本发明涉及3d打印医疗器械应用
技术领域：
，特别涉及双激光冲击锻打钛合金小腿骨折固定器制造装置和方法。
背景技术：
：近年来，随着全球人口老龄化不断加剧以及老人意外伤害事故增加，骨科疾病呈现多样化及复杂化的态势，但传统内固定植入物越来越不能适应个体治疗的需求。钛合金材料由于具有密度低、比强度高、机械性能好等特性，同时其具有优异的耐腐蚀性与极佳的生物相容性，被广泛应用于生物医疗器械。随着激光技术与智能制造技术的飞速发展，基于增材制造原理的3d打印技术因成型速度快、精度高等优点而被广泛应用于生物医疗、航空航天以及汽车制造等诸多领域。同时因为激光熔覆3d打印技术作为整个3d打印体系中最为前沿和最具潜力的技术，因此为个性化骨折固定器制造提供了一条快速、柔性、低成本、高性能、短周期的新途径。但是现有技术的单纯激光熔覆3d成形工艺存在较多技术问题，包括：(1)内部缺陷：工艺参数、外部环境、熔池熔体状态的波动及变化、扫描填充轨迹的变换等，都可能在零件内部局部区域产生各种特殊的内部冶金缺陷，例如，气孔、未熔合、裂纹和缩松内部缺陷等。而内部缺陷是承力结构件致命的疲劳萌生源，最终影响成形零件的内部质量、力学性能及构件的服役使用安全。(2)热应力与变形开裂：3d打印成形是一个“逐点扫描熔化-逐线扫描搭接-逐层凝固堆积”的不断循环过程，零件截面不同部位传热效率不同，芯部材料冷却较慢，表层材料冷却较快。在这种强约束下移动熔池的快速凝固收缩、循环加热及非均匀冷却下的非平衡固态相变过程中，零件内产生复杂热应力、组织应力及应力集中和变形，严重影响零件几何尺寸和力学性能，导致零件严重翘曲变形和开裂。现有技术中，小腿骨折固定器表面没有考虑骨头曲面的贴合情况，造成骨头与固定器表面以局面突出点之间进行接触，以“点”接触方式作为受力状态，因此压强较大，容易形成应力集中，这是固定器的疲劳源，最终导致固定器的疲劳寿命短。同时，由于每个人的人体情况差异很大，通用的钛合金人体植入固定器常常存在残余应力高、疲劳寿命短、力学性能差等缺陷，因此容易发生疲劳断裂问题，强度与韧性不能很好地满足长期使用要求，甚至有些患者在使用2个月则发生疲劳断裂，给患者带来无比的痛苦并且显著增加了医疗成本。因此，为了进一步改善钛合金植入固定器的性能，更彻底地消除其内部的残余应力、变形、微裂纹等缺陷具有极其重要的意义。技术实现要素：本发明的主要目的是提出一种双激光冲击锻打钛合金小腿骨折固定器制造装置，本发明还提出一种双激光冲击锻打钛合金小腿骨折固定器制造装置的制造方法，旨在解决钛合金小腿骨折固定器容易疲劳断裂、制造周期长以及制造困难的技术问题。为实现上述目的，本发明提出的双激光冲击锻打钛合金小腿骨折固定器制造装置，包括工作台，工作台顶面放置有工件，工件上方设置有激光熔覆系统产生出一束连续激光利用热效应对钛合金粉末进行熔覆成形，工件侧部上方设置有激光冲击强化系统对熔覆成形的熔覆层进行冲击锻打，工件上方还设有送粉系统将钛合金粉末连续运送至已锻打后的熔覆层顶面。优选地，所述制造装置设有惰性气体保护系统释放惰性气体保护钛合金粉末的熔覆成型以及冲击锻打过程。优选地，所述制造装置设有智能检测控制系统检测熔覆成型和冲击锻打的光束功率、光束移动速度、脉冲宽度、光斑大小。优选地，所述激光熔覆系统为熔覆激光器，所述激光冲击系统为lsptprocudo200的激光器，所述智能检测控制系统包括非接触式传感器和发布指令以及接收处理各单元反馈数据的控制器。本发明还提出一种使用所述的双激光冲击锻打钛合金小腿骨折固定器制造装置的制造方法，包括以下步骤：s1：对患者体内患处关节进行ct扫描，获得分层断面数据，根据ct数据重构三维曲面；s2：所述激光熔覆系统通过高能激光束利用热效应对钛合金粉末熔化，然后在工件顶面熔覆三维曲面成型，同时激光冲击系统利用冲击波力学效应，对处于合适温度范围内的熔覆层进行冲击锻打；s3：逐层堆叠熔覆层形成固定器工件，同时智能检测系统对加工状态实时检测监控，调整双激光加工过程中的各项参数以提高加工质量和效率。优选地，所述步骤s1采用ct扫描技术，获得患者体内骨折部位三维参数，重建三维影像模型，将三维模型导入分析软件，通过材料特性、收缩比将模型分层切片处理，得到分层端面数据以及每层截面的扫描路径信息，将数据输入智能3d打印系统。优选地，所述步骤s2在惰性气氛保护下进行。优选地，所述步骤s2中，两束不同功能的激光束在熔覆成形和冲击锻打过程中始终同步同向移动，直至整个固定器工件熔覆完成，根据冲击锻打温度和熔覆速度，设定两束激光束之间距离小于1mm，根据熔池温度冷却结晶速度，设定两束激光束开始时间间隔小于1s。优选地，所述步骤s2中，温度场由非接触式温度场测量仪在线监测与控制，根据钛合金材料特性，短脉冲激光在熔覆层高温时进行冲击锻打控制工件内部缺陷与内应力分布；在常温冲击强化改变应力集中区残余应力分布，残余应力值达到-800mpa，深度大于1mm，疲劳寿命提高3倍以上。优选地，所述智能检测系统对加工状态进行实时检测监控，调整双激光工艺参数以及送粉速度。本发明技术方案相对于现有技术具有以下优点：本发明技术方案采用双激光束同时复合制造工艺，其中一束连续激光利用热效应对钛合金粉末进行熔覆成形，而另一束短脉冲激光利用冲击波力学效应对熔覆区的材料进行同步冲击锻打，进行复合制造，逐层堆叠熔覆区材料以形成工件。本发明技术方案通过熔覆成形和塑性冲击锻打两项工艺，既能有效提成零件加工效率，也保证成形质量，从而有效解决钛合金固定器熔覆成形的制造效率和质量之间的矛盾。与此同时，本发明所公开的双激光冲击锻打钛合金小腿骨折固定器制造装置和方法充分利用了热效应和冲击波力学效应，同时同步耦合工作，根据不同患处建造适合不同患者实际情况的固定器，因此能够更好地消除或者减轻固定器的残余应力、变形、组织缺陷和裂纹等不利因素，实现真正的高强度低应力增材制造，可避免或降低残余应力导致的疲劳寿命短的技术问题，提高疲劳寿命，具有极大的经济效益和社会效应。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1为本发明双激光冲击锻打钛合金小腿骨折固定器制造装置的结构示意图。附图标号说明：标号名称标号名称1工作台5钛合金粉末2工件6送粉系统3激光冲击系统7智能检测控制系统4激光熔覆系统8惰性气体保护系统本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。本发明提出一种双激光冲击锻打钛合金小腿骨折固定器制造装置。请参见图1，本发明实施例的双激光冲击锻打钛合金小腿骨折固定器制造装置包括工作台1，工作台1顶面放置有工件2，工件2上方设置有激光熔覆系统4产生出一束连续激光利用热效应对钛合金粉末5进行熔覆成形，工件2侧部上方设置有激光冲击系统3对熔覆成形的熔覆层进行冲击锻打，工件2上方还设有送粉系统6将钛合金粉末5连续运送至已冲击锻打后的熔覆层顶面。本实施例中，制造装置设有惰性气体保护系统8释放惰性气体保护钛合金粉末的熔覆成型以及冲击锻打过程，另外还设有智能检测控制系统7检测熔覆成型和冲击锻打的光束功率、光束移动速度、脉冲宽度、光斑大小。本发明实施例中，激光熔覆系统4为熔覆激光器，激光冲击系统3为lsptprocudo200的激光器，智能检测控制系统7包括非接触式传感器和发布指令以及接收处理各单元反馈数据的控制器。本发明还提出一种使用双激光冲击锻打钛合金小腿骨折固定器制造装置的制造方法，包括以下步骤：s1：对患者体内患处关节进行ct扫描，获得分层断面数据，根据ct数据重构三维曲面；s2：激光熔覆系统通过高能激光束利用热效应对钛合金粉末熔化，然后在工件顶面熔覆三维曲面成型，同时激光冲击系统利用冲击波力学效应，对处于合适温度范围内的熔覆层进行冲击锻打；s3：逐层堆叠熔覆层形成固定器工件，同时智能检测系统对加工状态实时检测监控，调整双激光加工过程中的各项参数以提高加工质量和效率。本实施例中，上述步骤s1采用ct扫描技术，获得患者体内骨折部位三维参数，重建三维影像模型，将三维模型导入分析软件，通过材料特性、收缩比将模型分层切片处理，得到分层端面数据以及每层截面的扫描路径信息，将数据输入智能3d打印系统。本实施例中，上述步骤s2在惰性气氛保护下进行。本实施例中，上述步骤s2中，两束不同功能的激光束在熔覆成形和冲击锻打过程中始终同步同向移动，直至整个固定器工件熔覆完成。优选地，根据冲击锻打温度和熔覆速度，设定两束激光束之间距离小于1mm，根据熔池温度冷却结晶速度，设定两束激光束开始时间间隔小于1s。本实施例中，上述步骤s2中，温度场由非接触式温度场测量仪在线监测与控制，根据钛合金材料特性，短脉冲激光在熔覆层高温时进行冲击锻打控制工件内部缺陷与内应力分布；在常温冲击强化改变应力集中区残余应力分布，残余应力值达到-800mpa，深度大于1mm，疲劳寿命提高3倍以上。本实施例中，智能检测系统对加工状态进行实时检测监控，调整双激光工艺参数以及送粉速度。本发明实施例双激光冲击锻打钛合金小腿骨折固定器制造方法的工作原理为：首先通过ct扫描技术获得患者体内骨折部位处的三维参数，然后重建三维影像模型，将三维模型导入分析软件中，并且根据材料特性、收缩比等参数，将模型分层切片处理，以得到分层断面数据以及每层截面的扫描路径信息，再将扫描路径信息输入智能3d打印系统中。在惰性气氛的保护下，激光熔覆系统通过高能激光束利用热效应进行熔覆三维曲面成形，与此同时，激光冲击系统利用冲击波力学效应，对处于合适温度范围内的熔覆材料进行冲击锻打，以同时进行熔覆成型以及冲击锻打的复合制造工作。在熔覆和强化过程中，两束不同功能的激光束始终同步同向进行移动，并直至整个固定器熔覆完成。在空间位置上，根据冲击锻打适宜温度和熔覆速度决定了两束激光束之间距离小于1mm，在作用时间上，熔池温度的冷却结晶速度极高，决定了两束激光束开始作用时间间隔在1s以内，最终使得两束激光在整个零件的制造过程中始终同步工作。通过惰性气体的保护下使得钛合金物不容易发生氧化。在上述的熔覆成型以及冲击锻打工作过程中，温度场由非接触式温度场测量仪在线检测与控制，根据钛合金材料的特性，短脉冲激光在熔覆层高温时进行冲击锻打控制工件内部缺陷与内应力分布。在常温冲击强化改变应力集中区残余应力分布，使得残余应力值得到-800mpa，深度大于1mm，疲劳寿命提高3倍以上。在激光逐层堆叠熔覆层形成工件时，智能检测系统对加工状态进行实时检测监控，调整双激光工艺参数以及送粉速度等各项参数以提高加工质量以及效率。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的
技术领域：
均包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12