CN109730814B - 一种钛合金多孔融合器及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种钛合金多孔融合器，包括实体区和镂空区，实体区包括内壁固接的承载骨架，承载骨架将所述镂空区分为八个空腔，每个空腔内部固接相互连接的多个镂空结构单元，实体区近似椭圆体，与长轴平行的相对的两侧壁上设置有防滑结构，实体区设置有防滑结构的两侧壁中央贯穿开有椭圆形的植骨槽，镂空区的中央设置有血运孔。本发明还公开了融合器的加工方法。本发明公开的融合器结构具有良好的整体刚度，并在外表面分布有适于骨长入融合的镂空结构区，孔隙率良好，加工方法充分考虑了3D制造工艺性，使融合器结构可通过激光3D打印技术一次成形，无需添加多余支撑结构，设定的加工参数可保证实体结构与镂空结构的良好成形性及连接性。

Description

一种钛合金多孔融合器及其加工方法
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种钛合金多孔融合器，还涉及该融合器的加工方法。
背景技术
融合器是一种用以手术植入方式治疗椎间盘退变性疾病(如腰椎间盘突出、颈椎病等)的植入体，利用该工具可促进椎间骨融合，根据患者情况及植入部位不同，融合器外部形貌也会有一定差异，目前该方式已成为治疗腰椎相关疾病的主要手段之一。因钛合金具有与人体组织良好的相容性，并且无毒无味，故该类植入体主要选用钛合金加工，目前该类型融合器外轮廓多呈椭圆形或环形，整体多为实体结构，近年来为了实现更好的轻质化，出现了在融合器上打规则孔洞的新型结构。
随着3D打印技术的发展，也出现了由网状结构构成的融合器结构以加强植入体与肌体的融合性。由于纯实体结构融合器因质量大，肌体融合性差，已逐渐被开孔类结构取代，但受制于加工工艺的局限性，开孔类融合器多采用均布孔的方式来设计，整体孔隙率低，孔径较大，难以实现良好的组织融合性。大部分融合器设计有网状结构作为组织融合区，但在设计时主要考虑网格结构而忽视了主要起承载作用的实体结构区，导致整个融合器结构整体强度及刚度较差，不利于长期使用。带有网状的融合器设计时往往易于忽略3D打印加工钛合金融合器的工艺性问题，如空间悬空度，导致所设计结构工艺质量难以保证，存在局部结构的坍塌，甚至无法直接加工。
发明内容
本发明的目的是提供一种钛合金多孔融合器，解决了现有融合器整体强度差，孔隙率低难以实现良好的组织融合性。
本发明的另一目的是提供一种钛合金多孔融合器的加工方法，解决了现有加工方法容易忽略3D打印加工钛合金的工艺问题，从而造成加工的融合器存在局部坍塌、质量难以保证的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种钛合金多孔融合器，包括融合器本体，融合器本体包括实体区和镂空区，实体区包括内壁固接的承载骨架，承载骨架将镂空区分为八个空腔，每个空腔内部固接相互连接的多个镂空结构单元，实体区近似椭圆体，与长轴平行的相对的两侧壁上设置有防滑结构，实体区设置有防滑结构的两侧壁中央贯穿开有椭圆形的植骨槽，镂空区的中央设置有血运孔。
本发明的其他特点还在于，
实体区与长轴垂直的一端端面中央开有器械孔，端面两侧开有器械槽。
器械槽靠近镂空区的一端为圆弧形。
防滑结构为实体区两侧壁上沿轴向间隔均匀开设的防滑齿。
承载骨架对称安装在实体区另外两侧面，包括首尾依次连接的四根主承载筋，四根主承载筋相互连接呈菱形，菱形的一组对角连接在实体区两侧内壁上，菱形的另一组对角中的一个角连接在器械槽的顶端，另一个角连接三根副承载筋的一端，三根副承载筋的另一端分别连接在实体区的内壁；未连接副承载筋的两根主承载筋上分别连接一支撑筋，两根支撑筋的另一端固接在一起。
每个镂空结构单元为八个连杆连接形成九个节点的空间单元，每个空间单元的外包络体呈正六面体，连杆横截面为圆形，直径为0.15mm～0.5mm，镂空结构单元孔隙率为60％～85％。
本发明的另一技术方案是，一种钛合金多孔融合器的加工方法，，具体过程包括如下步骤：
步骤1，在CAD工具中将该融合器结构设计完成，将实体区的结构转换为STL数据格式，将镂空区结构转换为graph数据格式；
步骤2，将步骤1得到的数据模型导入商用剖分软件之中进行剖分切片处理，生成两个独立的剖分程序，直接将剖分程序导入激光金属3D打印机前处理软件之中；
步骤3，制定激光选区熔化加工过程的成形工艺，设定激光选区熔化参数，以钛合金粉末为原材料，得到一次成形的多孔融合器。
步骤3中钛合金粉末的粒度为10um～60um。
步骤3中激光选区熔化加工参数如下：对于实体区，激光功率：230kW～380kW，扫描速度：900mm/s～1350mm/s，层厚：0.03mm～0.06mm，搭接率30％～60％；对于镂空区：激光功率：180kW～260kW，扫描速度：1000mm/s～1200mm/s，层厚：0.03mm～0.06mm，搭接率40％～50％。
本发明的有益效果是，一种钛合金多孔融合器解决了现有融合器整体强度差，孔隙率低难以实现良好的组织融合性。该融合器结构具有良好的整体刚度，并在外表面分布有适于骨长入融合的镂空结构区，孔隙率良好。本发明的加工方法充分考虑了3D制造工艺性，使融合器结构可通过激光3D打印技术一次成形，无需添加多余支撑结构，设定的加工参数可保证实体结构与镂空结构的良好成形性及连接性。
附图说明
图1是本发明的一种钛合金多孔融合器的整体框架结构示意图；
图2是本发明的一种钛合金多孔融合器的实体区结构示意图；
图3是本发明的一种钛合金多孔融合器的承载骨架结构示意图；
图4是本发明的一种钛合金多孔融合器的镂空单元结构示意图。
图中，1.实体区，2.镂空区，3.承载骨架，4.血运孔；
1-1.植骨槽，1-2.器械孔，1-3.器械槽，1-4.显影针孔，1-5.防滑齿；
3-1.主承载筋，3-2副承载筋，3-3.支撑筋，
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种钛合金多孔融合器，如图1和图2所示，包括融合器本体，融合器本体包括实体区1和镂空区2，实体区1包括内壁固接的承载骨架3，承载骨架3将镂空区2分为八个空腔，每个空腔内部固接相互连接的多个镂空结构单元，实体区1近似椭圆体，与长轴平行的相对的两侧壁上设置有防滑结构，实体区1设置有防滑结构的两侧壁中央贯穿开有椭圆形的植骨槽1-1，镂空区2的中央设置有血运孔4。
实体区1与长轴垂直的一端端面中央开有器械孔1-2，端面两侧开有器械槽1-3。
器械槽1-3靠近镂空区2的一端为圆弧形。
实体区1与长轴垂直的另一端端面向内逐渐收缩通过导圆边光滑过渡，且端面开设有显影针孔1-4。
防滑结构为实体区1两侧壁上沿轴向间隔均匀开设的防滑齿1-5。
如图3所示，承载骨架3对称安装在实体区1另外两侧面，包括首尾依次连接四根主承载筋3-1，四根主承载筋3-1相互连接呈菱形，菱形的一组对角连接在实体区1两侧内壁上，菱形的另一组对角中的一个角连接在器械槽1-3的顶端，另一个角连接三根副承载筋3-2的一端，三根副承载筋3-2的另一端分别连接在实体区1的内壁；未连接副承载筋3-2的两根主承载筋3-1上分别连接一支撑筋3-3，两根支撑筋3-3的另一端固接在一起。
镂空区在相应表面的面积占比约80％，如图4所示，每个镂空结构单元为八个连杆连接形成九个节点的空间单元，每个空间单元的外包络体呈正六面体，连杆横截面为圆形，直径为0.15mm～0.5mm，镂空结构单元孔隙率为60～85％。
本发明的一种钛合金多孔融合器包括实体区1和镂空区2；实体区1构成整个融合器的主体结构，实体区1外轮廓呈近似椭圆体，实体区1内部主要分布有承载骨架3，承载骨架3主要由9条不同宽度的骨架状筋条相互连接组成，骨架与实体区1相连接，不同骨架及骨架与外轮廓蒙皮之间构成8块空腔区域，所有骨架与融合器Z轴夹角均小于45°，在3D打印制造过程中，该角度可保证良好的产品成形质量，避免添加支撑结构。
本发明的一种钛合金多孔融合器的加工方法，具体过程包括如下步骤：
步骤1，在CAD工具中将该融合器结构设计完成，将实体区1的结构转换为STL数据格式，将镂空区2结构转换为graph数据格式，这样可保证内部镂空区域数据量尽可能的小，降低计算机硬件要求。
步骤2，将步骤1得到的数据模型导入商用剖分软件之中进行剖分切片处理，生成两个独立的剖分程序，因该结构无需添加辅助支撑可直接成形法，故不需要再进行支撑结构的设计，直接将剖分程序导入激光金属3D打印机前处理软件之中；
步骤3，制定激光选区熔化加工过程的成形工艺，设定激光选区熔化参数，以钛合金粉末为原材料，得到一次成形的多孔融合器。
步骤3中钛合金粉末的粒度为10um～60um。
步骤3中激光选区熔化加工参数如下：对于实体区1，激光功率：230kW～380kW，扫描速度：900mm/s～1350mm/s，层厚：0.03mm～0.06mm，搭接率30％～60％；对于镂空区2：激光功率：180kW～260kW，扫描速度：1000mm/s～1200mm/s，层厚：0.03mm～0.06mm，搭接率40％～50％，采用该工艺参数，能使两部分结构紧密连接，同时保证厚大的实体区域与细小的镂空结构的加工质量。
实施例1
加工一种多孔融合器结构，实体区近似椭圆体，长轴尺寸：27mm，短轴尺寸11mm，首先在实体区侧壁设计防滑齿，齿深0.8mm，齿间距2.7mm。沿防滑齿根部向内部偏移1.2mm形成实体区外轮廓蒙皮结构，实体区一端根部设计器械槽与器械孔，器械槽顶端为半圆弧过渡，过渡圆弧半径1.2mm；血运孔，直径为2.8mm；在实体结构另一侧面设计植骨槽，植骨槽宽度为4.8mm，植骨槽顶部为屋顶型过渡，斜边与侧边夹角为45°。
承载骨架结构对称分布于融合器两侧面，各由四条主承载筋、三条副承载筋及两条支撑筋组成，各筋条彼此之间相互连接，主副支撑筋与实体区外轮廓蒙皮相连接。因融合器主要受纵向载荷，实体区外轮廓蒙皮主要保证融合器使用时的横向强刚度，主副支撑筋主要保证融合器使用时的纵向强刚度，两条支撑筋主要与血运孔及主支撑筋相连，主要用来增加融合器中心结构的刚度，同时可作为支撑结构在零件制造时支撑血运孔边缘。各承载及支撑筋与Z轴夹角为0～45°，保证了结构的可成形性。
设计镂空区，空腔深度为2mm，镂空结构由镂空单元所组成，镂空单元采用9节点8连杆空间单元如图4所示，外包络体为正六面体，包络边长为1mm，连杆截面为圆形，连杆直径为0.2mm，镂空区域结构孔隙率为81％，镂空单元在排布时考虑结构整体的受载状态，使镂空单元的竖直连杆沿纵向排列，与融合器主承载方向一致，起辅助加强作用。
加工过程如下：
步骤1，在CAD工具中将该融合器结构设计完成后，将实体结构及功能特征区结构转换为STL数据格式，将内部镂空区结构转换为graph数据格式；
步骤2，将相应数模导入商用剖分软件之中进行剖分切片处理，生成两个独立的剖分程序，直接将剖分程序导入激光金属3D打印机前处理软件之中；
步骤3，制定激光选区熔化加工过程的成形工艺，设定激光选区熔化参数，以钛合金粉末为原材料，，粉末粒度要求10um～60um，设定激光加工参数如下：对于实体区：激光功率：300kW，扫描速度：1250mm/s，层厚：0.03mm，搭接率45％；对于镂空区：激光功率：200kW，扫描速度：1100mm/s，层厚：0.03mm，搭接率40％，对零件进行加工，一体成形融合器结构。
实施例2
步骤1，在CAD工具中将该融合器结构设计完成后，将实体结构及功能特征区结构转换为STL数据格式，将内部镂空区结构转换为graph数据格式；
步骤2，将相应数模导入商用剖分软件之中进行剖分切片处理，生成两个独立的剖分程序，直接将剖分程序导入激光金属3D打印机前处理软件之中；
步骤3，制定激光选区熔化加工过程的成形工艺，设定激光选区熔化参数，以钛合金粉末为原材料，，粉末粒度要求10um～60um，设定激光加工参数如下：对于实体区：激光功率：230kW，扫描速度：900mm/s，层厚：0.05mm，搭接率30％；对于镂空区：激光功率：180kW，扫描速度：1000mm/s，层厚：0.04mm，搭接率45％，对零件进行加工，一体成形融合器结构。
实施例3
步骤1，在CAD工具中将该融合器结构设计完成后，将实体结构及功能特征区结构转换为STL数据格式，将内部镂空区结构转换为graph数据格式；
步骤2，将相应数模导入商用剖分软件之中进行剖分切片处理，生成两个独立的剖分程序，直接将剖分程序导入激光金属3D打印机前处理软件之中；
步骤3，制定激光选区熔化加工过程的成形工艺，设定激光选区熔化参数，以钛合金粉末为原材料，，粉末粒度要求10um～60um，设定激光加工参数如下：对于实体区：激光功率：380kW，扫描速度：1350mm/s，层厚：0.06mm，搭接率60％；对于镂空区：激光功率：260kW，扫描速度：1200mm/s，层厚：0.06mm，搭接率50％，对零件进行加工，一体成形融合器结构。
对比实例1-3的加工过程加工得到的融合器的性能，结果表明，激光选区参数的改变能够极大的影响融合器的质量，对于实体区域，如激光功率过低，则实体区域成形质量差，易产生表面及内部孔洞缺陷，如果激光功率过高，则会影响实体区域的金相组织质量，造成产品力学性能降低；扫描速度与激光功率如不能匹配，则也会导致产品冶金质量的显著降低；搭接率过低，则影响实体结构内部的搭接质量，降低搭接结合强度，如果搭接率过高，则会显著降低产品的加工效率。
对于镂空区域，如果激光功率过低，则镂空区域成形质量差，易产生内部孔洞缺陷，如果激光功率过高，除导致金相组织质量降低外，还会造成镂空结构脆性增加，导致加工过程中的脆断。如果搭接率过低，则镂空结构杆间结合强度会下降，严重时会导致镂空结构杆间无法实现冶金结合，如果搭接率过高，则会导致产品加工效率下降。

Claims (6)

1.一种钛合金多孔融合器，其特征在于，包括融合器本体，所述融合器本体包括实体区(1)和镂空区(2)，所述实体区(1)包括内壁固接的承载骨架(3)，所述承载骨架(3)将所述镂空区(2)分为八个空腔，每个所述空腔内部固接相互连接的多个镂空结构单元，所述实体区(1)近似椭圆体，与长轴平行的相对的两侧壁上设置有防滑结构，所述实体区(1)设置有防滑结构的两侧壁中央贯穿开有椭圆形的植骨槽(1-1)，所述镂空区(2)的中央设置有血运孔(4)，所述实体区(1)与长轴垂直的一端端面中央开有器械孔(1-2)，端面两侧开有器械槽(1-3)；
所述承载骨架(3)对称安装在所述实体区(1)另外两侧面，包括首尾依次连接的四根主承载筋(3-1)，四根所述主承载筋(3-1)相互连接呈菱形，菱形的一组对角连接在所述实体区(1)两侧内壁上，菱形的另一组对角中的一个角连接在所述器械槽(1-3)的顶端，另一个角连接三根副承载筋(3-2)的一端，三根所述副承载筋(3-2)的另一端分别连接在所述实体区(1)的内壁；未连接所述副承载筋(3-2)的两根所述主承载筋(3-1)上分别连接一支撑筋(3-3)，两根支撑筋(3-3)的另一端固接在一起；每个所述镂空结构单元为八个连杆连接形成九个节点的空间单元，每个所述空间单元的外包络体呈正六面体，连杆横截面为圆形，直径为0.15mm～0.5mm，所述镂空结构单元孔隙率为60％～85％。
2.如权利要求1所述的一种钛合金多孔融合器，其特征在于，所述器械槽(1-3)靠近所述镂空区(2)的一端为圆弧形。
3.如权利要求1所述的一种钛合金多孔融合器，其特征在于，所述防滑结构为所述实体区(1)两侧壁上沿轴向间隔均匀开设的防滑齿(1-5)。
4.一种权利要求1所述的一种钛合金多孔融合器的加工方法，其特征在于，具体过程包括如下步骤：
步骤1，在CAD工具中将该融合器结构设计完成，将所述实体区(1)的结构转换为STL数据格式，将所述镂空区(2)结构转换为graph数据格式；
步骤2，将步骤1得到的数据模型导入商用剖分软件之中进行剖分切片处理，生成两个独立的剖分程序，直接将剖分程序导入激光金属3D打印机前处理软件之中；
步骤3，制定激光选区熔化加工过程的成形工艺，设定激光选区熔化参数，以钛合金粉末为原材料，得到一次成形的多孔融合器。
5.如权利要求4所述的一种钛合金多孔融合器的加工方法，其特征在于，所述步骤3中钛合金粉末的粒度为10um～60um。
6.如权利要求4所述的一种钛合金多孔融合器的加工方法，其特征在于，所述步骤3中激光选区熔化加工参数如下：对于所述实体区(1)，激光功率：230kW～380kW，扫描速度：900mm/s～1350mm/s，层厚：0.03mm～0.06mm，搭接率30％～60％；对于所述镂空区(2)：激光功率：180kW～260kW，扫描速度：1000mm/s～1200mm/s，层厚：0.03mm～0.06mm，搭接率40％～50％。
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