一種選擇性激光熔化制備純鈦多孔結(jié)構(gòu)的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種選擇性激光熔化制備純鈦多孔結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：S1、在計(jì)算機(jī)中建立所需制備的多孔結(jié)構(gòu)的三維模型；S2、對(duì)建立的三維模型進(jìn)行分層預(yù)處理；S3、設(shè)置3D打印參數(shù)，對(duì)三維模型進(jìn)行分層處理，保存并導(dǎo)出相應(yīng)格式的文件；S4、將所述導(dǎo)出的文件導(dǎo)入3D打印設(shè)備，進(jìn)行3D打印。本發(fā)明提供的一種選擇性激光熔化制備純鈦多孔結(jié)構(gòu)的方法，可根據(jù)實(shí)際要求制造具有各種各樣宏觀結(jié)構(gòu)的多孔結(jié)構(gòu)的金屬零件，實(shí)現(xiàn)一次成型，克服了傳統(tǒng)加工帶來(lái)的力學(xué)性能不穩(wěn)定、形狀單一的弊端，并提高了加工效率和經(jīng)濟(jì)效益。
【專利說(shuō)明】一種選擇性激光熔化制備純鈦多孔結(jié)構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多孔結(jié)構(gòu)的制造方法，尤其涉及一種選擇性激光熔化制備純鈦多孔結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦及其合金由于具有優(yōu)良的力學(xué)性能和生物相容性，廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)骨修復(fù)和骨植入領(lǐng)域。然而，致密的鈦及其合金的彈性模量遠(yuǎn)高于人骨模量，易造成“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)，引起骨壞死、畸變和植入體松動(dòng)等問(wèn)題。多孔鈦及其合金由于具有獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)，擁有與被替換的骨骼硬組織相匹配的性能，能夠有效減弱或消除應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，同時(shí)還有利于成骨細(xì)胞在孔內(nèi)生長(zhǎng)形成內(nèi)鎖型鑲嵌固定，促進(jìn)組織的再生與重建。因此，多孔鈦及其合金具有廣闊的應(yīng)用前景，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的多孔金屬材料制備工藝的影響因素過(guò)多、流程復(fù)雜、無(wú)法一次成型，并普遍存在孔隙結(jié)構(gòu)不能精確控制、內(nèi)部孔隙連通率差等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，有必要針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種選擇性激光熔化制備純鈦多孔結(jié)構(gòu)的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)不能一次成型的問(wèn)題，能夠更加精確地控制零件的成形尺寸，實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的一次成型。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下方案:
[0005]一種選擇性激光熔化制備純鈦多孔結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟:
[0006]S1、在計(jì)算機(jī)中建立所需制備的多孔結(jié)構(gòu)的三維模型；
[0007]S2、對(duì)建立的三維模型進(jìn)行分層預(yù)處理，所述分層預(yù)處理包括確定打印方向，并在三維模型的底部設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)；
[0008]S3、設(shè)置3D打印參數(shù)，對(duì)三維模型進(jìn)行分層處理，將三維模型沿打印方向分解成多個(gè)層厚相等的三維結(jié)構(gòu)，保存并導(dǎo)出相應(yīng)格式的文件；
[0009]S4、將所述導(dǎo)出的文件導(dǎo)入3D打印設(shè)備，進(jìn)行3D打印。
[0010]優(yōu)選地，在S3中，分解的層厚為30?80 iim。
[0011]優(yōu)選地，在S3中，所述3D打印參數(shù)包括零件的擺放位置、擺放方式以及激光的掃描方式、掃描速度、功率和補(bǔ)償因子。
[0012]優(yōu)選地，所述掃描速度為275?510mm/s，功率為90?100W，補(bǔ)償因子為10?40 u m ;掃描方式為由外向內(nèi)。
[0013]優(yōu)選地，所述掃描速度包括內(nèi)部掃描速度和外部邊界掃描速度，其中，內(nèi)部掃描速度為275?385mm/s，外部邊界掃描425?510mm/s。
[0014]優(yōu)選地，所述S4具體包括以下步驟:
[0015]S401、等待3D打印設(shè)備預(yù)熱至工作所需條件；
[0016]S402、將導(dǎo)出的文件導(dǎo)入3D打印設(shè)備；[0017]S403、3D打印設(shè)備按照設(shè)定的打印參數(shù)，使用純鈦材料粉末以增材打印的方式進(jìn)行3D打印。
[0018]優(yōu)選地，所述3D打印設(shè)備為德國(guó)SLM Solutions Gmbh公司生產(chǎn)的型號(hào)為SLM-125HL的3D打印設(shè)備。
[0019]優(yōu)選地，所述純鈦材料粉末為二級(jí)純鈦，其粉末顆粒在20?100 ii m之間。
[0020]優(yōu)選地，在3D打印設(shè)備的加工過(guò)程中，向3D打印設(shè)備的加工艙中通入純氬氣作為保護(hù)氣體。
[0021]優(yōu)選地，在S401中，所述工作所需條件為3D打印設(shè)備的基臺(tái)溫度不小于200°C，力口
工艙內(nèi)氧氣含量低于0.2%。
[0022]本發(fā)明提供的一種選擇性激光熔化制備純鈦多孔結(jié)構(gòu)的方法，采用增材制造方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的制造，成功采用金屬粉末材料制造多孔結(jié)構(gòu)，并不受宏觀零件外形的影響，其通過(guò)電腦控制高能激光束掃描路徑，高溫下融化粉末金屬材料，并逐層堆積，根據(jù)三維模型制造出實(shí)體金屬零件；還可根據(jù)實(shí)際要求制造具有各種各樣宏觀結(jié)構(gòu)的多孔結(jié)構(gòu)的金屬零件，實(shí)現(xiàn)一次成型，克服了傳統(tǒng)加工帶來(lái)的力學(xué)性能不穩(wěn)定、形狀單一的弊端，并提高了加工效率和經(jīng)濟(jì)效益。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的制備方法流程圖。
[0024]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中使用的3D打印設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3是本發(fā)明實(shí)施例制備的純鈦多孔結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面將結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種選擇性激光熔化制備純鈦多孔結(jié)構(gòu)的方法，其采用了德國(guó)SLM Solutions Gmbh公司生產(chǎn)的型號(hào)為SLM-125HL的3D打印設(shè)備，使用的配套軟件是該設(shè)備自帶的SLM AutoFab MCS1.1或SLM AutoFab641.8軟件。
[0028]所述方法具體包括以下步驟:
[0029]S1、在計(jì)算機(jī)中建立所需制備的多孔結(jié)構(gòu)的三維模型；根據(jù)所需制備零件的實(shí)際結(jié)構(gòu)，使用諸如solidworks、UG、ProE等工程制圖軟件，設(shè)計(jì)和建立實(shí)際多孔結(jié)構(gòu)的三維模型，并保存為STL格式。其中，三維模型的參數(shù)需以多孔結(jié)構(gòu)的實(shí)際參數(shù)為準(zhǔn)，包括外在整體的形狀、尺寸，內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀、多邊形邊長(zhǎng)和壁厚等等。
[0030]S2、對(duì)建立的三維模型進(jìn)行分層預(yù)處理:所述分層預(yù)處理包括確定打印方向，并在三維模型的底部設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)。具體地，確定好打印方向后，在三維模型沿打印方向的底部設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，并根據(jù)情況對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的高度、分布和疏密程度進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0031]S3、設(shè)置3D打印參數(shù)，對(duì)三維模型進(jìn)行分層處理，保存并導(dǎo)出相應(yīng)格式的文件。具體地，所述3D打印參數(shù)包括零件的擺放位置、擺放方式以及激光的掃描方式、掃描速度、功率和補(bǔ)償因子。優(yōu)選地，本發(fā)明實(shí)施例中，設(shè)定3D打印設(shè)備的內(nèi)部掃描速度為275?385mm/s，內(nèi)部掃描功率為90?100W ;外部邊界掃描速度為425?510mm/s，外部邊界掃描功率為90?100W ;支撐掃描速度為425?500mm/s，支撐掃描功率為90?100W ;掃描方式為由外向內(nèi)進(jìn)行；光斑補(bǔ)償因子設(shè)定為10~40 i! m ;擺放位置根據(jù)所加工零件的數(shù)量和大小確定，做到互不遮擋，互不干涉，并使零件水平方向與基臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向成35~45度角。
[0032]對(duì)三維模型進(jìn)行分層處理，即將三維模型沿打印方向分解成多個(gè)層厚相等的三維結(jié)構(gòu)。具體地，使用SLM AutoFab641.8軟件對(duì)已建立好的三維模型進(jìn)行分層處理:沿著打印方向?qū)⒃撊S模型分割成若干層厚相等的層片，層厚一般為30~80 y m,需根據(jù)3D打印設(shè)備中使用的純鈦材料粉末的粒度具體設(shè)定。
[0033]最后，保存并以SLM格式導(dǎo)出，所述SLM格式為3D打印設(shè)備可識(shí)別的文件格式。
[0034]S4、將所述導(dǎo)出的SLM格式文件導(dǎo)入3D打印設(shè)備，進(jìn)行3D打印。
[0035]在本發(fā)明實(shí)施例中，使用了德國(guó)SLM Solutions Gmbh公司生產(chǎn)的型號(hào)為SLM-125HL的3D打印設(shè)備進(jìn)行零件加工。結(jié)合圖2所示，所述S4中3D打印設(shè)備的工作過(guò)程具體包括以下步驟:
[0036]S401、等待3D打印設(shè)備預(yù)熱至工作所需條件。優(yōu)選的，在3D打印設(shè)備的加工過(guò)程中，可以向加工艙2中通入純氬氣(純度為99.999%)作為保護(hù)氣體，純氬氣的通入工作在準(zhǔn)備階段就需要進(jìn)行。具體地，在檢查設(shè)備無(wú)異常后，打開(kāi)氬氣閥門、通入壓縮氣體、并開(kāi)啟設(shè)備；啟動(dòng)SLM AutoFab MCS1.1軟件，并調(diào)平基板7，使其與工作艙2底面相平，開(kāi)始加熱并打開(kāi)加工艙2的保護(hù)氣進(jìn)氣口 3和保護(hù)氣出氣口 9。直至基臺(tái)7的溫度達(dá)到200°C，加工艙2內(nèi)的氧氣含量低于0.2%時(shí)，即達(dá)到了工作所需條件。
[0037]S402、將導(dǎo)出的SLM格式文件導(dǎo)入3D打印設(shè)備；點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕。
[0038]S403、根據(jù)導(dǎo)入的文件，3D打印設(shè)備按照設(shè)定的打印參數(shù)，使用純鈦材料粉末以增材打印的方式進(jìn)行3D打印。其中，本發(fā)明實(shí)施例中使用的純鈦材料粉末為二級(jí)純鈦，其粉末顆粒在20~100 ii m之間。
`[0039]具體地，在加工艙2內(nèi)，鋪粉裝置4停放在基臺(tái)7右端，首先鋪粉裝置4水平向左運(yùn)動(dòng)，將鋪粉裝置4內(nèi)部運(yùn)載的純鈦材料粉末均勻鋪在基臺(tái)7上；每鋪完一個(gè)單位的層厚，振鏡系統(tǒng)10按照零件模型的三維結(jié)構(gòu)和設(shè)定的參數(shù)對(duì)該層的純鈦材料粉末進(jìn)行激光掃描加工；每加工完一層三維結(jié)構(gòu)，基臺(tái)7向下運(yùn)動(dòng)一個(gè)層厚，鋪粉裝置4水平向右運(yùn)動(dòng)至初始位置，進(jìn)行再次鋪粉，再由振鏡系統(tǒng)10進(jìn)行激光掃描，如此反復(fù)，直至多孔結(jié)構(gòu)零件8加工完成。加工時(shí)，零件8與加工艙2的腔體之間多余的純鈦材料粉末(未圖示)可通過(guò)回收倉(cāng)通道5、6回收。
[0040]S404、當(dāng)鋪粉裝置4內(nèi)無(wú)純鈦材料粉末時(shí)，回到與加粉管道I的接觸位置，通過(guò)加粉管道I進(jìn)行加粉作業(yè)。加粉完成后重新開(kāi)始運(yùn)行S403中中斷的工作,直至完成。
[0041]S405、加工完成后設(shè)備自行停止，開(kāi)始冷卻功能，至常溫可將零件8取出，最后清理加工艙2并將零件8和支撐結(jié)構(gòu)分離。
[0042]S406、零件8加工完成后，還可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)零件8表面進(jìn)行噴砂、拋光等處理。
[0043]為驗(yàn)證本發(fā)明實(shí)施例提供的加工參數(shù)產(chǎn)生的顯著技術(shù)效果，發(fā)明人進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。其中，實(shí)驗(yàn)中制備的多孔結(jié)構(gòu)如圖3所示，具體對(duì)比數(shù)據(jù)如表一所示。
[0044]表一
[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種選擇性激光熔化制備純鈦多孔結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、在計(jì)算機(jī)中建立所需制備的多孔結(jié)構(gòu)的三維模型； 52、對(duì)建立的三維模型進(jìn)行分層預(yù)處理，所述分層預(yù)處理包括確定打印方向，并在三維模型的底部設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)； 53、設(shè)置3D打印參數(shù)，對(duì)三維模型進(jìn)行分層處理，將三維模型沿打印方向分解成多個(gè)層厚相等的三維結(jié)構(gòu)，保存并導(dǎo)出相應(yīng)格式的文件； 54、將所述導(dǎo)出的文件導(dǎo)入3D打印設(shè)備，進(jìn)行3D打印。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在S3中，分解的層厚為30?80iim。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在S3中，所述3D打印參數(shù)包括零件的擺放位置、擺放方式以及激光的掃描方式、掃描速度、功率和補(bǔ)償因子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述掃描速度為275?510mm/s，功率為90?100W，補(bǔ)償因子為10?40 ii m ;掃描方式為由外向內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述掃描速度包括內(nèi)部掃描速度和外部邊界掃描速度，其中，內(nèi)部掃描速度為275?385mm/s，外部邊界掃描425?510mm/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4具體包括以下步驟: 5401、等待3D打印設(shè)備預(yù)熱至工作所需條件； 5402、將導(dǎo)出的文件導(dǎo)入3D打印設(shè)備； 5403、3D打印設(shè)備按照設(shè)定的打印參數(shù)，使用純鈦材料粉末以增材打印的方式進(jìn)行3D打印。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述3D打印設(shè)備為德國(guó)SLMSolutionsGmbh公司生產(chǎn)的型號(hào)為SLM-125HL的3D打印設(shè)備。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述純鈦材料粉末為二級(jí)純鈦，其粉末顆粒在20?IOOiim之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在3D打印設(shè)備的加工過(guò)程中，向3D打印設(shè)備的加工艙中通入純氬氣作為保護(hù)氣體。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在S401中，所述工作所需條件為3D打印設(shè)備的基臺(tái)溫度不小于200°C，加工艙內(nèi)氧氣含量低于0.2%。
【文檔編號(hào)】B22F3/11GK103495731SQ201310395502
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月3日
【發(fā)明者】張春雨, 李子夫, 戚留舉, 馬德貴, 孫學(xué)通, 陳賢帥 申請(qǐng)人:廣州中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所