CN109926585A - 可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可降解镁‑铁复合材料的电阻‑超声波增材制造方法，通过电阻‑超声波增材制造系统实现，其具体步骤如下：将第一层铁箔放置在支撑底座上，将镁箔放在铁箔上；使超声电阻工具头压在镁箔上，使镁箔、铁箔充分靠近或接触；给超声电阻工具头通电并施加一定压力，使其输出超声振动并传导电流；通过超声电阻工具头在XY平面内的移动完成指定区域的连接；根据所需比例选取下一层材料，多次重复后得到可降解层状镁‑铁复合材料。本发明可以降低对超声波功率的要求，而且增材后的材料具有较好的力学性能，本发明制得的复合材料植入物可以通过改变镁‑铁之间的比例控制在人体内的降解时间，无需二次手术取出。

Description

可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法。

背景技术

现代医学中常向人体植入器械来支撑或连接病变部位。根据植入器械的应用部位不同，一般需要器械在植入后的1至24个月内保持结构的完整性，并具有足够好的力学性能支撑或者连接病变部位。而且在病变部位痊愈后，器械应当在较短的时间内尽快腐蚀或者降解。目前广泛应用于临床的金属植入材料像不锈钢、钛合金以及钴铬合金等，这些金属具有良好的耐腐蚀性，在体内能够长期保持结构稳定，但上述材料为不可降解材料，长期存在体内容易引发各种并发症，在人体组织功能恢复之后需要通过二次手术取出，增加了患者的痛苦、二次手术风险和医疗成本。

镁的密度和力学性能接近人体骨骼。植入人体的镁合金在治疗初期可以提供足够的力学支撑以避免骨骼再次破裂，随着骨的愈合逐步降解，产生的镁离子部分作为必需元素被人体吸收，不仅消除了传统金属生物材料需二次手术取出等弊端，而且具有更好的力学稳定性和生物相容性，是一种理想的可降解生物材料。同时镁、锌元素可以促进骨细胞生长、促进骨折愈合，而过量的镁可以通过肾脏排出体外，不会对人体造成伤害。然而体液中的Cl会加速镁合金的腐蚀，使器械在机体痊愈之前已经发生严重的腐蚀，降低了材料的力学性能和稳定性，而且镁合金的快速腐蚀不仅会伴随氢气的大量释放，而且过快的降解速度将使植入体附近体液局部pH值升高，对人体骨骼以及组织生长产生危害，从而严重制约了镁合金在临床上的应用。早在1905年，A.Lambottel1将纯镁板和镀金钢用于固定小腿骨折，但因镁板的腐蚀速度过快，产生了大量皮下气泡导致失败。近些年来，许多学者开展了有关镁合金作为人体植入材料的研究，比如学者申英末所做的“体内可控降解的镁合金螺钉”，镁合金表面覆盖高分子涂层，适用于组织与组织或组织与修补材料的固定，降解周期可控制在6到8个月，然而此种材料可调节的降解时间有限，因而只适用于某些特定的部位。又比如张敏所做的“可降解镁合金输尿管支架”，采用网状结构并且网状结构外包覆有药物涂层，也可进行收缩和膨胀，然而需定期观察镁合金支架的降解情况，降解后需重复植入材料。

铁是构成人体的微量元素之一，铁基材料拥有良好的生物相容性，低廉的成本，良好的力学性能以及易被加工成型等特点，是目前研究较多的生物可降解材料。铁的降解速率较慢，对于生物体的毒性相对较低。可降解铁基材料的应用主要在心血管支架、骨外科植入材料以及骨组织工程支架三个方面。然而，铁的降解速率过慢，完全降解时间经常在1年以上。比如学者谭思暄所做的“一种可降解铁基心血管支架”，采用铁粉，锰粉和银粉混合真空高温，熔炼制备而成，可以在12个月内具有完整的力学性能，并在16个月内完全降解，然而其缺点在针对降解时间较短的情况，该材料无法满足要求。纯铁材料很难满足现有的对于医用生物可降解材料的降解速度要求。

超声波增材是采用大功率的超声波，以金属箔材为原材料，利用层与层之间的摩擦产生热量，促进界面间金属原子的相互扩散并形成固态冶金结合，实现金属带材逐层叠加的增材制造成型技术。与传统的增材制造技术相比，超声波增材制造技术具有温度低、无变形、打印尺寸大、打印速度快、绿色环保等优点，在航空航天、能源、交通等领域具有广阔的应用前景。随着研究的深入，超声波增材制造的应用越来越广泛，比如可以利用超声振动对熔化及冷却过程中的粉体进行作用，细化增材制造构件的微观组织结构；可以利用超声振动使增材制造过程中粘接不牢的地方再次熔化，使零件内部复合为一整体，提高其综合力学性能。超声波增材制造也可以与其它增材制造工艺结合，发挥其优点，比如可以在电弧增材制造的同时，对成型的构件表面进行超声冲击处理，使接头表面的晶粒得到细化。目前而言，超声波增材制造技术还不及其他增材制造方法完善，并且存在一些不足，具体表现为其对金属可实施固结的厚度较小，这是因为超声波固结技术应用于较大厚度和较高强度金属板材时，需要大幅提高超声波换能器的输出功率，这会给加载系统声学设计及制造带来一系列难以解决的问题。

电阻焊主要采用将正负两个电极与焊接材料紧密接触后，人为在电极两端施加电压，形成电流，通过电阻热来使材料熔化而实现连接。电阻焊一般包括预压、焊接与冷却三个阶段。与其他焊接工艺相似，电阻焊过程中，焊接材料的应该形变较小，不需要填充焊料，加工过程较为简单，比较容易实现自动化。然而，电阻焊仍然存在缺陷，比如电极之间的压力会影响焊接材料的电阻以及散热效率，如果压力过低，电阻会增加，散热效率遭到削弱，并且有飞溅的可能，而过高的压力会提高焊透率。因此，需要在焊接过程中控制好电极之间的压力，并准确定位焊接位置。由于电阻焊接较为简单的加工过程，电阻焊可以很好的和其他焊接方法结合起来，有效改善本身存在的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法，可通过调节镁与铁的比例来控制降解速度，从而可以满足对不同部位降解时间的要求，同时可以降低对超声波功率的要求，而且增材后的材料具有较好的力学性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法，使用电阻-超声波增材制造系统，所述电阻-超声波增材制造系统包括支撑底座、超声波发生装置、正电极、负电极和超声电阻工具头；所述超声电阻工具头位于支撑底座的上方，所述超声电阻工具头还与正电极相连，所述支撑底座与负电极相连，所述超声电阻工具头还与超声波发生装置相连，包括以下步骤：

(1)将铁箔放置在所述支撑底座的上表面，再将镁箔放在铁箔上；

(2)将所述超声电阻工具头压在镁箔的工作区域上，使该工作区域的镁箔和铁箔充分靠近或接触；

(3)开启超声波发生装置，同时对正电极和负电极进行通电，通过超声电阻工具头使超声振动和脉冲电流同时作用在镁箔和铁箔上；

(4)利用脉冲电流产生的热量，软化铁箔材料和镁箔材料，同时使超声电阻工具头高频振动，打碎铁箔材料和镁箔材料的表面氧化膜，完成第一个工作区域的镁箔和铁箔的连接；

(5)移动超声电阻工具头进入下一工作区域，重复步骤(2)-(4)，直至完成铁箔和镁箔所有指定区域的连接；

(6)根据所设计的镁-铁比例，将新一层的镁箔带或铁箔带通过滚轮移动放置在上层，重复上述步骤，完成镁箔和新一层的镁箔或铁箔所有指定区域的连接；以此类推，直至完成倒数第二层材料的增材制造；

(7)将铁箔作为最后一层材料，完成最后一层铁箔和倒数第二层材料的增材制造过程，得到镁-铁层状复合材料。

所述超声电阻工具头采用钨铜合金材料制作而成，其中钨含量为10％～80％之间。

所述超声电阻工具头的下表面设有锯齿状花纹。

所述支撑底座的上表面设有锯齿状花纹。

所述步骤(2)中所述超声电阻工具头压在工作区域上时的压强为0.1～5MPa。

所述步骤(3)中超声波发生装置的产生功率为0.3～20kW的超声波；所述正电极和负电极之间的电流为10～1000A。

所述步骤(4)中超声电阻工具头的振幅为5～50μm。

所述步骤(6)中的镁箔带和铁箔带的厚度均为10～1000μm。

所述步骤(1)中铁箔的厚度为500～2000μm。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过电阻加热方式使得镁箔和铁箔材料软化，与此同时，将超声波振动传递到材料上，使得材料之间高频摩擦，完成各位置处材料的连接，在停止冷却后，可根据设计的镁-铁比例选择下一层材料，将金属箔带通过滚轮放置在上层。重复上述步骤多次后，得到层状复合材料且材料最上面一层为铁箔。本发明通过电阻加热可以软化材料，减小变形抗力，降低所需要的超声波功率，从而降低设备成本。施加的脉冲电流和热效应会促进界面原子扩散，使镁箔-铁箔结合程度增强，界面的冶金结合程度得到增强。同时本发明通过超声处理使材料内部产生大量位错，提高了材料的力学性能。同时由于材料受电阻热作用变软，可以降低通过工具头施加的压力，进而降低对设备刚度的要求。本发明制得的复合材料植入物可以通过改变镁-铁之间的比例控制在人体内的降解时间，无需二次手术取出。

附图说明

图1是本发明采用的电阻-超声波增材制造系统的结构示意图；

图2是本发明采用的电阻-超声波增材制造系统的结构剖面图；

图中，双向箭头代表超声电阻工具头的振动方向，向下箭头超声电阻工具头的下压方向，1-超声电阻工具头，2-正电极，3-负电极，4-铁箔，5-中间层镁箔或铁箔，6-镁箔，7-支撑底座。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法，使用如图1和图2所示的电阻-超声波增材制造系统，包括支撑底座7、超声波发生装置、正电极2、负电极3和超声电阻工具头1；所述超声电阻工具头1位于支撑底座7的上方，所述超声电阻工具头1还与正电极2相连，所述支撑底座7与负电极3相连，所述超声电阻工具头1还与超声波发生装置相连，在超声波发生装置的作用下，所述超声波工具头1能够在水平面和竖直方向上产生振动。

本实施方式中，所述超声电阻工具头采用钨铜合金材料制作而成，其中钨含量为10％～80％之间，采用钨铜合金材料既可以导电，又可以增强耐磨性，从而延长寿命。所述超声电阻工具头1的下表面设有锯齿状花纹，通过锯齿状花纹可以增强超声电阻工具头与被打印材料的咬合力，从而能够保证超声电阻工具头压在被打印材料工作区域上时具有一定的压强。所述支撑底座7的上表面设有锯齿状花纹，通过该锯齿状花纹可以防止打印时放置在支撑底座上的材料发生滑动，从而影响打印效果。

下面通过三个具体的实施例来说明生物可降解镁-铁复合材料增材制造方法可通过上述电阻-超声波增材制造系统实现。

实施例1：

步骤一、将厚度为1000μm的铁箔4放置在支撑底座上，将厚度为300μm的镁箔6放在铁箔上；

步骤二、通过XYZ三个自由度的机械臂控制超声电阻工具头1使其压在镁箔6上，并保证压强为5MPa，使镁箔和铁箔充分靠近或接触；

步骤三、启动整套装置的电源，使超声波发生装置工作，并给正电极和负电极通上脉冲电流，使超声振动和电流同时作用在镁箔和铁箔上；

步骤四、利用脉冲电流产生的热量，软化材料，同时使超声电阻工具头高频振动，打碎材料表面氧化膜，完成第一个位置处镁箔和铁箔的连接，其中，超声波的功率为20kW,振幅为50μm，电流大小为1000A；

步骤五、超声电阻工具头1在X方向上移动4mm，进入下一区域；

步骤六、重复上述步骤，直至完成第一层铁箔和第二层镁箔指定区域的连接；

步骤七、根据设计的镁-铁比例，选择下一层材料5(镁箔或铁箔)，镁箔带或铁箔带通过滚轮以10mm/s的速率移动放置在上层，且镁箔与铁箔的厚度均为300μm，重复上述步骤，完成第二层和第三层的连接；依次类推，直至完成倒数第二层材料的增材制造；

步骤八、当完成倒数第二层材料的增材制造时，选择铁箔4作为最后一层材料，完成增材制造过程，并通过线切割使第一层铁箔厚度符合所需要求，得到镁-铁层状复合材料。

实施例2：

本实施例步骤一中第一层铁箔的厚度设置为1500μm，之后各层铁箔与镁箔的厚度均设置为200μm；步骤四中的电流大小设置为500A，所述电流大小可根据实际焊接材料的厚度和所用超声波的功率、振幅进行选择，电流越大，相同时间内材料产生的热量越多，使材料更容易软化，更有利于表面焊接粘合；本实施例的其它步骤与实施例1相同，不再赘述。

实施例3：

本实施例步骤四的超声波功率设置为0.5kW，所述超声波的功率可根据被焊材料的强度和厚度选择；振幅为5μm，所述超声波的振幅可根据被焊材料的特点选择，以增强焊接头的强度；压强为0.1MPa，压强大小可根据材料厚度、超声波与电流的实际参数进行选择；本实施例的其它步骤与实施例1相同。

不难发现，本发明通过电阻加热可以软化材料，减小变形抗力，降低所需要的超声波功率，从而降低设备成本。施加的脉冲电流和热效应会促进界面原子扩散，使镁箔-铁箔结合程度增强，界面的冶金结合程度得到增强。同时本发明通过超声处理使材料内部产生大量位错，提高了材料的力学性能。同时由于材料受电阻热作用变软，可以降低通过工具头施加的压力，进而降低对设备刚度的要求。本发明制得的复合材料可以通过改变镁-铁之间的比例控制在人体内的降解时间，无需二次手术取出。

Claims (9)

1.一种可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法，其特征在于，使用电阻-超声波增材制造系统，所述电阻-超声波增材制造系统包括支撑底座、超声波发生装置、正电极、负电极和超声电阻工具头；所述超声电阻工具头位于支撑底座的上方，所述超声电阻工具头还与正电极相连，所述支撑底座与负电极相连，所述超声电阻工具头还与超声波发生装置相连，包括以下步骤：

(1)将铁箔放置在所述支撑底座的上表面，再将镁箔放在铁箔上；

(2)将所述超声电阻工具头压在镁箔的工作区域上，使该工作区域的镁箔和铁箔充分靠近或接触；

(3)开启超声波发生装置，同时对正电极和负电极进行通电，通过超声电阻工具头使超声振动和脉冲电流同时作用在镁箔和铁箔上；

(4)利用脉冲电流产生的热量，软化铁箔材料和镁箔材料，同时使超声电阻工具头高频振动，打碎铁箔材料和镁箔材料的表面氧化膜，完成第一个工作区域的镁箔和铁箔的连接；

(5)移动超声电阻工具头进入下一工作区域，重复步骤(2)-(4)，直至完成铁箔和镁箔所有指定区域的连接；

(6)根据所设计的镁-铁比例，将新一层的镁箔带或铁箔带通过滚轮移动放置在上层，重复上述步骤，完成镁箔和新一层的镁箔或铁箔所有指定区域的连接；以此类推，直至完成倒数第二层材料的增材制造；

(7)将铁箔作为最后一层材料，完成最后一层铁箔和倒数第二层材料的增材制造过程，得到镁-铁层状复合材料。

2.根据权利要求1所述的可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法，其特征在于，所述超声电阻工具头采用钨铜合金材料制作而成，其中钨含量为10％～80％之间。

3.根据权利要求1所述的可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法，其特征在于，所述超声电阻工具头的下表面设有锯齿状花纹。

4.根据权利要求1所述的可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法，其特征在于，所述支撑底座的上表面设有锯齿状花纹。

5.根据权利要求1所述的可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述超声电阻工具头压在工作区域上时的压强为0.1～5MPa。

6.根据权利要求1所述的可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中超声波发生装置的产生功率为0.3～20kW的超声波；所述正电极和负电极之间的电流为10～1000A。

7.根据权利要求1所述的可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中超声电阻工具头的振幅为5～50μm。

8.根据权利要求1所述的可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法，其特征在于，所述步骤(6)中的镁箔带和铁箔带的厚度均为10～1000μm。

9.根据权利要求1所述的可降解镁-铁复合材料的电阻-超声波增材制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中铁箔的厚度为500～2000μm。