TC4钛合金粉末均匀的铺在成形缸的基材上，多余的粉末送至收粉缸内；
[0038]步骤7:激光根据人造骨选区激光熔化加工程序选择性的照射在金属粉末上，被照射上的粉末熔化，凝固形成实体，单层激光扫描结束后形成人造骨的单层截面；
[0039]步骤8:成形缸下降一层的高度，重复步骤6和7，金属粉末逐层熔化，层层叠加，直至人造骨完全堆积成形；
[0040]步骤9:向成形室中充入氩气，直至成形室中压强达到一个大气压，然后打开成形室，将未使用的TC4钛合金粉末回收，取出成形好的TC4钛合金人造骨。
[0041]成形过程中的工艺参数是通过正交试验获得，通过设计激光功率、扫描速度、供粉量和单层层高等参数的正交试验，采用传统金相法、三维尺寸扫描法和室温拉伸等方法检测实验零件的内部组织、尺寸和表面精度以及力学性能，对比各项数据，最终获得最优成形工艺参数。
[0042]TC4钛合金人造骨通过工艺参数实验，获得最优工艺参数为激光功率为200-400W，扫描速度为1000-1500mm/s，供粉量为0.05-0.18mm/层，单层层高为0.02-0.06mm,成形室内氩气循环风速控制电压为2.0-3.0V。在该工艺条件下，可以实现TC4钛合金区域镂空的人造骨的选区激光熔化成形，成形出的TC4钛合金人造骨的表面精度可以达到Ra6.3左右，尺寸精度可以达到±0.1mm，并且可以获得优异的力学性能，室温拉伸性能可以达到锻件标准(抗拉强度彡895MPa，屈服强度彡825MPa，延伸率彡8?10% )。
[0043]TC4钛合金粉末的粒度为+150目到-200目，颗粒尺寸约为75 μ m。
[0044]商用金属选区激光熔化成形设备的激光器应为400W-1000W的C02激光器或者光纤激光器，其他参数的范围应包含人造骨选区激光成形工艺参数的范围。
[0045]送粉装置、铺粉装置、成形缸和激光器的操作均由设备的控制机构实现。
[0046]送粉装置为可升降的送粉缸；铺粉装置为刮刀。
[0047]步骤2中，可实现的镂空结构包括网格结构、带蒙皮网格结构和异型曲面蒙皮网格结构等。
[0048]步骤7中，激光对金属粉末进行层间错开扫描，每层轮廓单独进行扫描，以保证成形表面的精度和强度。
[0049]实施例1
[0050]按照图1所示的步骤，本TC4钛合金人造股骨的选区激光熔化方法，具体包括如下步骤:
[0051](1)通过现有的三维建模软件，设计TC4钛合金人造股骨的CAD模型；或者采用传统逆向反求方法，获得TC4钛合金人造股骨的三维模型；
[0052](2)采用商用三维设计软件对人造股骨的三维模型进行镂空结构设计，选择合适的区域加入镂空网格结构，增加人造股骨与人体的相容性；
[0053](3)采用商用剖分软件对具有镂空结构的人造股骨三维模型进行分层离散，将人造股骨三维模型转化成二维切片模型，得到一层层的截面轮廓数据