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Ti6Al4V胫骨植入体个性化设计及其激光选区熔化制造工艺研究

叶梓恒  
【摘要】:对于罹患骨性关节炎和类风湿性关节炎的中老年人,全膝置换手术(Total KneeArthroplasty,TKA)是较有效的治疗方法。然而,目前国内市场上使用的膝关节植入体绝大部分是以欧美人群的膝关节形貌为基础设计,并采用模块化和标准化制造方式,没有考虑不同患者膝关节的个性化差异。因此针对中国人进行膝关节植入体的个性化设计和定制化制造具有迫切的需求。 激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)作为增材制造(AdditiveManufacturing,AM)的重要发展方向,能成型高致密度,高精度的零件。Ti6Al4V具有比强度高,耐腐蚀,生物相容性好,弹性模量低等优良特性,在医学领域有广泛的应用前景。结合逆向设计方法和正向设计方法,SLM成型的Ti6Al4V植入体可与患者组织进行良好匹配,且内部可带变孔隙率的多孔结构,能完全模仿骨骼组织。针对目前研究现状,本文以膝关节胫骨植入体的个性化设计和定制化制造为研究目标,主要内容如下: (1)在个性化设计上,分析人体膝关节解剖结构和胫骨的生物力学特征,总结胫骨植入体的设计方向和要求,提出结合逆向设计和正向设计的建模方法。通过基于CT扫描的三维模型重建、模拟切骨、形态参数测量的逆向设计方法和基于多孔结构与个性化模型进行布尔运算的正向设计方法,得到可用于SLM成型制造的多孔胫骨植入体模型。 (2)在工艺优化上,分析影响SLM成型质量的因素,探讨扫描速度和扫描间距这两个最主要的因素对SLM成型高致密零件的影响,并检测了Ti6Al4V激光选区熔化成型零件的精度,机械性能和电化学腐蚀性能。总结出激光功率150W,扫描速度400mm/s,扫描间距0.08mm,成型层厚0.03mm,采用正交层错扫描策略,可使零件致密度达到98.65%,表面粗糙度达到6.27μm。SLM成型Ti6Al4V零件的显微硬度为HV1330左右,经热处理后,抗拉强度为1196.22MPa,屈服强度为1038.92MPa,延伸率提升至10.22%,满足标准要求。SLM成型的Ti6Al4V零件平均腐蚀电流密度为582.7nA/cm2,经热处理后减小至529.8nA/cm2,其耐腐蚀性能高于铸造标准,符合人工植入体的应用需要。 (3)在制造上,运用悬垂结构模型探讨了成型层厚为0.03mm下SLM成型悬垂面的极限成型角θc,并以此来优化模型摆放和支撑添加方式。采用正交层错和轮廓扫描两种模式的复合扫描策略加工多孔胫骨植入体,并分析其整体和局部成型效果,表明多孔胫骨植入体的上表面,悬垂面和多孔结构虽然存在细微成型缺陷,但仍符合制造要求。


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