层压成型的多孔部件的一步制造方法与流程

本发明涉及层压成型的多孔部件的一步制造方法，更具体地，涉及使用层压成型技术通过一步来制造具有基材层和多孔层的多孔部件的方法，涉及用于增大植入物的骨接触率的多孔部件的制造工艺。

背景技术：

植入物是指通过将人造材料或天然材料植入丢失部分以补偿生物组织的丢失来重建形状或替代功能的材料。一般来说，在牙科或骨科中，植入物是指代替人体硬组织的生物材料，并且自从1960年代中期以来，与牙齿植入物有关的研究一直在积极进行。

选用高强度、高硬度、低生物毒性的金属材料作为植入物材料。尤其是钛和钛合金，作为具有优异生物相容性的材料，不仅对周围组织具有良好的生物相容性，而且具有较大的耐腐蚀性和较小的生物毒性。因此，在有关植入物的研究的早期阶段，钛或钛合金通过简单的机械加工而用作植入物。

植入物只有在与现有的生物组织相容时才能被植入到丢失的部分，因此大多数植入物表面都涂有生物组织粘合剂。特别是，骨粘合剂是诱导骨组织快速再生的粘合剂，其已在骨科领域用于复杂的骨折修复和由于交通事故等而经常发生的人工关节手术，以及在牙科用于非再生性牙本质修复。

然而，涂覆在表面上的生物活性物质溶解太快，并且在涂覆过程中产生的高温使得很难期望涂覆材料的效果。此外，据报道，从涂层脱落的物质可能干扰骨骼的结合，或可能导致副作用，如炎症。

为了解决这个问题，已提出了一种即使在没有粘合剂的情况下，在表面涂覆具有多孔结构的植入物以改善骨骼生长的方法，并且使用此方法的产品已经发布。

然而，这种方法在植入物和多孔结构之间的结合方面也存在问题，并且需要增加制造单独的多孔结构，然后将其附接到植入物的工艺，这降低了生产率，并增加了植入物的制造成本。

近来已积极进行的3d打印，可能是一个可以解决这个问题的替代措施。通过使用3d打印，可以层压成型金属材料，例如通常用作植入物的材料的钛，因此可以使用这种方法开发新的植入物。

技术实现要素：

为了解决这些问题，本发明的一个目的是提供一种通过一步层压成型来制造具有基材层和多孔层的多孔部件的方法。

本发明的另一个目的是提供一种当制造包括多孔部件的产品时减少加工时间并控制多孔层的形状和大小的方法。

本发明要实现的技术目的不限于上述的技术问题，本领域技术人员将从以下说明书中清楚地理解本文中未描述的其他的技术目的。

为了实现这些目的，本发明的实施例提供一种层压成型的多孔部件的一步制造方法，方法包括以下步骤：层堆金属颗粒；通过向层堆的金属颗粒照射激光来反复地熔化和冷却金属颗粒，从而形成基材层；通过在照射激光的同时调整列距离(hatchdistance)和点距离以在基材层上形成具有预定直径d的激光照射点，从而形成第一多孔层；在第一多孔层上层堆与所述金属颗粒相同的金属颗粒；以及通过在照射激光的同时调整列距离和点距离以在第一多孔层上形成具有预定直径d的激光照射点，从而形成第二多孔层。

在本发明的实施例中，金属颗粒可以是选自钛(ti)、钛(ti)基合金、钴(co)、钴(co)基合金、镍(ni)、镍(ni)基合金、锆(zr)、锆(zr)基合金、钡(ba)、钡(ba)基合金、镁(mg)、镁(mg)基合金、钒(v)、钒(v)基合金、铁(fe)、铁(fe)基合金以及它们的混合物的组中的一种或多种。

在本发明的实施例中，在形成基材层的步骤和形成第一多孔层的步骤中，激光的能量可以等于或大于金属颗粒的完全熔化能量。

在本发明的实施例中，在形成第一多孔层的步骤和形成第二多孔层的步骤中，列距离和点距离可以大于激光照射点的直径d。

在本发明的实施例中，激光照射点的直径d可以与激光的光源功率(sourcepower)和曝光时间成正比，曝光时间可以与激光的扫描速度成反比。

在本发明的实施例中，激光的光源功率可以是50w到1kw，扫描速度可以是0.1m/s到8m/s。

在本发明的实施例中，列距离和点距离可以分别是100μm到1000μm。

在本发明的一个实施例中，第一多孔层可以是凹印的。

为了实现这些目的，本发明的一个实施例提供一种层压成型的多孔部件的一步制造方法，方法包括以下步骤：层堆金属颗粒；通过向层堆的金属颗粒照射激光来反复地熔化和冷却金属颗粒，从而形成基材层；在基材层上层堆与所述金属颗粒相同的金属颗粒；通过在照射激光的同时调整列距离和点距离以在层堆在基材层上的金属颗粒上形成具有预定直径d的激光照射点，从而形成第一多孔层；在第一多孔层上层堆与所述金属颗粒相同的金属颗粒；以及通过在照射激光的同时调整列距离和点距离以在层堆在第一多孔层上的金属颗粒上形成具有预定直径d的激光照射点，从而形成第二多孔层。

在本发明的另一个实施例中，金属颗粒可以是选自钛(ti)、钛(ti)基合金、钴(co)、钴(co)基合金、镍(ni)、镍(ni)基合金、锆(zr)、锆(zr)基合金、钡(ba)、钡(ba)基合金、镁(mg)、镁(mg)基合金、钒(v)、钒(v)基合金、铁(fe)、铁(fe)基合金以及它们的混合物的组中的一种或多种。

在本发明的另一个实施例中，在形成基材层的步骤中，激光的能量可以等于或大于金属颗粒的完全熔化能量。

在本发明的另一个实施例中，在形成第一多孔层的步骤和形成第二多孔层的步骤中，激光的能量可以在等于或小于金属颗粒的完全熔化能量的范围内等于或大于完全熔化能量的0.2倍。

在本发明的另一个实施例中，在形成第一多孔层的步骤和形成第二多孔层的步骤中，列距离和点距离可以大于激光照射点的直径d。

在本发明的另一个实施例中，激光照射点的直径d可以与激光的光源功率和曝光时间成正比，曝光时间可以与激光的扫描速度成反比。

在本发明的另一个实施例中，激光的光源功率可以是50w至1kw，扫描速度可以是0.1m/s至8m/s。

在本发明的另一个实施例中，列距离和点距离可以分别是100μm至1000μm。

在本发明的另一个实施例中，第一多孔层可以是凸印的(embossed)。

在本发明的另一个实施例中，形成第二多孔层的步骤中的激光照射点可以设置成不与第一多孔层上的激光照射点重叠。

为了实现上述目的，本发明的另一个实施例提供一种通过该方法形成的层压成型的多孔部件。

为了实现上述目的，本发明的另一个实施例提供一种具有增大的骨接触率并且包括多孔部件的植入物。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的层压成型的多孔部件的一步制造方法的流程图；

图2是示出根据本发明的形成多孔层时的激光照射方法的图；

图3是示出根据本发明的形成多孔层时的激光照射方法的图；

图4是示出根据本发明的激光照射点的列距离和点距离的图；

图5是示出层压成型的多孔部件的一步制造方法的示意图；

图6是示出根据本发明的另一个实施例的层压成型的多孔部件的一步制造方法的流程图；

图7是示出根据本发明的另一个实施例的层压成型的多孔部件的一步制造方法的示意图；

图8是竖直地示出根据本发明的激光照射点的示意图；以及

图9是根据本发明的一个实施例的多孔层表面的图。

具体实施方式

下文将参照附图描述本发明。然而，本发明可以以各种不同的方式进行修改，并且不限于本文中所描述的实施例。此外，在附图中，为了明确地描述本发明，将省略与描述无关的部件，并且在整个说明书中将使用类似的附图标记来描述类似的部件。

在整个说明书中，当一个元件被称作“与另一个元件连接(耦接、结合、接触)”时，它可以“直接连接”到另一个元件，也可以通过介于两者之间的又一个元件的间隔而“间接连接”到另一个元件。此外，除非另有明确描述，“包含”任何部件将被理解为意味着包括其他组件，而不是排除任何其他组件。

本说明书中使用的术语仅用于描述特定的示例性实施例，而不是限制本发明。除非上下文清楚地表明，否则单数形式旨在包括复数形式。还将进一步理解，在本说明书中使用的“包含”或“有”的术语，指定了所陈述的特征、数字、步骤、操作、组件、部件或它们的组合的存在，但不排除一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、组件、部件或它们的组合的存在或增加。

在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。

下面说明层压成型的多孔部件的一步制造方法。

参照图1，本发明的实施例提供一种层压成型的多孔部件的一步制造方法，该方法包括以下步骤：层堆金属颗粒(s100)；通过向层堆的金属颗粒照射激光来反复地熔化和冷却金属颗粒，从而形成基材层(s200)；通过在照射激光的同时调整列距离和点距离在基材层上形成具有预定直径d的激光照射点，从而形成第一多孔层(300)；在第一多孔层上层堆与所述金属颗粒相同的金属颗粒(s400)；以及通过在照射激光的同时调整列距离和点距离以在第一多孔层上形成具有预定直径d的激光照射点，从而形成第二多孔层(500)。

金属颗粒可以是选自钛(ti)、钛(ti)基合金、钴(co)、钴(co)基合金、镍(ni)、镍(ni)基合金、锆(zr)、锆(zr)基合金、钡(ba)、钡(ba)基合金、镁(mg)、镁(mg)基合金、钒(v)、钒(v)基合金、铁(fe)、铁(fe)基合金以及它们的混合物的组中的一种或多种。

具体地，钛和钛基合金是具有优异的生物相容性的材料，已知其不仅具有对周围组织的良好的生物相容性，而且具有较大的耐腐蚀性和较小的生物毒性，因此它们是优选的。然而，本发明不限于此，可以选择性地使用上述的金属颗粒。

在形成基材层的步骤和形成第一多孔层的步骤中，激光的能量可以等于或大于金属颗粒的完全熔化能量。

在形成第二多孔层的步骤中，激光的能量可以在等于或小于金属颗粒的完全熔化能量的范围内等于或大于完全熔化能量的0.2倍。

当大于完全熔化能量的能量施加于金属颗粒时，金属颗粒可以完全熔化并致密化。当较小的能量施加于金属颗粒时，金属颗粒可以形成为多孔型而不致密化。

即，在形成本发明的基材层和第二多孔层时，通过输入等于或大于完全熔化能量的能量能够使基材层致密化，并且通过输入在等于或小于完全熔化能量的范围内等于或大于完全熔化能量的0.2倍的能量能够使第二多孔层形成为多孔型。孔隙率是与形成激光照射点时在照射激光的同时调整列距离和点距离分开的多孔结构的另一个因素。当激光的能量小于金属颗粒的完全熔化能量的0.2倍时，金属颗粒不会熔化，因此其不是优选的。

通过形成第一多孔层来形成多孔层，并输入等于或大于金属颗粒的完全熔化能量的能量。这是因为：第一多孔层通过向基材层照射激光而形成，并且基材层已经致密化，因此要再次熔化这些层来形成多孔结构，需要等于或大于完全熔化能量的能量。

在形成第一多孔层的步骤和形成第二多孔层的步骤中，列距离和点距离可以大于激光照射点的直径d。

参照图2和图3，可以看到本发明的照射激光的方式。图2示出了共同层压成型中的激光照射方式。在本发明中，激光以图2所示的方式照射到基材层。点距离pd变得小于激光照射点的直径d，因此激光照射点彼此部分重叠。图3示出了在形成本发明的多孔层时的激光照射方式，其中点距离pd变得大于直径d，因此激光照射点彼此不重叠。因此，金属颗粒仅在激光照射点处熔化，并形成多孔结构。

图4示出了在形成本发明的多孔层时的列距离和点距离。通过不仅调整点距离而且调整列距离，能够防止激光辐射点彼此重叠。

激光辐射点的直径d可以与激光的光源功率和曝光时间成比例，并且曝光时间可以与激光的扫描速度成反比。

激光的光源功率可以是50w至1kw，扫描速度可以是0.1m/s至8m/s。光源功率和扫描速度的条件可以取决于金属颗粒的种类和要形成的多孔层的结构。例如，当使用纯钛形成需要高密度成型的基材层时，应提供每立方毫米5.5j至6.5j或更高的能量，这可以在100w或更高的光源功率下在0.25m/s的扫描速度的条件下实现。

当形成多孔层时，可以照射等于或小于完全熔化能量的能量，使得在相同的扫描速度下能够降低光源功率。此外，还可以在维持光源功率的情况下增大扫描速度，从而增大激光照射的点距离。然而，当扫描速度增大过多时，激光的曝光时间可能减小并且激光照射点的直径可能变得过小，因此优选在上述的范围内调节扫描速度。

列距离和点距离可以分别为100μm至1000μm。当点距离小于100μm时，应该小于点距离的激光照射点的直径d过小，因此可加工性变差。当点距离超过1000μm时，应该相应地增大激光照射点的直径d以能够形成多孔层。为此目的，激光光源功率也应增大，因此这不是优选的。此外，当点距离超过1000μm时，存在另一个问题：多孔层的比表面积较小。

第一多孔层可以是凹印的。参考图5，在图5的(a)中形成基材层510，然后在图5的(b)中通过照射激光540能够形成第一多孔层520。第一多孔层520通过熔化基材层510的一部分而形成，因此是凹印的。当具有强光源功率的激光540照射到基材层510的表面时，表面照射减少，因此第一多孔层520是凹印的。

参考图5的(c)，通过在第一多孔层上层堆金属颗粒，然后照射激光540，形成第二多孔层530。

参考图6，本发明的一个实施例提供一种层压成型的多孔部件的一步制造方法，该方法包括以下步骤：层堆金属颗粒(s110)；通过向层堆的金属颗粒照射激光来反复地熔化和冷却金属颗粒从而形成基材层(s220)；在基材层上层堆与所述金属颗粒相同的金属颗粒(s330)；通过在照射激光的同时调整列距离和点距离在层堆在基材层上的金属颗粒上形成具有预定直径d的激光照射点，从而形成第一多孔层(s440)；在第一多孔层上层堆与所述金属颗粒相同的金属颗粒(s550)；以及通过在照射激光的同时调整列距离和点距离以在层堆在第一多孔层上的金属颗粒上形成具有预定直径d的激光照射点，从而形成第二多孔层(s660)。

金属颗粒可以是选自钛(ti)、钛(ti)基合金、钴(co)、钴(co)基合金、镍(ni)、镍(ni)基合金、锆(zr)、锆(zr)基合金、钡(ba)、钡(ba)基合金、镁(mg)、镁(mg)基合金、钒(v)、钒(v)基合金、铁(fe)、铁(fe)基合金以及它们的混合物的组中的一种或多种。

具体地，钛和钛基合金是具有优异的生物相容性的材料，已知其不仅具有对周围组织的良好的生物相容性，而且具有较大的耐腐蚀性和较小的生物毒性，因此它们是优选的。然而，本发明不限于此，可以选择性地使用上述的金属颗粒。

在形成基材层的步骤中，激光可以具有等于或大于金属颗粒的完全熔化能量的能量。

在形成第一多孔层和形成第二多孔层的步骤中，激光的能量可以在等于或小于金属颗粒的完全熔化能量的范围内等于或大于完全熔化能量的0.2倍。

当大于完全熔化能量的能量施加于金属颗粒时，金属颗粒可以完全熔化并致密化。当较小的能量施加于金属颗粒时，金属颗粒可以形成为多孔型而不致密化。

即，当形成本发明的基材层和多孔层时，通过输入等于或大于完全熔化能量的能量能够使基材层致密化，并且通过输入在等于或小于完全熔化能量的范围内等于或大于完全熔化能量的0.2倍的能量能够使多孔层形成为多孔型。孔隙率是与形成激光照射点时在照射激光的同时调整列距离和点距离分开的多孔结构的另一个因素。当激光的能量小于金属颗粒的完全熔化能量的0.2倍时，金属颗粒不会熔化，因此其不是优选的。

在形成第一多孔层的步骤和形成第二多孔层的步骤中，列距离和点距离可以大于激光辐射点的直径d。参照图3和图4可以看出，可以以大于激光照射点的直径d的列距离和点距离形成多孔层。

激光照射点的直径d可以与激光的光源功率和曝光时间成比例，并且曝光时间可以与激光的扫描速度成反比。

激光的光源功率可以是50w至1kw，扫描速度可以是0.1m/s至8m/s。光源功率和扫描速度的条件可以取决于金属颗粒的种类和要形成的多孔层的结构。例如，当使用纯钛形成需要高密度成型的基材层时，应提供每立方毫米5.5j至6.5j或更高的能量，并且在0.25m/s的扫描速度下的光源功率应为100w。

当形成多孔区域时，可以照射等于或小于完全熔化能量的能量，使得在相同的扫描速度下能够降低光源功率。此外，还可以在维持光源功率的情况下增大扫描速度，从而增大激光照射的点距离。然而，当扫描速度增大过多时，激光的曝光时间可能减小并且激光照射点的直径可能变得过小，因此优选在上述的范围内调节扫描速度。

列距离和点距离可以分别为100μm至1000μm。当点距离小于100μm时，应该小于点距离的激光照射点的直径d过小，因此可加工性变差。当点距离超过1000μm时，应该相应地增大激光照射点的直径d以能够形成多孔层。为此目的，激光光源功率也应增大，因此这不是优选的。此外，当点距离超过1000μm时，存在另一个问题：多孔层的比表面积较小。

第一多孔层可以是凸印的。参照图7，在图7的(a)中形成基材层710，然后在图7的(b)中通过层堆金属颗粒并照射激光740可以形成第一多孔层720。由于第一多孔层720通过层堆金属颗粒然后照射激光740而形成，因此第一多孔层720是凸印的。在图7的(c)中，通过在第一多孔层上层堆金属颗粒并照射激光可以形成第二多孔层730。

形成第二多孔层的步骤中的激光照射点可以设置成不与第一多孔层上的激光照射点重叠。

参照图8，根据激光照射点形成第一多孔层720，然后，当在第一多孔层上形成第二多孔层730时，第二多孔层730的激光照射点不与第一多孔层720的激光照射点重叠，如图7的(a)或图7的(b)所示。因此，可以确保多孔结构的强度并进一步增大多孔层的比表面积。

本发明还提供通过该方法制造的层压成型的多孔部件。根据本发明的层压成型的多孔部件具有一体化的基材层-多孔层，因此与使用多孔涂层形成的现有产品相比，制造时间减少并且制造工艺简单。

本发明还提供一种具有增大的骨接触率并且包括多孔部件的植入物。根据本发明的多孔部件具有直径为50μm至200μm的多个孔，因此与使用诸如骨粘合剂的生物组织粘合剂的植入物相比，改善了骨接触率和骨生长性。此外，由于多孔层一体形成，因此可以提供强度和耐用性更优异的植入物。

下面参照优选实施例更详细地描述本发明。然而，应该注意的是，本发明不限于此，实施例仅是示例。

<实施例1>

层堆纯钛颗粒，并且通过以0.5m/s的扫描速度和200w的光源功率照射激光来形成基材层。通过在照射激光的同时将列距离和点距离各自调整350μm以凹印第一多孔层，从而在基材层上形成直径为70μm的激光照射点。通过再次在第一多孔层上层堆纯钛颗粒并且在照射激光的同时将列距离和点距离各自调整350μm以形成直径为70μm的激光照射点，从而形成第二多孔层。

<实施例2>

层堆纯钛颗粒，并且通过以0.5m/s的扫描速度和200w的光源功率照射激光来形成基材层。通过在基材层上层堆纯钛颗粒并且在照射激光的同时将列距离和点距离各自调整350μm以在基材层上形成直径为70μm的激光辐射点，从而凸印第一多孔层。通过再次在第一多孔层上层堆纯钛颗粒并且在照射激光的同时将列距离和点距离各自调整350μm以形成直径为70μm的激光辐射点，从而形成第二多孔层。

以下表1示出了在实施例1和2中形成第一多孔层和第二多孔层时的激光照射条件。

[表1]

图9是实施例2中形成的第一多孔层的表面的图。

当根据本发明的多孔部件的制造方法形成多孔层时，根据金属颗粒的种类和结构设定激光照射条件，例如，扫描速度、光源功率和曝光时间，由此可以容易地设计安装到患者的骨架的植入物。

根据本发明的一个实施例，可以减少使用一步层压成型制造产品时的制造时间，并且还可以提供多孔层形状和尺寸能够被控制的多孔部件。

此外，包括多孔部件的植入物具有增大的骨接触率，因此可以改善骨间的骨生长性，并且可以容易地设计适于个体患者的骨架的产品。

本发明的效果不限于此，应该理解的是，效果包括可以从以下说明书或权利要求中描述的本发明的结构中推断出的所有效果。

提供以上描述作为本发明的示例性实施例，并且应当理解的是，本领域技术人员可以在不改变本发明的精神或必要特征的情况下以其他各种方式容易地修改本发明。因此，上述实施例仅是示例，不应解释为在所有方面都是限制性的。例如，单个部件可以被分割并且单独的部件可以集成。

本发明的范围由以下权利要求限定，并且从权利要求的含义和范围以及等同概念获得的所有变化和变更应被解释为包括在本发明的范围内。