CN109459432B - 一种硬组织增材制造成型性能高通量评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种硬组织增材制造成型性能高通量评价方法，包括：提取人体硬组织外观形貌的结构特征，根据该结构特征设计I、L、T和F型典型件；将所述典型件按照与增材制造基板分别呈不同角度摆放呈一行，且按照类别将I、L、T和F型各摆放成一列；选用钛合金粉末，采用金属增材制造方法制备上述典型件试样；获取制备的典型件试样三维实体模型和空间位置信息，与制备前初始信息进行匹配，一次性获得不同形状和不同摆放角度典型件构件所有尺寸变形和微观组织情况，实现个性化硬组织增材制造性能高通量评价。

Description

一种硬组织增材制造成型性能高通量评价方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造领域，具体地，涉及一种硬组织增材制造成型性能高通量评价方法。
背景技术
随着人类进入高龄化步伐加快、中青年创伤增多、疑难疾病患者的增加，牙齿、骨骼和关节等硬组织损伤越来越多，迫切需要植入外界材料替换修补破损的人体硬组织。钛及钛合金因其具有良好的生物力学性能和生物相容性，近年来，钛及钛合金制品已经作为重要的医用植入体在临床上得到大量应用。由于个体骨结构差异巨大，以及病变部位、大小和形状各异，难以通过传统大规模化生产方式制备，增材制造个性化定制植入物成为最为适合的成型手段。然而金属增材制造工艺窗口窄，植入物摆放位置和打印方式严重影响植入物构件的尺寸精度和力学性能，制约个性化治疗方案的实施效果。因此，必须采用增材制造成型工艺参数优化，以制备满足个性化患者对植入物外形尺寸和生物力学性能要求，为临床医师顺利开展手术移植和减轻患者痛苦提供基础支撑。
经对现有技术的文献检索发现：申请号为201810088586.X的中国发明专利涉及到在增材制造过程中实时监控零件形状的方法。该专利针对增材制造过程构件尺寸变形问题，采用激光扫描仪实时监测已打印构件部分表面点云和反光标记物的空间位置信息，并在计算机中实时重构出已打印零件的三维实体模型，进而观察与分析零件当前变形情况，可较好的原位观察增材制造过程变形过程。其不足之处在于，该实时监测系统设备不但结构复杂价格昂贵，而且一次仅能观察分析一种结构和一种摆放位置增材制造变形情况，无法高效评价增材制造成型性能。
鄢荣曾等在《中华口腔医学杂志》(2016年，第51卷，第11期，第656-660页)上发表了“三维打印三维网格钛合金支架的生物力学性能初探”，该文中提出了采用金属三维打印制备丝状、板状和三维网状钛合金试件评价增材制造生物力学性能，具体方法为：采用拉伸和三点弯曲实验测试生物力学性能，压缩实验测试三维网状试件力学性能，发现三维打印的钛合金试件支架丝直径和分布密度可明显影响抗压强度。其不足之处在于该方法没有考察试件摆放位置和形状对增材制造成型性能的巨大影响；因此，该方法无法评价人体内复杂结构硬组织的增材制造成型性能，难以指导个性化钛合金等硬组织增材制造成型。
发明内容
针对现有钛合金等增材制造成型性能方面评价不足，本发明的目的是提供一种钛合金等硬组织增材制造成型性能高通量评价方法，以期为快速增材制造成型个性化硬组织植入物构件，减少病人等待手术时间提供基础支持。
为实现上述目的，本发明目的通过如下技术方案实现：
一种硬组织增材制造成型性能高通量评价方法，包括：
提取人体硬组织外观形貌的结构特征，根据该结构特征设计I、L、T和F型典型件；
将所述典型件按照与增材制造基板分别呈不同角度摆放呈一行，且按照类别将I、L、T和F型各摆放成一列；
选用医用植入物合金粉末，采用金属增材制造方法制备上述典型件试样；
在制备的典型件试样表面黏贴反光标识物，采用激光测量仪扫描所述典型件试样，构建典型件三维实体模型和空间位置信息，以初始CAD模型为基准，将增材制造构件即典型件试样三维重建后真实形貌与初始CAD模型进行最佳匹配，可一次性获得不同形状和不同摆放角度典型件构件所有尺寸变形和微观组织情况，实现个性化硬组织增材制造性能高通量评价。
可选地，将所述典型件按照与增材制造基板分别呈不同角度摆放呈一行，是指：将所述典型件按照与增材制造基板分别呈0、15°、30°、45°、60°、75°和90°角度位置摆放呈一行。
可选地，所述医用植入物金属合金包括但不限于医用钛合金、不锈钢、钴基合金等。
因人体硬组织结构非常复杂，但是可以进行结构简化，根据本发明研究发现，人体硬组织结构都可以有I、L、T和F单一或组合表征，因此只要研究清楚这四种类型结构成型情况，即可通过获得人体所有硬组织的成型性能。因此，采用医用植入物合金(比如与人体组织相容性较好的钛合金等)设计上述的I、L、T和F的典型件结构，可以从形貌上参照人体硬组织结构特征，例如：腿骨由I与T型组合，牙齿为T型，关节为L型，颌骨根据病损大小可由I、L、T和F型组合等等，从而可以快速评价各种增材制造成型的个性化硬组织植入物构件，减少病人等待手术时间提供基础支持。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明采用基于人体硬组织结构特征的典型件设计，一次性实现不同结构特征，不同摆放位置金属增材制造成型性能高通量评价，克服了现有增材制造成型性能评价过程所用设备复杂，评价结果单一的弊端，同时本发明一次性获得增材制造尺寸变形和微观组织信息，降低试样研制成本的同时，大幅缩短了研发时间。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例中I，L，T和F型典型件结构示意图；
其中：1为I型，2为T型，3为L型，4F型。
图2为本发明一实施例中增材制造典型件及反光标识实物图；
图3为本发明一实施例中增材制造髋关节微观组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1所示，在以下实施例中，首先基于牙齿、颌骨和关节等人体硬组织外观形貌，提取主要结构特征，设计I，L，T和F型典型件，将典型件按照与增材制造基板呈0,15°,30°,45°,60°,75°和90°角度位置摆放呈一行，且按照类别将I，L，T和F型摆放成一列；选用医用TC4钛合金粉末，采用金属增材制造方法制备钛合金典型件试样。钛合金典型件试样制造成型后，钛合金典型件试样表面黏贴反光标识物以增强激光反光效果，采用激光测量仪扫描钛合金典型件试样，运用数据处理方法构建钛合金典型件三维实体模型和空间位置信息，以初始CAD模型为基准，将增材制造构件三维重建后真实形貌与初始CAD模型进行最佳匹配，可一次性获得不同形状和不同摆放角度典型件构件所有尺寸变形和微观组织情况，可实现个性化硬组织增材制造性能高通量评价。
具体的参数实施和应用见以下实施例详细记载，没有详细记载的部分，参照上述描述进行。
实施例1：
根据人体牙齿、关节、脊柱和颌骨结构设计I，T，L和F型典型件，参照图1所示，将典型件按照与增材制造基板呈0,15°,30°,45°,60°,75°和90°角度位置摆放呈一行，且按照类别将I，L，T和F型摆放成一列。
采用德国EOS生产的M290型激光选区熔化(SLM)增材制造机进行成型，典型件厚度均为3mm，其中I型长宽尺寸分别为60×20mm；T型垂直和水平部分长度均60mm，宽度为20mm；L型垂直和水平部位长度分别为60mm和30mm，宽度为20mm；F型垂直和两个水平部分均60mm，宽度为20mm。
制造成型后，钛合金典型件试样表面黏贴反光标识物，如图2所示，选用分辨率为0.03mm的激光测量仪测量典型件尺寸，运用数据处理方法构建钛合金典型件三维实体模型和空间位置信息，以初始CAD模型为基准，采用GeomagicControl软件将增材制造构件三维重建后真实形貌与初始CAD模型进行最佳匹配，结果发现I型与基板夹角15°尺寸时变形最大；T型垂直部分变形较小，水平部分与基板30°夹角时变形最大；L型垂直与水平交界直角部分与基板15°夹角时变形最大；F型与基板夹角15°时和30°时尺寸变形量相当，均较大。说明本实施例可以较好一次性高通量评价人体硬组织复杂结构特征增材制造成型尺寸变形情况。
实施例2：
根据实施例1研究方法，以人体髋关节外形尺寸为基础，设计I，T，L和F型典型件，参照图1所示，将典型件按照与增材制造基板呈0,15°,30°,45°,60°,75°和90°角度位置摆放呈一行，且按照类别将I，L，T和F型摆放成一列。
采用Arcam A2XX增材制造机进行电子束成型性能评价，又好又快的获得了不同结构和不同摆放位置增材制造构件尺寸变形和微观组织演化规律情况，其微观组织如图3所示，进而优化髋关节电子束增材制造过程摆放角度等参数，制备了满足个性化患者需求的髋关节增材制造构件，说明本实施例不但适用于激光选区熔化增材制造性能评价，而且适用于电子束增材制造性能评价。
上述实施例是本发明的部分实施例，仅仅是为了更好的了解本发明的实施例而提供的，并不是本发明的所有实施例。实际应用中，通过调整本发明中的材料(比如不锈钢、钴基合金等可以用于人体植入物的材料)以及各种角度参数，可以获得不同的、无数的实施例，这些均在本发明的涵盖范围内。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种硬组织增材制造成型性能高通量评价方法，其特征在于，包括：
提取人体硬组织外观形貌的结构特征，根据该结构特征设计I、L、T和F型典型件；
将所述典型件按照与增材制造基板分别呈不同角度摆放呈一行，且按照类别将I、L、T和F型各摆放成一列；
选用医用植入物金属合金粉末，采用金属增材制造方法制备上述典型件试样；
获取制备的典型件试样三维实体模型和空间位置信息，与制备前初始信息进行匹配，一次性获得不同形状和不同摆放角度典型件构件所有尺寸变形和微观组织情况，实现个性化硬组织增材制造性能高通量评价。
2.根据权利要求1所述的硬组织增材制造成型性能高通量评价方法，其特征在于，将所述典型件按照与增材制造基板分别呈不同角度摆放呈一行，是指：将所述典型件按照与增材制造基板分别呈0、15°、30°、45°、60°、75°和90°角度位置摆放呈一行。
3.根据权利要求1所述的硬组织增材制造成型性能高通量评价方法，其特征在于，所述获取制备的典型件试样三维实体模型和空间位置信息，是指：在制备的典型件试样表面黏贴反光标识物，采用激光测量仪扫描所述典型件试样，构建典型件三维实体模型和空间位置信息。
4.根据权利要求1所述的硬组织增材制造成型性能高通量评价方法，其特征在于，所述与制备前初始信息进行匹配，是指：得到典型件三维实体模型和空间位置信息后，以初始CAD模型为基准，将典型件三维重建后真实形貌与初始CAD模型进行最佳匹配。
5.根据权利要求1-4任一项所述的硬组织增材制造成型性能高通量评价方法，其特征在于，所述医用植入物金属合金，为医用钛合金、不锈钢、钴基合金中一种。
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