CN109290434A - 一种非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性成形颅骨修护体的领域，并公开了一种非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置及其成形方法。该装置包括夹持单元和成形单元，其中，夹持单元对称设置在成形单元的侧面；成形单元包括工具头和激光器，工具头上端沿圆周方向均匀设置有多个激光器，用于在工具头对该工具头下方的待加工区域加工前对该加工区域进行加热，使得该待加工区域的非晶合金板材处于玻璃化转变温度与起始晶化温度之间的过冷液相区，工具头沿预设轨迹逐层碾压成形待加工非晶合金板材，以此实现待加工非晶合金板材的柔性成形。通过本发明，获得的颅骨修护体生物相容性好，避免柔性成形中的回弹，保证修补体的精度，提高颅骨修补手术的成功率。

Description

一种非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置及其成形方法

技术领域

本发明属于柔性成形颅骨修护体的领域，更具体地，涉及一种非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置及其成形方法。

背景技术

颅骨是保护人类大脑的重要部位，颅骨修复手术通常是治疗颅骨缺损的手术，在颅骨缺损最大直径超过3cm时就需要进行颅骨修复手术，其最重要的一个环节就是颅骨修复体的制造。

目前颅骨修复体主要以钛网为主，鲜少采用非晶合金板材，由于以钛网材料在成形过程中容易产生回弹，从而使得采用该材质制备的颅骨修护体大多成形精度差，无法完全贴合患者创口；

而对于颅骨修护体的制备方法，目前常见的方法包括手工造型、铸造、模压法、印模成形法、液压法、多点成形法等。手工造型获得的颅骨修复体精度差，成功率低，制作周期长，塑型过程痛苦，手术成功率低。铸造法主要采用消失模铸造法，虽能解决加工精度问题，但限于工艺要求，对修复体增厚，加大了患者负担。模压法即传统冲压成型，属于批量生产，个性化制备成本高，且对于非晶合金目前不现实。印模成形法采用材料为骨水泥，术后易产生皮下积液等症状。液压法采用液体获得高压力，成本昂贵。多点成形法的主要问题是加工精度受限于基本体群的尺寸，无法达到精度要求。对于颅骨修护体，不同的患者所需的修护体的结构不同，采用以上的几种方法，均需要量身定制模具以满足不同患者的需求，一方面大大增加了制造的成本，另一方面也延长了制造的时间，大大降低了制造的效率，从而最终影响患者手术的成功率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置及其成形方法，其中通过对其关键组件工具头和环绕设置在工具头上方的激光器的结构设计和位置的布置，使得工具头在加热前，激光器对待加工区域进行快速加热至超塑性状态，避免成形后的回弹和厚薄不均，从而提高成形精度，缩短成型时间以及制造成本。

为实现上述目的，按照本发明一方面，提供了一种非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置，其特征在于，该装置包括夹持单元和成形单元，其中，

夹持单元对称设置在成形单元的侧面，用于夹持待加工非晶合金板材并保持其在加工过程中位置不变；

成形单元包括工具头和激光器，工具头设置在待加工非晶合金板材的上方，其上端沿圆周方向均匀设置有多个激光器，该激光器用于在工具头对该工具头下方的待加工区域加工前对该加工区域进行加热，使得该待加工区域的非晶合金板材处于玻璃化转变温度与起始晶化温度之间的过冷液相区，即使得待加工区域处于超塑性状态，工具头沿预设轨迹逐层碾压成形待加工非晶合金板材，以此实现待加工非晶合金板材的柔性成形过程。

进一步优选地，装置还包括与工具头相对设置的定支撑模型，一方面用于支撑待加工非晶合金板材，一方面作为加工该待加工非晶合金板材的凹模。

进一步优选地，多个激光器形成的加热区域不小于工具头截面面积的2倍，保证工具头移动至下一位置时该位置已被加热至超塑性状态。

进一步优选地，成形单元还包括箱体，该箱体中通入有惰性气体，用于避免加工过程中待加工非晶合金板材的加工区域氧化。

进一步优选地，工具头中设置有冷却流道，一方面用于降低工具头的温度，避免过热，另一方面快速冷却已经成形的区域。

进一步优选地，夹持单元包括垫板和压板，待成形非晶合金置于垫板和压板之间。

按照本发明的另一个方面，一种利用上述非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置的成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)扫描所需颅骨修护体的三维结构和曲面参数，根据该三维结构和曲面参数构建颅骨修护体的三维结构模型，将该三维结构模型按照预设层高进行切片，以此获得在每个切片层中所需颅骨修护体的外部轮廓，根据该轮廓生成工具头的加工路径；

(b)工具头下降与待加工非晶合金板材接触，同时激光器加热待成形区域至超塑性状态，工具头按照加工路径碾压非晶合金板材，以此实现一层切片层的加工；

(c)工具头下降一个预设层高，重复步骤(b)直至完成所有切片层的加工，由此获得所需颅骨修护体。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明采用非晶合金板料为原料，一方面利用其过冷液相区的超塑性和无回弹，克服了柔性成形回弹导致的成形精度低的问题，提高了成形性能，另一方面，非晶合金板料在各方面性能都较优于钛网，使得最终获得的颅骨修护体的生物相容性、耐腐蚀性、比强度或硬度等均更优；

2、本发明通过将非晶合金加热至玻璃化转变温度Tg与起始晶化温度Tx之间的过冷液相区，使非晶合金处于超塑性状态，此时非晶合金处于玻璃态的粘塑性状态，施加很小的力便能产生较大的变形，从而使得柔性成形更加容易，不易发生回弹、拉裂等失效现象；

3、本发明通过多个环绕激光器快速加热，保证了在工具头周围加热无死角，从而保证工具头的前进方向的板料时刻处于过冷液相区的超塑性状态；

4、本发明的装置中的顶支撑模具根据具体的需求可以采用也可以不采用，该顶支撑模具通过快速成形获得，无需同金属模具一样开模，降低成本，缩短成形时间；

5、本发明通过采用在工具头中设置冷却通道，使得板材在加热碾压成形后急速冷却，避免了非晶合金板材长时间处于高温状态而发生晶化的现象，从而使得最终成形的板材具备完全非晶的结构；

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置成形的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置成形时工具头加工轨迹俯视图；

图3a是按照本发明的另一个优选实施例所构建的非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置成形时的结构示意图；

图3b是按照本发明的另一个优选实施例所构建的非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置成形时工具头加工轨迹的结构俯视图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的激光器的位置示意图；

图5是按照本发明的优选实施例够构建的工具头剖面结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-箱体，2-垫板，3-非晶合金板料，4-压板，5-工具头，6-激光器，7-嵌套，8-导柱，9-顶支撑模具，501-冷却液通道

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置成形的结构示意图，如图1所示，一种非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置，该装置包括箱体1、夹持单元、成形单元。

夹持单元用于夹持待成形非晶合金板材，包括垫板2、压板4和导柱8，待加工非晶合金板材3置于垫板2和压板4之间，压板4上升松开对待加工非晶合金板材3的夹持，导柱8用于为压板的上升进行导向；

成形单元包括工具头5和三个环绕激光器6，设置在待成形板材3的上方，通过环绕激光器6对板料3进行快速加热至过冷液相区的超塑性状态，接着通过工具头5对待成形非晶合金板料进行碾压实现待成形非晶合金板料的成形。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的激光器的位置示意图，如图4所示，环绕激光器由三个激光器互成120°组合而成，以此保证工具头周围可全部加热。

图5是按照本发明的优选实施例够构建的工具头剖面结构示意图，如图5所示，工具头5中设置有冷却通道501，冷却通道用于在工具头碾压待成形非晶合金板材后通入冷却介质，以此降低工具头的温度，然后通过工具头与待成形非晶合金板材接触的热传递降低该待成形非晶合金板材表面的温度，从而使其冷却，由此完成待成形非晶合金板材的成形。

非晶合金板料优选采用钛基，锆基等生物相容性较好的非晶合金，不含任何有毒或危害人体健康的元素，如Be,Ni等，同时具有良好热塑性成形能力，比如过冷液相区大于50K或限定S参数，保证其成形性。

箱体1内在加工前通入惰性气体，加工过程全程在惰性气体保护氛围下进行，防止板料氧化。

非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置中可包括或者不包括顶支撑模具9，如图1中所示是一个实施例中采用了顶支撑模具的情形，如图3a所示是另一个实施例中没有采用顶支撑模具的情形，顶支撑模具只要用于在成形过程中支撑非晶合金板材，另一方面也可作为凹模，进一步的提高成形过程中的塑形精度，从而提高成形精度。顶支撑模具采用快速成形的方式成形，与一般的金属模具的成形方式不同，无需单独开模，减少费用，降低成本。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置成形体时工具头加工轨迹俯视图，如图2所示，该实施例中没有顶支撑模型，图中虚线圆代表已加工层面，实线圆代表正在加工或将加工的层面，箭头代表加工方向，指向圆心表示由外到内加工，从该加工轨迹俯视图可以看出，工具头是从外到内一层一层逐渐加工的过程。

图3a是按照本发明的另一个优选实施例所构建的非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置成形时的结构示意图，如图3a所示，图中的成形装置中设置有顶支撑模具，图3b是按照本发明的另一个优选实施例所构建的非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置成形时工具头加工轨迹的俯视图，如图3b所示，图中虚线圆代表已加工层面，实线圆代表正在加工或将加工的层面，箭头代表加工方向，指向圆心表示由内到外加工，从该加工轨迹俯视图可以看出，工具头是从内到外一层一层逐渐加工的过程，从而最终获得所需的颅骨修护体。

一种非晶合金板材的柔性成形系统的成形方法，该方法包括下列步骤：

(a)通过CT建立患者颅骨缺损部位的三维模型及曲面参数，通过处理生成加工路径。

(b)使用柔性成形设备对非晶合金板料进行加工。

(c)按照患者颅骨缺损部位的界面形状，使用激光将柔性成形后的板料进行切割，获得最终颅骨修补体。

(d)对颅骨修补体进行清洁消毒。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置，其特征在于，该装置包括夹持单元和成形单元，其中，

夹持单元对称设置在成形单元的侧面，用于夹持待加工非晶合金板材并保持其在加工过程中位置不变；

成形单元包括工具头(5)和激光器(6)，工具头(5)设置在待加工非晶合金板材(3)的上方，其上端沿圆周方向均匀设置有多个激光器，该激光器用于在工具头对该工具头下方的待加工区域加工前对该加工区域进行加热，使得该待加工区域的非晶合金板材处于玻璃化转变温度与起始晶化温度之间的过冷液相区，即使得待加工区域处于超塑性状态，工具头沿预设轨迹逐层碾压成形待加工非晶合金板材，以此实现待加工非晶合金板材的柔性成形。

2.如权利要求1的一种非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置，其特征在于，装置还包括与工具头相对设置的定支撑模具(9)，一方面用于支撑待加工非晶合金板材，一方面作为加工该待加工非晶合金板材的凹模。

3.如权利要求1或2的一种非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置，其特征在于，每个所述激光器(6)形成的加热区域不小于工具头截面面积的2倍，保证工具头(5)移动至下一位置时该位置已被加热至超塑性状态。

4.如权利要求1-3任一项的一种非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置，其特征在于，成形单元还包括箱体(1)，该箱体中通入有惰性气体，用于避免加工过程中待加工非晶合金板材的加工区域氧化。

5.如权利要求1-3任一项的一种非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置，其特征在于，工具头中设置有冷却流道(501)，一方面用于降低工具头的温度，避免过热，另一方面快速冷却已经成形的区域。

6.如权利要求1-4任一项的一种非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置，其特征在于，夹持单元包括垫板(2)和压板(4)，待成形非晶合金置于垫板和压板之间。

7.一种利用权利要求1-6任一项非晶合金颅骨修护体的柔性成形装置的成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)扫描所需颅骨修护体的三维结构和曲面参数，根据该三维结构和曲面参数构建颅骨修护体的三维结构模型，将该三维结构模型按照预设层高进行切片，以此获得在每个切片层中所需颅骨修护体的外部轮廓，根据该轮廓生成工具头的加工路径；

(b)工具头下降与待加工非晶合金板材接触，同时激光器加热待成形区域至超塑性状态，工具头按照加工路径碾压非晶合金板材，以此实现一层切片层的加工；

(c)工具头下降一个预设层高，重复步骤(b)直至完成所有切片层的加工，由此获得所需颅骨修护体。