1.本发明涉及生物材料设备技术领域，更具体的说是涉及一种激光选区熔化增材制造医用钛合金植入体并对植入体表面进行激光强化的方法。
背景技术：
2.钛合金具有毒性小、密度低、耐腐蚀性能好、机械强度高等优点，因此钛合金能满足医用中受力承重和生物相容等性能要求，被广泛用于医疗承力植入体等领域。目前医用钛合金植入体的制备通常经过熔炼、锻造、轧制、切削加工等过程，繁琐的加工过程造成医用钛合金表面极易氧化并浪费大量原材料，最终导致医用钛合金植入体价格大度升高，限制了钛合金在医用行业的应用和推广。
3.另外医用钛合金植入体在个体患者中容易受到人体体液腐蚀，破坏植入体与人体组织的结合以及影响医用钛合金植入体的功能。并且随着医用钛合金植入体腐蚀的加剧，钛合金中金属离子流入体液，对人体产生危害。
4.因此，如何制造出形状复杂且与个体患者契合度更高的医用钛合金植入体并且大幅提升医用钛合金植入体的使用寿命并减缓金属离子对个体患者的危害是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：
5.有鉴于此，本发明提供了一种增材制造医用钛合金植入体及表面冲击强化方法，将激光选区熔化增材制造技术与激光冲击强化表面改性技术相结合，可制造出形状复杂、与个体患者契合度更高、耐体液腐蚀和耐磨损的医用钛合金植入体。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种增材制造医用钛合金植入体及表面冲击强化方法，包括以下步骤：
8.步骤一：根据个体病患人体骨骼特征，采用三维建模软件对所需医用钛合金植入体进行三维建模；
9.步骤二：根据医用钛合金植入体的三维模型，采用激光选区熔化技术增材制造出医用钛合金植入体；
10.步骤三：对增材制造完成的医用钛合金植入体进行机械加工处理，降低其表面粗糙度；
11.步骤四：采用激光强化技术对经机械加工处理后的医用钛合金植入体进行表面改性，得到所需的医用钛合金植入体。
12.优选的，在上述一种增材制造医用钛合金植入体及表面冲击强化方法中，在步骤四之后，还包括：
13.步骤五：对激光强化处理后得到的医用钛合金植入体依次进行耐磨损性能检测、电化学腐蚀测试和表面粗糙度检测，判断其是否满足植入要求。
14.优选的，在上述一种增材制造医用钛合金植入体及表面冲击强化方法中，步骤五
中采用极化曲线方法对医用钛合金植入体进行耐磨损性能检测，判断其摩擦系数是否满足大于等于0.7；采用chi660电化学工作站对医用钛合金植入体进行电化学腐蚀测试，判断其自腐蚀电位是否满足大于等于
‑
0.6v，钝化电位是否满足大于等于1.2v，击穿电位是否满足大于等于3.5v；采用zygo nex view三维白光干涉表面形貌仪对医用钛合金植入体进行表面粗糙度检测，判断其表面粗糙度是否满足小于等于0.3μm；若医用钛合金植入体满足上述指标要求，则符合植入要求。
15.优选的，在上述一种增材制造医用钛合金植入体及表面冲击强化方法中，步骤一中的三维建模软件为：capture 3d scan anything、solid works或computer aided design。
16.优选的，在上述一种增材制造医用钛合金植入体及表面冲击强化方法中，步骤二中激光选区熔化技术采用的激光选区熔化设备的参数要求为：激光波长408
‑
1062nm，激光功率1000
‑
4000w，光斑直径2
‑
6mm，铺粉速度10
‑
200g/h，扫描速度500
‑
1500mm/min，保护气氛为氩气。
17.优选的，在上述一种增材制造医用钛合金植入体及表面冲击强化方法中，步骤三中的机械加工方法为：切削加工和磨削加工。
18.优选的，在上述一种增材制造医用钛合金植入体及表面冲击强化方法中，步骤四中的激光强化技术采用的激光强化设备的参数要求为：激光波长408
‑
1064nm，脉宽15ps
‑
15ns，光斑直径1
‑
5mm，重复率1
‑
50hz，输出能量5
‑
35j。
19.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种增材制造医用钛合金植入体及表面冲击强化方法，采用激光选区熔化增材制造技术可制造出形状复杂且与个体患者契合度更高的医用钛合金植入体，使医用钛合金植入体根据个体患者体征进行个性化定制变得更加快捷与高效，并显著降低成本和节约医用钛合金原材料；采用激光冲击强化技术对医用钛合金植入体表面进行改性处理大幅提升医用钛合金植入体的耐磨性能及耐腐蚀性能，并减缓金属离子对个体患者的危害；将激光选区熔化增材制造技术与激光冲击强化表面改性技术结合一体，可完成复杂形状医用钛合金植入体的高效生产并提升使用寿命。
附图说明
20.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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
21.图1附图为本发明提供的增材制造医用钛合金植入体及表面冲击强化方法的流程图；
22.图2附图为本发明提供的激光强化技术的原理图；
23.图3附图为本发明提供的激光选区熔化增材制造并进行激光冲击强化表面改性后的ti6al4v医用钛合金植入体表面电镜观察形貌图。
具体实施方式
24.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。
25.如图1所示，本发明实施例公开了一种增材制造医用钛合金植入体及表面冲击强化方法，包括以下步骤：
26.步骤一：根据个体病患人体骨骼特征，采用三维建模软件对所需医用钛合金植入体进行三维建模。
27.本发明实施例以实现增材制造人体右侧股骨头(所用材料为ti6al4v)为例，首先，根据个体患者右侧股骨头的电子计算机断层扫描(ct)等相关医学数据，采用三维建模软件scan anything、solid works或computer aided design对个体患者的右侧股骨头进行三维建模，确定医用钛合金植入体尺寸，并根据使用需求设计医用钛合金植入体的几何外形和内部结构。
28.步骤二：根据医用钛合金植入体的三维模型，采用激光选区熔化技术增材制造出医用钛合金植入体。
29.该步骤根据待增材制造的植入体尺寸，将植入体的三维模型导入设备中；设定激光选区熔化设备参数：激光波长1062nm，激光功率2500w，光斑直径4mm，铺粉速度100g/h，扫描速度1000mm/min，保护气氛为99.99％氩气。
30.启动激光选区熔化设备，机器人根据步骤二中的增材路径代码执行，在气体保护下进行激光需选区熔化增材制造医用钛合金植入体，直至增材制造出医用钛合金植入体。
31.步骤三：对增材制造完成的医用钛合金植入体进行机械加工处理，降低其表面粗糙度。其中，机械加工方法为：切削加工和磨削加工等。
32.步骤四：采用激光强化技术对经机械加工处理后的医用钛合金植入体进行表面改性，得到所需的医用钛合金植入体。
33.设定激光强化设备(比如为lsp
‑
60j型nd：yag强化系统)参数，对医用钛合金植入体进行激光冲击强化，以达到对其表面改性处理的目的，如图2所示，采用100μm厚的铝箔作为保护层1，去离子水作为约束层2，水流厚度控制在1
‑
2mm。激光器3发出的激光束经过外光路系统(反射镜4和聚焦镜5)聚焦后，透过水膜照射到铝箔上，铝箔吸收高能量密度的激光后，在约束层2的表面形成等离子体，在约束层2的作用下产生高压冲击波并向医用钛合金植入体内部传递，使医用钛合金植入体表面以极高的应变速率发生塑性变形和动态屈服，从而实现对材料的强化，改善工件表面应力分布，使其残余应力为压应力状态，提高医用钛合金植入体的使用寿命以及耐磨损、耐腐蚀性能。其中，外光路系统包括反射镜和聚焦镜，激光器发射出的激光束先经反射镜反射，然后经聚焦镜对反射的激光束进行聚焦后，透过水膜照射到铝箔上。
34.步骤五：对激光强化处理后得到的医用钛合金植入体依次进行耐磨损性能检测、电化学腐蚀测试和表面粗糙度检测，判断其是否满足植入要求。
35.具体的，待增材制造和激光冲击强化后，采用mft
‑
r4000高速往复摩擦磨损试验仪或极化曲线方法检测医用钛合金植入体的耐磨损性能，该设备使用砝码进行加载，医用钛
合金植入体保持不动，使用电机驱动磨盘旋转，设备中的传感器测量力矩，从而计算医用钛合金植入体的摩擦系数，要求医用钛合金植入体的摩擦系数大于等于0.7；采用chi660电化学工作站对医用钛合金植入体进行电化学腐蚀测试，耐腐蚀试验采用三电极系统，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，取10mm
×
10mm
×
5mm试样进行试验，试样背后用丙烯酸塑料进行封装，要求医用钛合金植入体自腐蚀电位大于等于
‑
0.6v，钝化电位大于等于1.2v，击穿电位大于等于3.5v；采用zygo nex view三维白光干涉表面形貌仪对医用钛合金植入体进行表面粗糙度检测，要求医用钛合金植入体表面粗糙度ra小于等于0.3μm，待满足以上要求，采用医用酒精等进行消毒处理，等待植入。如图3所示，为本发明实施例经激光选区融化技术和激光冲击强化表面改性后的ti6al4v医用钛合金植入体表面电镜观察形貌图。
36.本实施案例中，将激光选区熔化增材制造的医用钛合金植入体进行机加工处理后，采用激光冲击强化技术进行表面改性，提升医用钛合金植入体的使用寿命及降低因金属离子进入体内造成的危害。具体表现在：
37.(1)本发明实施例将激光选区熔化增材制造技术与激光冲击强化技术相结合，满足复杂形状医用钛合金植入体的使用性能；
38.(2)本发明实施例不仅可以使医用钛合金植入体根据个体患者体征进行个性化定制变得更加快捷与高效，还可以对医用钛合金植入体表面进行改性处理，大幅提升医用钛合金植入体的使用寿命并减缓金属离子对个体患者的危害。
39.(3)本发明实施例可实现复杂形状医用钛合金植入体的制造与表面改性，解决常规医用钛合金植入体生产制造过程中造成的原材料浪费，生产效率低，与人体锲合度低、容易被体液腐蚀等难题，真正实现复杂形状医用钛合金植入体控型控性，提高复杂形状医用钛合金植入体制造效率和使用寿命。
40.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
41.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。