采用激光增材制造钛合金人工关节的方法
【专利摘要】本发明是一种采用激光增材制造技术制备钛合金人工关节的工艺方法，该方法针对不同患者的独特特征和身体特性，快速设计出个性化的零件图纸，采用激光增材制造工艺，直接成形出个性化定制的钛合金人工关节。激光增材制造的人工关节化学成分、微观组织、力学性能、材料密度完全符合医用钛合金人工关节的标准要求，生物相容性良好。本发明可以降低个性化定制人工关节的生产成本和周期，可用于多个牌号钛合金人工关节的增材制造，通用性强。
【专利说明】采用激光増材制造钛合金人工关节的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于增材制造【技术领域】，涉及一种采用激光增材制造钛合金人工关节的方法。主要用于医用人体植入物。
【背景技术】
[0002]人工关节作为重要的医疗产品组成部分，近百年来，特别是近20年来得到了长足的发展。随着人类进入高龄化步伐加快、中青年创伤增多、疑难疾病患者的增加和医学技术的发展，人工关节的用量逐年提高。
[0003]人体植入物产品具有形状不规则，曲面多，生产批量小的特点。个体骨骼之间的差异，使得植入物产品标准化型号不能完全适合每一位病人，植入物与人体骨骼的适合度对产品的寿命有一定影响，同时也为医生的手术带来困难。由于手术的复杂性和患者的个体差异，外科手术，尤其是硬组织修复对医生的专业技术水平和经验要求很高。现有的制造方法主要是“模锻(铸造)+机加”的传统制造工艺，加工方式成本高、耗时长、反应速度慢，尤其是小批量生产的情况下，会对模具造成巨大的浪费。为了便于人体细胞的附着及生长，人工关节在局部位置还需要加工为特定的粗糙表面，传统的机械加工难度大，如果采用普通的胶接，结合强度低，人体关节的剧烈运动会导致植入物粗糙表面的脱落。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种制造工艺简单、反应周期短的采用激光增材制造技术制备钛合金人工关节的方法。
[0005]本发明技术方案是:
[0006](I)选择激光增材制造原材料，选择化学成分符合标准GB/T 3620.1的钛合金粉末，粒度为100目?500目；
[0007](2)根据所需制备钛合金人工关节的图纸，确定增材制造程序编译；
[0008](3)清理增材用基板表面，采用手持电枪打磨去除表面氧化层，用钢丝轮抛光打磨表面，最后用丙酮擦洗；
[0009](4)激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率300?1000W，光斑直径0.3?0.8mm，熔覆速率300?800mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉气3?10L/min，保护气体10?15L/min ;激光增材制造采用多层熔覆堆积，单层厚度控制在0.1?2.0mm之间，直到完成计算所需增材制造的尺寸；
[0010](5)更换激光增材制造原材料，选择化学成分与之前牌号一致，符合标准GB/T3620.1的钛合金粉末，粒度范围调整为20目?100目；更换设备配件，使用加工20目?100目粉末的送粉管和熔覆头；
[0011](6)根据所需制备钛合金人工关节的图纸，在需要加工为粗糙表面的位置，进行增材制造程序的编译；
[0012](7)激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节粗糙表面的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率50?200W，光斑直径0.3?0.8mm，熔覆速率500?1000mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉气5?10L/min，保护气体10?15L/min ；粗糙表面的激光增材制造采用多层粉末颗粒熔覆堆积，单层厚度控制在0.5?2.0mm之间，直到完成计算所需增材制造的尺寸；
[0013](8)去应力退火，对激光增材制造零件进行退火，消除零件的残余应力，退火制度为:620 0C X2h ；
[0014](9)无损检测，采用X光和荧光探伤方法，对激光增材制造的零件进行检查；要求无裂纹等线性缺陷；
[0015](10)机械加工，根据图纸，加工激光增材制备件至最终尺寸和表面光洁度。
[0016]选择激光增材制造原材料，选择化学成分符合标准GB/T 3620.1的钛合金粉末，粒度为150目?325目。
[0017]激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率300?1000W，光斑直径0.3?0.8mm,熔覆速率300?800mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉气3?10L/min，保护气体10?15L/min ;激光增材制造采用多层恪覆堆积，单层厚度控制在0.1?2.0mm之间。
[0018]激光增材制造粗糙表面原材料，选择化学成分与之前牌号一致，符合标准GB/T3620.1的钛合金粉末，粒度范围调整为20目?80目。
[0019]激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节粗糙表面的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率50?200W，光斑直径0.3?0.8mm，熔覆速率500?1000mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉气5?10L/min，保护气体10?15L/min ;粗糖表面的激光增材制造采用多层粉末颗粒熔覆堆积，单层厚度控制在0.5?2.0mm之间。
[0020]本发明具有的优点和有益效果，
[0021]本发明采用激光增材制造钛合金人工关节，降低个性化定制人工关节的生产成本和周期。本发明的激光增材制造工艺可用于多个牌号钛合金人工关节的增材制造，通用性强。与传统加工工艺相比，采用激光增材制造钛合金人工关节，仅需要CAD建模图纸，就可以直接成形出所需零件，如果需要改变尺寸和设计，只需要在CAD图纸上进行改变即可实现，更容易操作实施，工艺、材料和时间周期成本均低。在局部位置制备粗糙表面时，本发明采用的激光增材制造工艺也体现出了明显的优势，在激光增材制造的基础上直接二次加工，生成粗糙的表面，节约时间，结合强度也优于传统的胶接。
[0022]当前随着人们生活水平和收入的提高，生物医学行业关于个性化定制人工关节的需求越来越多。高质量的个性化定制生产，需要根据使用者的独特特征和身体特性进行快速设计和小批量制造。这正是激光增材制造的优势所在，市场的前景非常光明。
[0023]前期以常用的Ti6A14V钛合金进行了激光增材制造试验，并对激光增材制备的试样化学成分、微观组织、室温性能、材料密度等进行了研宄。研宄结果表明，激光增材制造的人工关节组织致密、无裂纹、夹杂缺陷；室温拉伸强度超过了医用Ti6A14V锻件的技术标准，达到了实际锻件的99%，激光增材制造的人工关节材料密度与锻件的材料密度完全一致。同时，激光增材制造的人工关节化学成分也完全符合医用Ti6A14V钛合金人工关节的标准要求，生物相容性良好，即将进行临床试验。
[0024]因此该发明的成果可直接用于个性化定制钛合金人工关节的小批量生产，由于省去了制备模具的时间，零件的交付周期会大幅度缩短，这在瞬息万变的市场中具有重大意义，对于急需人工关节移植的病人而言，这无异于天大的福音。
【具体实施方式】
[0025]以下将结合实例对本发明技术方案作进一步详述:
[0026]根据待制备人工关节在人体上的安装部位和人体CT扫描结果，设计出所需制备的人工关节图纸，通过以上分析和确认，实施以下具体步骤:
[0027](I)选择激光增材制造原材料，选择化学成分符合标准GB/T 3620.1的钛合金粉末，粒度为100目?500目；
[0028](2)根据所需制备钛合金人工关节的图纸，确定增材制造程序编译；
[0029](3)清理增材用基板表面，采用手持电枪打磨去除表面氧化层，用钢丝轮抛光打磨表面，最后用丙酮擦洗；
[0030](4)激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率300?1000W，光斑直径0.3?0.8mm，熔覆速率300?800mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉气3?10L/min，保护气体10?15L/min ;激光增材制造采用多层熔覆堆积，单层厚度控制在0.1?2.0mm之间，直到完成计算所需增材制造的尺寸；
[0031](5)更换激光增材制造原材料，选择化学成分与之前牌号一致，符合标准GB/T3620.1的钛合金粉末，粒度范围调整为20目?100目；更换设备配件，使用加工20目?100目粉末的送粉管和熔覆头；
[0032](6)根据所需制备钛合金人工关节的图纸，在需要加工为粗糙表面的位置，进行增材制造程序的编译；
[0033](7)激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节粗糙表面的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率50?200W，光斑直径0.3?0.8mm，熔覆速率500?1000mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉气5?10L/min，保护气体10?15L/min ；粗糙表面的激光增材制造采用多层粉末颗粒熔覆堆积，单层厚度控制在0.5?2.0mm之间，直到完成计算所需增材制造的尺寸；
[0034](8)去应力退火，对激光增材制造零件进行退火，消除零件的残余应力，退火制度为:620°C X2h，空冷；
[0035](9)无损检测，采用X光和荧光探伤方法，对激光增材制造的零件进行检查；要求无裂纹等线性缺陷；
[0036](10)机械加工，根据图纸，加工激光增材制备件至最终尺寸和表面光洁度。
[0037]实施例一:采用激光增材制造Ti6A14V钛合金人工关节的方法。
[0038]对待制备的钛合金人工关节，首先确认待制备的钛合金人工关节为股骨柄钛合金人工关节，根据病人实际CT扫描的结果，修改并绘制出最终图纸。
[0039](I)选择激光增材制造原材料，选择化学成分符合标准GB/T 3620.1的钛合金粉末，粒度为100目?500目；
[0040](2)根据所需制备钛合金人工关节的图纸，确定增材制造程序编译；
[0041](3)清理增材用基板表面，采用手持电枪打磨去除表面氧化层，用钢丝轮抛光打磨表面，最后用丙酮擦洗；
[0042](4)激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率300?1000W，光斑直径0.3?0.8mm，熔覆速率300?800mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉气3?10L/min，保护气体10?15L/min ;激光增材制造采用多层熔覆堆积，单层厚度控制在0.1?2.0mm之间，直到完成计算所需增材制造的尺寸；
[0043](5)更换激光增材制造原材料，选择化学成分与之前牌号一致，符合标准GB/T3620.1的钛合金粉末，粒度范围调整为20目?100目；更换设备配件，使用加工20目?100目粉末的送粉管和熔覆头；
[0044](6)根据所需制备钛合金人工关节的图纸，在需要加工为粗糙表面的位置，进行增材制造程序的编译；
[0045](7)激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节粗糙表面的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率50?200W，光斑直径0.3?0.8mm，熔覆速率500?1000mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉气5?10L/min，保护气体10?15L/min ；粗糙表面的激光增材制造采用多层粉末颗粒熔覆堆积，单层厚度控制在0.5?2.0mm之间，直到完成计算所需增材制造的尺寸；
[0046](8)去应力退火，对激光增材制造零件进行退火，消除零件的残余应力，退火制度为:620°C X2h，空冷；
[0047](9)无损检测，采用X光和荧光探伤方法，对激光增材制造的零件进行检查；要求无裂纹等线性缺陷；
[0048](10)机械加工，根据图纸，加工激光增材制备件至最终尺寸和表面光洁度。
[0049]实施例二:采用激光增材制造Ti6A17Nb钛合金人工关节的方法。
[0050]对待制备的钛合金人工关节，首先确认待制备的钛合金人工关节为肘骨柄钛合金人工关节，根据病人实际CT扫描的结果，修改并绘制出最终图纸。
[0051](I)选择激光增材制造原材料，选择化学成分符合标准GB/T 3620.1的钛合金粉末，粒度为150目?325目；
[0052](2)根据所需制备钛合金人工关节的图纸，确定增材制造程序编译；
[0053](3)清理增材用基板表面，采用手持电枪打磨去除表面氧化层，用钢丝轮抛光打磨表面，最后用丙酮擦洗；
[0054](4)激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率300?1000W，光斑直径0.3?0.8mm，熔覆速率300?800mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉气3?10L/min，保护气体10?15L/min ;激光增材制造采用多层熔覆堆积，单层厚度控制在0.1?2.0mm之间，直到完成计算所需增材制造的尺寸；
[0055](5)更换激光增材制造原材料，选择化学成分与之前牌号一致，符合标准GB/T3620.1的钛合金粉末，粒度范围调整为50目?80目；更换设备配件，使用加工50目?80目粉末的送粉管和熔覆头；
[0056](6)根据所需制备钛合金人工关节的图纸，在需要加工为粗糙表面的位置，进行增材制造程序的编译；
[0057](7)激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节粗糙表面的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率80?150W，光斑直径0.3?0.8mm，熔覆速率500?1000mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉气5?10L/min，保护气体10?15L/min ；粗糙表面的激光增材制造采用多层粉末颗粒熔覆堆积，单层厚度控制在0.5?2.0mm之间，直到完成计算所需增材制造的尺寸；
[0058](8)去应力退火，对激光增材制造零件进行退火，消除零件的残余应力，退火制度为:700 0C Xlh，空冷；
[0059](9)无损检测，采用X光和荧光探伤方法，对激光增材制造的零件进行检查；要求无裂纹等线性缺陷；
[0060](10)机械加工，根据图纸，加工激光增材制备件至最终尺寸和表面光洁度。
【权利要求】
1.一种采用激光增材制造钛合金人工关节的方法，其特征是: (1)选择激光增材制造原材料，选择化学成分符合标准GB/T3620.1的钛合金粉末，粒度为100目?500目； (2)根据所需制备钛合金人工关节的图纸，确定增材制造程序编译； (3)清理增材用基板表面，采用手持电枪打磨去除表面氧化层，用钢丝轮抛光打磨表面，最后用丙酮擦洗； (4)激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率300?1000W，光斑直径0.3?0.8mm，熔覆速率300?800mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉气3?10L/min，保护气体10?15L/min ;激光增材制造采用多层熔覆堆积，单层厚度控制在0.1?2.0mm之间，直到完成计算所需增材制造的尺寸； (5)更换激光增材制造原材料，选择化学成分与之前牌号一致，符合标准GB/T3620.1的钛合金粉末，粒度范围调整为20目?100目；更换设备配件，使用加工20目?100目粉末的送粉管和熔覆头； (6)根据所需制备钛合金人工关节的图纸，在需要加工为粗糙表面的位置，进行增材制造程序的编译； (7)激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节粗糙表面的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率50?200W，光斑直径0.3?0.8mm，熔覆速率500?1000mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉气5?10L/min，保护气体10?15L/min ;粗糖表面的激光增材制造采用多层粉末颗粒熔覆堆积，单层厚度控制在0.5?2.0mm之间，直到完成计算所需增材制造的尺寸； (5)去应力退火，对激光增材制造零件进行退火，消除零件的残余应力，退火制度为材料手册中规定对应材料牌号的去应力退火热处理制度； (6)无损检测，采用X光和荧光探伤方法，对激光增材制造的零件进行检查；要求无裂纹等线性缺陷； (7)机械加工，根据图纸，加工激光增材制备件至最终尺寸和表面光洁度。
2.根据权利要求1所述的采用激光增材制造钛合金人工关节的方法，其特征是:选择激光增材制造原材料，选择化学成分符合标准GB/T 3620.1的钛合金粉末，粒度为150目?325 目。
3.根据权利要求1所述的采用激光增材制造钛合金人工关节的方法，其特征是:激光增材制造，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率500?800W，光斑直径0.3?0.8mm,熔覆速率400?700mm/min，送粉速率0.8?2.0rpm，送粉气3?10L/min，保护气体10?15L/min ;激光增材制造采用多层恪覆堆积，单层厚度控制在0.3?1.8mm之间，直到完成计算所需增材制造的尺寸。
4.根据权利要求1所述的采用激光增材制造钛合金人工关节的工艺方法，其特征是:激光增材制造粗糙表面原材料，选择化学成分与之前牌号一致，符合标准GB/T 3620.1的钛合金粉末，粒度范围调整为20目?80目。
5.根据权利要求1所述的采用激光增材制造钛合金人工关节的工艺方法，其特征是:激光增材制造粗糙表面，采用激光填加粉末熔覆方法进行人工关节粗糙表面的制备，激光熔覆的工艺参数为:激光功率80?160W，光斑直径0.3?0.8mm，熔覆速率600?800mm/min，送粉速率1.5?3.0rpm，送粉气5?10L/min，保护气体10?15L/min ;粗糙表面的激光增材制造采用多层粉末颗粒熔覆堆积，单层厚度控制在0.?1.6mm之间，直到完成计算所需增材制造的尺寸。
【文档编号】B22F3/105GK104498940SQ201410727363
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月3日 优先权日:2014年12月3日
【发明者】李能, 黄永玲, 张学军, 贺娟, 孙兵兵, 杜博睿, 陈冰清 申请人:中国航空工业集团公司北京航空材料研究院