CN104226995B - 镁合金医学植入体电子束熔化成型方法 - Google Patents

镁合金医学植入体电子束熔化成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镁合金医学植入体电子束熔化成型方法，主要包括步骤(1)建立镁合金医学植入体几何模型，(2)对几何模型进行分层离散，(3)根据植入体几何轮廓信息生成扫描路径，(4)将镁合金粉末材料平铺在电子束成型机的基板上并压实，(5)控制电子束电流大小，按各层截面信息对粉末进行选择性熔化，层层堆积至成型；并对电子束熔化成型的工艺参数进行控制：成型室真空度为5×10‑4Pa，采用Z字形扫描方式，加速电压为10～60kv，电子束电流为1.0～4.0mA，聚焦电流为100～400mA，线扫描速度为50～150mm/s，填充线间距为0.1～0.6mm；整体成型流程步骤简单、易于控制，获得的植入体致密度高，可广泛生产应用于医学领域。

Description

镁合金医学植入体电子束熔化成型方法
技术领域
本发明属于金属粉末制作制品领域，涉及一种镁合金医学植入体电子束熔化成型方法。
背景技术
临床中的医学植入体一般由钛合金、不锈钢等金属制造而成，但这些金属在腐蚀或磨损过程中释放的金属离子易导致组织缺损和生物相容性降低。而且，这些金属需要二次手术取出，增加病人的痛苦及医疗成本。镁合金医学植入体生物相容性好，杨氏模量(45GPa)与人骨(20GPa)相近，能有效缓解应力遮挡效应。尤其是，镁合金在人体内可逐渐被降解并吸收。因此，镁合金医学植入体在生物医学领域具有良好的应用前景。
镁合金医学植入体在制造过程中容易发生氧化，导致其制造具有一定的难度。目前制造镁合金医学植入体的主要方法是激光切割和激光雕刻。镁合金在空气中进行激光切割非常容易氧化，影响镁合金植入体的后续加工处理效果。在清洗和抛光时也很容易对镁合金植入体形成过度腐蚀，植入体表面出现凹坑、麻点等缺陷。激光雕刻过程中一直吹惰性气体(如氨气、高纯氮等)，这种方法获得的医学植入体的加工面比较粗糙，经常带有毛刺，制造精度不高，成品率也很低，在很大程度上制约了其应用和推广。针对以上问题，华南理工大学提出了镁合金医学植入体的选区激光熔化成型方法(CN201010202544.8)，然而，镁合金的高反射和易氧化特性导致激光能量利用率和制造效率较低、制造精度较差，而这些问题又成了制约镁合金医学植入体进一步发展的瓶颈。
电子束熔化成型技术是一种基于离散—堆积原理，以高能量密度和高能量利用率的电子束作为加工热源，实现数字模型到金属零件的直接成型技术。与选区激光熔化成型方法相比，该方法具有能量利用率高，加工速度快，无反射和加工材料广泛等优点；然而，由于镁合金密度较低，镁合金粉末在真空室抽气瞬间的气流和高速高能量密度的电子束压力下易发生溃散，导致金属粉末在成型熔化前已偏离原来位置，无法进行后续成型；此外，镁合金导热系数很大，成型件不同区域温度梯度大，易导致成型翘曲变形严重。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种成型过程简单、制造效率高且不易变形氧化的镁合金医学植入体电子束熔化成型方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种镁合金医学植入体电子束熔化成型方法，主要包括步骤(1)建立镁合金医学植入体几何模型，(2)对几何模型进行分层离散，(3)根据植入体几何轮廓信息生成扫描路径，(4)将镁合金粉末材料平铺在电子束成型机的基板上并压实，(5)控制电子束电流大小，按各层截面信息对粉末进行选择性熔化，层层堆积至成型；对电子束熔化成型的工艺参数进行控制：成型室真空度为5×10-4Pa，采用Z字形扫描方式，加速电压为10～60kv，电子束电流为1.0～4.0mA，聚焦电流为100～400mA，线扫描速度为50～150mm/s，填充线间距为0.1～0.6mm。
进一步，步骤(4)中镁合金粉末材料在基板上平铺前先进行基板预热至150～350℃，铺粉厚度为10-50μm。
进一步，所述镁合金粉末粒径范围为45-75μm。
进一步，所述步骤(4)与步骤(5)间还包括对镁合金粉末层进行预热过程，预热过程中控制电子束电流为0.5～1.5mA，线扫描速度100～150mm/s。
进一步，所述的医学植入体包括血管支架、韧带、腱、牙周纤维、皮肤、头骨、关节及内部器官。
本发明的有益效果在于：
1.电子束直径非常细小(＜0.1μm)，便于精确控制植入体的内部孔隙结构，可成型任意形状复杂的三维连通孔隙结构，提升了植入体结构的尺寸、形状精度与连通性，为诱导细胞生长提供结构性条件；
2.利用电子束对镁合金粉末预热，提高了粉末相互间的粘结力，避免了真空室抽气瞬间的气流和电子束对金属粉末的冲击作用力，利于后续成型；
3.电子束的能量利用率高(能量转换效率80％以上)、聚焦方便，真空环境可有效避免镁合金氧化；
4.同一基板上可同时成型多个不同网格形状的医学植入体，提高了制造效率与制造精度；
5.整体成型流程步骤简单、易于控制，获得的植入体致密度高(致密度＞90％)，可广泛生产应用于医学领域。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例一
如图所示，本实施例所述的镁合金医学植入体电子束熔化成型方法，主要包括以下步骤：
(1)建立镁合金医学植入体几何模型；
(2)对几何模型进行分层离散；
(3)根据植入体几何轮廓信息生成扫描路径；
(4)电子束成型机的基板预热至150℃，将镁合金粉末材料平铺在基板上并压实，镁合金粉末粒径为45μm，铺粉厚度为10μm；
(5)对镁合金粉末层进行预热，使粉末间发生轻微烧结，保证在后续高能量束流和低扫描速度熔化过程中粉末能够被固定在原位，预热过程中控制电子束电流为0.5mA，线扫描速度100mm/s；
(6)控制电子束电流大小，按各层截面信息对粉末进行选择性熔化，熔化成型的工艺参数如下：成型室真空度为5×10-4Pa，采用Z字形扫描方式，加速电压为10kv，电子束电流为1.0mA，聚焦电流为100mA，线扫描速度为50mm/s，填充线间距为0.1mm；
(7)扫描一层后进行下一次铺粉和电子束扫描熔化，层层堆积至成型，获得所需的血管支架、韧带、腱、牙周纤维、皮肤、头骨、关节、内部器官等医学植入体。
实施例二
如图所示，本实施例所述的镁合金医学植入体电子束熔化成型方法，主要包括以下步骤：
(1)建立镁合金医学植入体几何模型；
(2)对几何模型进行分层离散；
(3)根据植入体几何轮廓信息生成扫描路径；
(4)电子束成型机的基板预热至200℃，将镁合金粉末材料平铺在基板上并压实，镁合金粉末粒径为55μm，铺粉厚度为20μm；
(5)对镁合金粉末层进行预热，使粉末间发生轻微烧结，保证在后续高能量束流和低扫描速度熔化过程中粉末能够被固定在原位，预热过程中控制电子束电流为0.8mA，线扫描速度110mm/s；
(6)控制电子束电流大小，按各层截面信息对粉末进行选择性熔化，熔化成型的工艺参数如下：成型室真空度为5×10-4Pa，采用Z字形扫描方式，加速电压为20kv，电子束电流为1.5mA，聚焦电流为150mA，线扫描速度为70mm/s，填充线间距为0.2mm；
(7)扫描一层后进行下一次铺粉和电子束扫描熔化，层层堆积至成型，获得所需的血管支架、韧带、腱、牙周纤维、皮肤、头骨、关节、内部器官等医学植入体。
实施例三
如图所示，本实施例所述的镁合金医学植入体电子束熔化成型方法，主要包括以下步骤：
(1)建立镁合金医学植入体几何模型；
(2)对几何模型进行分层离散；
(3)根据植入体几何轮廓信息生成扫描路径；
(4)电子束成型机的基板预热至250℃，将镁合金粉末材料平铺在基板上并压实，镁合金粉末粒径为60μm，铺粉厚度为30μm；
(5)对镁合金粉末层进行预热，使粉末间发生轻微烧结，保证在后续高能量束流和低扫描速度熔化过程中粉末能够被固定在原位，预热过程中控制电子束电流为1.0mA，线扫描速度120mm/s；
(6)控制电子束电流大小，按各层截面信息对粉末进行选择性熔化，熔化成型的工艺参数如下：成型室真空度为5×10-4Pa，采用Z字形扫描方式，加速电压为30kv，电子束电流为2mA，聚焦电流为200mA，线扫描速度为90mm/s，填充线间距为0.3mm；
(7)扫描一层后进行下一次铺粉和电子束扫描熔化，层层堆积至成型，获得所需的血管支架、韧带、腱、牙周纤维、皮肤、头骨、关节、内部器官等医学植入体。
实施例四
如图所示，本实施例所述的镁合金医学植入体电子束熔化成型方法，主要包括以下步骤：
(1)建立镁合金医学植入体几何模型；
(2)对几何模型进行分层离散；
(3)根据植入体几何轮廓信息生成扫描路径；
(4)电子束成型机的基板预热至300℃，将镁合金粉末材料平铺在基板上并压实，镁合金粉末粒径为65μm，铺粉厚度为40μm；
(5)对镁合金粉末层进行预热，使粉末间发生轻微烧结，保证在后续高能量束流和低扫描速度熔化过程中粉末能够被固定在原位，预热过程中控制电子束电流为1.2mA，线扫描速度130mm/s；
(6)控制电子束电流大小，按各层截面信息对粉末进行选择性熔化，熔化成型的工艺参数如下：成型室真空度为5×10-4Pa，采用Z字形扫描方式，加速电压为40kv，电子束电流为2.5mA，聚焦电流为250mA，线扫描速度为110mm/s，填充线间距为0.4mm；
(7)扫描一层后进行下一次铺粉和电子束扫描熔化，层层堆积至成型，获得所需的血管支架、韧带、腱、牙周纤维、皮肤、头骨、关节、内部器官等医学植入体。
实施例五
如图所示，本实施例所述的镁合金医学植入体电子束熔化成型方法，主要包括以下步骤：
(1)建立镁合金医学植入体几何模型；
(2)对几何模型进行分层离散；
(3)根据植入体几何轮廓信息生成扫描路径；
(4)电子束成型机的基板预热至350℃，将镁合金粉末材料平铺在基板上并压实，镁合金粉末粒径为70μm，铺粉厚度为45μm；
(5)对镁合金粉末层进行预热，使粉末间发生轻微烧结，保证在后续高能量束流和低扫描速度熔化过程中粉末能够被固定在原位，预热过程中控制电子束电流为1.5mA，线扫描速度140mm/s；
(6)控制电子束电流大小，按各层截面信息对粉末进行选择性熔化，熔化成型的工艺参数如下：成型室真空度为5×10-4Pa，采用Z字形扫描方式，加速电压为50kv，电子束电流为3mA，聚焦电流为300mA，线扫描速度为130mm/s，填充线间距为0.5mm；
(7)扫描一层后进行下一次铺粉和电子束扫描熔化，层层堆积至成型，获得所需的血管支架、韧带、腱、牙周纤维、皮肤、头骨、关节、内部器官等医学植入体。
实施例六
如图所示，本实施例所述的镁合金医学植入体电子束熔化成型方法，主要包括以下步骤：
(1)建立镁合金医学植入体几何模型；
(2)对几何模型进行分层离散；
(3)根据植入体几何轮廓信息生成扫描路径；
(4)电子束成型机的基板预热至350℃，将镁合金粉末材料平铺在基板上并压实，镁合金粉末粒径为75μm，铺粉厚度为50μm；
(5)对镁合金粉末层进行预热，使粉末间发生轻微烧结，保证在后续高能量束流和低扫描速度熔化过程中粉末能够被固定在原位，预热过程中控制电子束电流为1.5mA，线扫描速度150mm/s；
(6)控制电子束电流大小，按各层截面信息对粉末进行选择性熔化，熔化成型的工艺参数如下：成型室真空度为5×10-4Pa，采用Z字形扫描方式，加速电压为60kv，电子束电流为4.0mA，聚焦电流为400mA，线扫描速度为150mm/s，填充线间距为0.6mm；
(7)扫描一层后进行下一次铺粉和电子束扫描熔化，层层堆积至成型，获得所需的血管支架、韧带、腱、牙周纤维、皮肤、头骨、关节、内部器官等医学植入体。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种镁合金医学植入体电子束熔化成型方法，主要包括步骤（1）建立镁合金医学植入体几何模型，（2）对几何模型进行分层离散，（3）根据植入体几何轮廓信息生成扫描路径，（4）将镁合金粉末材料平铺在电子束成型机的基板上并压实，（5）控制电子束电流大小，按各层截面信息对粉末进行选择性熔化，层层堆积至成型；其特征在于对电子束熔化成型的工艺参数进行控制：成型室真空度为5×10-4 Pa，采用Z字形扫描方式，加速电压为10～60kv，电子束电流为1.0～4.0 mA，聚焦电流为100～400 mA，线扫描速度为50～150 mm/s，填充线间距为0.1～0.6 mm；步骤（4）中镁合金粉末材料在基板上平铺前先进行基板预热至150～350 ℃，铺粉厚度为10～50μm；所述镁合金粉末粒径范围为45-75μm；所述步骤（4）与步骤（5）间还包括对镁合金粉末层进行预热过程，预热过程中控制电子束电流为0.5～1.5mA，线扫描速度100～150 mm/s。
2.根据权利要求1所述的镁合金医学植入体电子束熔化成型方法，其特征在于：所述的医学植入体包括血管支架、韧带、腱、牙周纤维、皮肤、头骨、关节及内部器官。
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