CN105728722A - 一种陶瓷钛合金复合材料生物植入制件的3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
一种陶瓷钛合金复合材料生物植入制件的3D打印方法，其特征在于：将按比例混合均匀的陶瓷粉体ZrO2、Al2O3或ZrO2/Al2O3和钛合金粉末置于金属3D打印工作室内，在功率200~500W，扫描速度200~600mm/s，光斑直径30~60μm，扫描间距40~70μm，工作室氧浓度＜50ppm条件下打印，将3D打印得到的制件在Ar气保护和温度950~1050℃下进行等静压或固溶处理，时间1.5~4h。本发明打印的制件材料与人体生物相溶性好，组织致密可控，力学性能适配，具有优良的耐蚀抗磨损性能，生产周期短，制作成本低，通过改变钛合金在基体材料中的比例，可以调整成形制件的整体强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有生物活性的陶瓷钛合金复合材料生物植入制件的3D打印方法，属于金属选区激光熔化（SLM）技术领域。
背景技术
3D打印是依托于信息技术、精密机械、激光电子束技术以及材料科学等学科发展起来的高新技术，主要通过CAD/CAM创建的三维设计模型对材料进行“分层打印”叠加，最终整体成形。相对于材料去除（或变形）的传统加工技术，基于材料增加的金属增材制造技术有着极高的材料利用率，可制造复杂的零件和部件，其应用得到很快发展。
近年来，医疗领域的3D打印技术引起高度重视，成形的方法主要有：（1）立体光刻技术（Stereolithography），它是通过紫外激光照射并固化光敏树脂成形整体实物；（2）熔融沉积成型（FusedDepositionModeling，FDM），材料经高温熔化成液态，然后通过喷嘴挤压出球状颗粒，喷出后固化，固化的颗粒在三体空间进行排列组合最终形成实物；（3）选区激光熔化（SelectiveLaserMelting，SLM），采用激光束按3D切片路径逐层扫描，直至整体成形。得益于近几年来光纤激光和粉体材料制备技术的突破，选区激光熔化（SLM）成为制备生物医疗用牙科、骨科制件最有发展前景的技术之一。
研究表明，Ti合金、Ta合金和Ni合金都具有良好的生物相容性，而无机陶瓷材料具有良好的生物活性，选用陶瓷和钛合金两种材料组合的复合材料3D打印牙科、骨科植入体，可兼具优良的生物相容性和生物活性。目前，已公开的专利都未涉及该方面的研究报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种具有优良生物相容性和生物活性的陶瓷钛合金复合材料生物植入制件的3D打印方法。
本发明是通过以下方案实现的：将按比例混合均匀的陶瓷粉体ZrO2、Al2O3或ZrO2/Al2O3和钛合金粉末置于金属3D打印工作室内，在功率200~500W，扫描速度200~600mm/s，光斑直径30~60μm，扫描间距40~70μm，工作室氧浓度＜50ppm条件下打印，按照预定的打印程序，完成三维模型的每一分层截面打印后，工作平台沿Z向下降一个层厚，再进行下一分层截面的打印，重复上述过程，得到制件；将3D打印得到的制件在Ar气保护和温度950~1050℃下进行等静压或固溶处理，时间1.5~4h，退火处理后的3D打印制件组织致密、强度高、耐蚀性好，经抛光处理后可直接应用于临床。
所述三维模型的每一分层截面的厚度为20μm。
本发明的陶瓷粉体是市售的经过相变增韧的TZP陶瓷或Al2O3陶瓷，具有高强度、高韧性和优异耐磨性和隔热性能，粉体粒度10~20μm。
本发明的3D打印原料由体积百分为50~80%的陶瓷粉体ZrO2、Al2O3或ZrO2/Al2O3和20~50%的钛合金粉末组成。
本发明的钛合金粉末是以β相钛合金为主，粒度10~30μm，是一种比重轻、强度高、耐蚀性好的轻金属，在高温下，钛合金粉末可与陶瓷粉体形成较好的浸润与连接，提高了复合材料制件的强度。
本发明与现有技术相比的优点是：利用陶瓷基金属粉体材料直接3D打印出牙科、骨科植入体，个性化制备效率高，制件材料与人体生物相溶性好，组织致密可控，力学性能适配，具有优良的耐蚀抗磨损性能，生产周期短，制作成本低，通过改变钛合金在基体材料中的比例，可以调整成形制件的整体强度。
具体实施方式
实施例1
按体积百分80%和20%分别量取TZP陶瓷粉体，粒度10~20μm和钛合金粉末，粒度10~30μm，在混料机中搅拌混合均匀，放置到3D打印工作室。
利用计算机建立三维实体模型，设置沿Z向生成每层厚度为20μm的层状模型和各层扫描路径程序。
3D打印的工艺参数：功率400W，扫描速度600mm/s，光斑直径60μm，扫描间距70μm，工作室氧浓度＜50ppm。
启动打印程序，激光光斑按照预置的扫描路径完成第一分层截面图形打印，工作台沿Z轴下降20μm，开始第二分层截面图形打印，上述过程循环进行，得到制件。
将打印出的制件移到加热炉中，炉内有Ar气体保护，采用等静压或固溶处理，温度950℃，处理时间2h，完成制件的制备。
实施例2
按体积百分65%和35%分别量取TZP陶瓷粉体，粒度10~20μm和钛合金粉末，粒度10~30μm，在混料机中搅拌混合均匀，放置到3D打印工作室。
利用计算机建立三维实体模型，设置沿Z向生成每层厚度为20μm的层状模型和各层扫描路径程序。
3D打印的工艺参数：功率300W，扫描速度600mm/s，光斑直径60μm，扫描间距70μm，工作室氧浓度＜50ppm。
启动打印程序，激光光斑按照预置的扫描路径完成第一分层截面图形打印，工作台沿Z轴下降20μm，开始第二分层截面图形打印，上述过程循环进行，得到制件。
将打印出的制件移到加热炉中，炉内有Ar气体保护，采用等静压或固溶处理，温度950℃，处理时间4h，完成制件的制备。
实施例3
按体积百分50%和50%分别量取陶瓷粉体Al2O3，粒度10~20μm和钛合金粉末，粒度10~30μm，在混料机中搅拌混合均匀，放置到3D打印工作室。
利用计算机建立三维实体模型，设置沿Z向生成每层厚度为20μm的层状模型和各层扫描路径程序。
3D打印的工艺参数：功率400W，扫描速度450mm/s，光斑直径60μm，扫描间距55μm，工作室氧浓度＜50ppm。
启动打印程序，激光光斑按照预置的扫描路径完成第一分层截面图形打印，工作台沿Z轴下降20μm，开始第二分层截面图形打印，上述过程循环进行，得到制件。
将打印出的制件移到加热炉中，炉内有Ar气体保护，采用等静压或固溶处理，温度1050℃，处理时间2h，完成制件的制备。
实施例4
按体积百分25%、25%和50%分别量取TZP陶瓷粉体和Al2O3，粒度10~20μm和钛合金粉末，粒度10~30μm，在混料机中搅拌混合均匀，放置到3D打印工作室。
利用计算机建立三维实体模型，设置沿Z向生成每层厚度为20μm的层状模型和各层扫描路径程序。
3D打印的工艺参数：功率500W，扫描速度300mm/s，光斑直径60μm，扫描间距50μm，工作室氧浓度＜50ppm。
启动打印程序，激光光斑按照预置的扫描路径完成第一分层截面图形打印，工作台沿Z轴下降20μm，开始第二分层截面图形打印，上述过程循环进行，得到制件。
将打印出的制件移到加热炉中，炉内有Ar气体保护，采用等静压或固溶处理，温度1050℃，处理时间2h，完成制件的制备。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述所公开的实施例的其它变化，对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。
Claims (7)
1.一种陶瓷钛合金复合材料生物植入制件的3D打印方法，其特征在于将按比例混合均匀的陶瓷粉体ZrO2、Al2O3或ZrO2/Al2O3和钛合金粉末置于金属3D打印工作室内，在功率200~500W，扫描速度200~600mm/s，光斑直径30~60μm，扫描间距40~70μm，工作室氧浓度＜50ppm条件下打印，按照预定的打印程序，完成三维模型的每一分层截面打印后，工作平台沿Z向下降一个层厚，再进行下一分层截面的打印，重复上述过程，得到制件；将3D打印得到的制件在Ar气保护和温度950~1050℃下进行等静压或固溶处理，时间1.5~4h。
2.根据权利要求1所述的陶瓷钛合金复合材料生物植入制件的3D打印方法，其特征在于：陶瓷粉体与钛合金粉末的体积百分为50~80:20~50。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷钛合金复合材料生物植入制件的3D打印方法，其特征在于：所述的陶瓷粉体为ZrO2、Al2O3或ZrO2/Al2O3。
4.根据权利要求3所述的陶瓷钛合金复合材料生物植入制件的3D打印方法，其特征在于：所述的陶瓷粉体ZrO2为相变增韧的TZP陶瓷。
5.根据权利要求1或2所述的陶瓷钛合金复合材料生物植入制件的3D打印方法，其特征在于：所述的陶瓷粉体的粒度为10~20μm。
6.根据权利要求1或2所述的陶瓷钛合金复合材料生物植入制件的3D打印方法，其特征在于：所述的钛合金粉末的粒度为10~30μm。
7.根据权利要求1所述的陶瓷钛合金复合材料生物植入制件的3D打印方法，其特征在于：所述三维模型的每一分层截面的厚度为20μm。
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