CN108296481A - 一种CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法 - Google Patents

一种CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，包括：将CoCrMo合金粉末置于3D打印成型腔内，建立三维模型，设置模型的厚度和各层扫描路径程序；启动程序，进行第一层横截面层状模型的打印，完成后，工作平台沿竖直方向下降，下降的高度为模型的厚度，进行第二层模型的打印，上述过程循环进行，得到制件；将制件取出，用清洗剂清洗并吹干；制件与电源正极连接，电源负极连接对位电极，制件与对位电极之间保持隔开；将制件与对位电极同时置于电解液内，进行电解抛光；电解抛光完成后，将制件取出，置于清水中清洗后吹干。利用本发明处理的牙冠，制备效率高，表面粗糙程度满足加工要求，具有耐蚀耐磨性能。

Description

一种CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法
【技术领域】
本发明涉及一种医用CoCrMo合金牙冠的3D打印与电解抛光复合加工制备方法，属于金属选区激光熔化技术领域。
【背景技术】
3D打印技术是快速成型技术的一种，它利用离散-堆积原理，以数字模型文件为基础，利用粉末状金属材料，通过逐层打印的方法来构造三维物体。与传统的制造方法相比，3D打印技术可以在不降低产品质量的前提下，减少原材料的损耗，简化生产流程，提高生产效率。目前，金属材料的3D打印方法主要有：选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping，LENS)、电子束选区熔化(ElectronBeam Selective Melting，EBSM)等。
电解抛光是一种表面处理技术，目的是改善金属表面几何形状，降低表面粗糙程度。它的基本原理是将加工件置于电解液中并通以电流，利用金属表面氧化膜的生成与溶解，降低工件表面粗糙度，提高亮度。目前，电解抛光技术已经广泛应用到金属精密加工和需要控制表面质量的领域，如化工、机械制造、生物医学、航空航天等。
CoCrMo合金具有很好的理化性质和机械性能，是常用的医用金属植入体材料，在骨科、空腔等医学领域有广泛的应用。相比于传统的铸造方法，利用选区激光熔化技术制备的CoCrMo合金牙冠，力学性能更加优越，并且可以根据患者需求，进行个性化生产，改善患者体验。但是，3D打印方法加工出来的CoCrMo合金牙冠往往表面粗糙度较高，表面覆有未完全熔化的金属颗粒，这样的牙冠需要进行进一步的表面处理才能适合烤漆并应用于临床。结合3D打印技术和电解抛光技术对CoCrMo合金牙冠进行复合加工制备，这种方法在已公开专利都未涉及。
本发明就是基于以上问题产生的。
【发明内容】
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种医用CoCrMo合金牙冠的3D打印与电解抛光复合加工制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
A：将CoCrMo合金粉末均匀置于3D打印成型腔内，利用计算机建立三维实体模型，设置沿竖直方向生成横截面层状模型的厚度和各层扫描路径程序；
B：启动打印程序，激光按照设定好的扫描程序进行第一层横截面层状模型的打印，第一层完成后，工作平台沿竖直方向下降，下降的高度为横截面层状模型的厚度，并进行第二层横截面层状模型的打印，上述过程循环进行，得到制件1；
C：将打印完成的制件1从所述成型腔中取出，用清洗剂清洗，并吹干；
D：所述制件1与电源3正极连接，电源3负极连接对位电极2，所述制件1与所述对位电极2之间保持隔开；
E：将所述制件1与所述对位电极2同时置于预先配置好的电解液4内，进行电解抛光；
F：电解抛光完成后，将所述制件1从所述电解液4中取出，置于清水中清洗，然后取出吹干。
如上所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：在步骤A中，设置3D打印的工艺参数为：功率45～100W，扫描速度200～500mm/s，光斑直径30～60μm，扫描间距40～70μm，工作室氧浓度<50ppm。
如上所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：在步骤D中，所述制件1与所述对位电极2之间的隔开距离为5～30mm。
如上所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：在步骤E中，进行电解抛光的条件是电流密度30～80A/dm2，电解液4温度20～50℃，电解时间1～15min。
如上所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：步骤C中的清洗剂是丙酮,用丙酮去除油渍后，用酒精清洗并吹干。
如上所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：所述CoCrMo合金粉末的粒度为10～35μm。
如上所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：所述三维模型的每一层横截面层状模型厚度为20μm。
如上所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：所述的对位电极材料为铅、铂或不锈钢。
如上所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：所述的电解液4为磷酸、硫酸、甲醇的混合或磷酸、硝酸、甲醇的混合。
如上所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：所述的电解液4各成分由下述体积百分比的组分组成：磷酸40～60％、硫酸20～50％、甲醇5～20％，或者磷酸10～50％、硝酸15～60％、甲醇10～20％。
与现有技术相比，本发明的一种CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，具有如下有益效果：
本发明利用CoCrMo合金粉末3D打印并结合电解抛光进行复合加工处理的医用牙冠，个性化制备效率高，处理后的表面粗糙程度满足后期加工要求，组织致密可控，力学性能可配，具有优良的耐蚀耐磨性能。
【附图说明】
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
图1为本发明实施例1至3中经3D打印制备的CoCrMo合金牙冠和经3D打印与电解抛光复合加工的牙冠表面粗糙度对比。
图2为本发明实施例1中经3D打印制备的CoCrMo合金牙冠表面轮廓。
图3为本发明实施例1中经3D打印与电解抛光复合加工的牙冠表面轮廓。
图4为本发明中制件与对位电极在电解液中的示意图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
将CoCrMo合金粉末均匀置于3D打印成型腔内。
利用计算机设计建立三维实体模型，设置沿Z向生成每层厚度为20μm的横截面层状模型和各层扫描路径程序。
3D打印的工艺参数为：功率45W，扫描速度250mm/s，光斑直径60μm，扫描间距70μm，工作室氧浓度<50ppm。
启动打印程序，激光按照设定好的扫描程序进行第一层横截面图形的打印，第一层完成后，工作平台沿Z轴方向下降20μm，开始进行第二层横截面图形打印，上述过程循环进行，得到制件1。
从成型腔内取出制件1，用丙酮清洗制件表面油渍，用清水冲洗后吹干。
如图4所示，将制件1与电源3正极相连，铂电极2与电源3负极相连，此时电源处于关闭状态，制件1与铂电极2间距为15mm。
将制件1和铂电极2置于体积百分比为40％的磷酸，50％的硝酸，10％的甲醇组成的电解液4内。
电解抛光参数为：电流密度40A/dm2，电解液4温度30℃，电解时间5min。
打开电源，进行电解抛光。
关闭电源，将制件1从电解液4里取出，置于清水中清洗，除去表面电解液后吹干，完成制件的复合加工制备。
如图1至图3所示，复合加工后的制件表面粗糙度由Ra4.564μm降至Ra1.180μm，降低74％。
实施例二
将CoCrMo合金粉末均匀置于3D打印成型腔内。
利用计算机设计建立三维实体模型，设置沿Z向生成每层厚度为20μm的横截面层状模型和各层扫描路径程序。
3D打印的工艺参数为：功率80W，扫描速度400mm/s，光斑直径60μm，扫描间距70μm，工作室氧浓度<50ppm。
启动打印程序，激光按照设定好的扫描程序进行第一层横截面图形的打印，第一层完成后，工作平台沿Z轴方向下降20μm，开始进行第二层横截面图形打印，上述过程循环进行，得到制件1。
从成型腔内取出制件1，用丙酮清洗制件表面油渍，用酒精清洗并吹干。
如图4所示，将制件1与电源3正极相连，铂电极2与电源3负极相连，此时电源处于关闭状态，制件1与铂电极2间距为10mm。
将制件1和铂电极2置于体积百分比为30％的磷酸，60％的硫酸，10％的甲醇组成的电解液4内。
电解抛光参数为：电流密度60A/dm2，电解液4温度30℃，电解时间5min。
打开电源，进行电解抛光。
关闭电源，将制件1从电解液4里取出，置于清水中清洗，除去表面电解液后吹干，完成制件的复合加工制备。
复合加工后的制件表面粗糙度由Ra6.638μm降至Ra3.723μm，降低42％。
实施例三
将CoCrMo合金粉末均匀置于3D打印成型腔内。
利用计算机设计建立三维实体模型，设置沿Z向生成每层厚度为20μm的横截面层状模型和各层扫描路径程序。
3D打印的工艺参数为：功率45W，扫描速度250mm/s，光斑直径60μm，扫描间距70μm，工作室氧浓度<50ppm。
启动打印程序，激光按照设定好的扫描程序进行第一层横截面图形的打印，第一层完成后，工作平台沿Z轴方向下降20μm，开始进行第二层横截面图形打印，上述过程循环进行，得到制件1。
从成型腔内取出制件1，用丙酮清洗制件表面油渍，用清水冲洗后吹干。
如图4所示，将制件1与电源3正极相连，铂电极2与电源3负极相连，此时电源处于关闭状态，制件1与铂电极2间距为10mm。
将制件1和铂电极2置于体积百分比为20％的磷酸，70％的硝酸，10％的甲醇组成的电解液4内。
电解抛光参数为：电流密度50A/dm2，电解液4温度40℃，电解时间8min。
打开电源，进行电解抛光。
关闭电源，将制件1从电解液4里取出，置于清水中清洗，除去表面电解液后吹干，完成制件的复合加工制备。
复合加工后的制件表面粗糙度由Ra5.676μm降至Ra1.327μm，降低77％。
综上所述，经3D打印与电解抛光复合加工的牙冠相比经3D打印制备的CoCrMo合金牙冠，表面粗糙度有了明显的降低，满足后期加工要求。

Claims (10)

1.一种CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
A：将CoCrMo合金粉末均匀置于3D打印成型腔内，利用计算机建立三维实体模型，设置沿竖直方向生成横截面层状模型的厚度和各层扫描路径程序；
B：启动打印程序，激光按照设定好的扫描程序进行第一层横截面层状模型的打印，第一层完成后，工作平台沿竖直方向下降，下降的高度为横截面层状模型的厚度，并进行第二层横截面层状模型的打印，上述过程循环进行，得到制件(1)；
C：将打印完成的制件(1)从所述成型腔中取出，用清洗剂清洗，并吹干；
D：所述制件(1)与电源(3)正极连接，电源(3)负极连接对位电极(2)，所述制件(1)与所述对位电极(2)之间保持隔开；
E：将所述制件(1)与所述对位电极(2)同时置于预先配置好的电解液(4)内，进行电解抛光；
F：电解抛光完成后，将所述制件(1)从所述电解液(4)中取出，置于清水中清洗，然后取出吹干。
2.根据权利要求1所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：在步骤A中，设置3D打印的工艺参数为：功率45～100W，扫描速度200～500mm/s，光斑直径30～60μm，扫描间距40～70μm，工作室氧浓度<50ppm。
3.根据权利要求1所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：在步骤D中，所述制件(1)与所述对位电极(2)之间的隔开距离为5～30mm。
4.根据权利要求1所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：在步骤E中，进行电解抛光的条件是电流密度30～80A/dm2，电解液(4)温度20～50℃，电解时间1～15min。
5.根据权利要求1所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：步骤C中的清洗剂是丙酮,用丙酮去除油渍后，用酒精清洗并吹干。
6.根据权利要求1所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：所述CoCrMo合金粉末的粒度为10～35μm。
7.根据权利要求1所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：所述三维模型的每一层横截面层状模型厚度为20μm。
8.根据权利要求1所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：所述的对位电极材料为铅、铂或不锈钢。
9.根据权利要求1所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：所述的电解液(4)为磷酸、硫酸、甲醇的混合或磷酸、硝酸、甲醇的混合。
10.根据权利要求1或6所述的CoCrMo合金牙冠3D打印与电解抛光复合加工方法，其特征在于：所述的电解液(4)各成分由下述体积百分比的组分组成：磷酸40～60％、硫酸20～50％、甲醇5～20％，或者磷酸10～50％、硝酸15～60％、甲醇10～20％。
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