CN110614372B - 具有曲面的层叠成型多孔部件的一步制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供一种通过一步层叠成型来制造具有基材层和多孔区域的弯曲多孔部件的方法，由此可以减少制造产品时的制造时间并提供多孔区域的形状和尺寸能够被控制的多孔部件。包括所述多孔部件的植入体具有增大的骨接触率，因此可以改善骨间的骨生长，并且可以容易地设计适合于患者的构架的产品。

Description

具有曲面的层叠成型多孔部件的一步制造方法
技术领域
本发明涉及具有曲面的层叠成型多孔部件的一步制造方法，更具体地，涉及使用层叠成型技术通过一步来制造具有基材层和多孔区域的弯曲多孔部件的方法，涉及用于增大植入体的骨接触率的多孔部件的制造工艺。
背景技术
植入体是指通过将人造材料或天然材料植入到缺失部分来重建形状或功能替代物以弥补生物组织的缺失的材料。通常，植入体是指在牙科或骨科中用于代替人体硬组织的生物材料，并且自20世纪60年代中期以来与牙齿植入体有关的研究一直在积极进行。
选择具有高强度、高硬度、低生物毒性的金属材料作为植入体材料。尤其是钛和钛合金，钛和钛合金是具有优异的生物相容性的材料，已知其不仅具有对周围组织的良好的生物相容性，而且具有较大的耐腐蚀性和较小的生物毒性。因此，在有关植入体的研究的早期阶段，通过简单的机械加工将钛或钛合金用作植入体。
植入体只有当其与现有的生物组织相容时才能被植入到缺失部分，因此大多数植入体在表面上都涂有生物组织粘合剂。具体地，作为诱导骨组织快速再生的粘合剂的骨粘合剂已被用于骨科领域中由于交通事故等而频繁发生的复杂的骨折修复和人工关节手术、以及牙科中非再生牙齿的牙本质修复。
然而，涂覆在表面上的生物活性物质溶解太快，并且在涂覆过程中产生高温，这使得难以期望涂覆材料的效果。进一步，据报道，从涂层脱落的物质可能干扰骨骼的结合，或可能导致诸如炎症的副作用。
为了解决这个问题，提出了如下方法：对具有多孔结构的植入体在表面上进行涂覆以改善骨骼生长，甚至没有粘合剂，并且使用该方法的产品已经发布。
然而，这种方法在植入体和多孔结构之间的粘结方面也存在问题，需要增加制造单独的多孔结构，然后将其附接到植入体的工艺，这降低了生产率，并且提高了植入体的制造成本。
近来积极研究的3D打印可能是能够解决这个问题的替代措施。使用3D打印，可以层叠成型通常用作植入体的材料的诸如钛金属材料，因此可以使用这种方法开发新的植入体。
发明内容
为了解决这些问题，本发明的目的是提供一种通过一步层叠成型来制造具有基材层和多孔区域的弯曲多孔部件的方法。
本发明的另一个目的是提供一种当制造包括弯曲多孔部件的产品时减少加工时间并控制多孔区域的形状和大小的方法。
本发明中要实现的技术目的不限于上述的技术问题，本领域技术人员将从以下说明书中清楚地理解本文中未描述的其他的技术目的。
为了实现这些目的，本发明的实施例提供一种具有曲面的层叠成型多孔部件的一步制造方法，该方法包括以下步骤：层叠金属颗粒；通过向层叠的金属颗粒照射激光来反复地熔化和冷却所述金属颗粒，从而形成具有弯曲边缘的第一基材层；通过照射激光的同时调整点距离以在层叠在第一基材层的弯曲边缘的外侧上的金属颗粒上形成具有规定直径D的激光照射点，从而形成第一多孔区域；在第一基材层和第一多孔区域上层叠与所述金属颗粒相同的金属颗粒；通过向层叠在第一基材层上的金属颗粒照射激光来反复地熔化和冷却层叠在第一基材层上的金属颗粒，从而形成具有弯曲边缘的第二基材层；以及通过照射激光并调整点距离以在层叠在第二基材层的弯曲边缘的外侧上的金属颗粒上形成具有规定直径D的激光照射点，从而形成第二多孔区域。
在本发明的实施例中，第二基材层的弯曲边缘的长度可以小于或等于第一基材层的弯曲边缘的长度。
在本发明的实施例中，形成第二多孔区域的步骤中的激光照射点可以设置为不与第一多孔区域上的激光照射点重叠。
在本发明的实施例中，所述金属颗粒可以是选自钛(Ti)、钛(Ti)类合金、钴(Co)、钴(Co)类合金、镍(Ni)、镍(Ni)类合金、锆(Zr)、锆(Zr)类合金、钡(Ba)、钡(Ba)类合金、镁(Mg)、镁(Mg)类合金、钒(V)、钒(V)类合金、铁(Fe)、铁(Fe)类合金以及它们的混合物的组中的一种或多种。
在本发明的实施例中，在形成第一基材层的步骤和形成第二基材层的步骤中，激光的能量可以等于或大于所述金属颗粒的完全熔化能量。
在本发明的实施例中，在形成第一多孔区域的步骤和形成第二多孔区域的步骤中，激光的能量在等于或小于金属颗粒的完全熔化能量的范围内等于或大于完全熔化能量的0.2倍。
在本发明的实施例中，在形成第一多孔区域的步骤和形成第二多孔区域的步骤中，点距离可以大于激光照射点的直径D。
在本发明的实施例中，激光照射点的直径D可以与激光的光源功率和曝光时间成正比，曝光时间可以与激光的扫描速度成反比。
在本发明的实施例中，激光的光源功率可以是50W到1KW，扫描速度可以是0.1m/s到8m/s。
在本发明的实施例中，点距离可以是100μm到1000μm。
为了实现这些目的，本发明的另一实施例提供一种通过上述方法形成的具有曲面的层叠成型多孔部件。
为了实现这些目的，本发明的另一实施例提供一种具有增大的骨接触率并且包括多孔部件的植入体。
附图说明
图1是示出具有曲面的层叠成型多孔部件的一步制造方法的流程图；
图2是根据本发明的具有曲面的多孔部件的竖直剖视图；
图3是根据本发明的具有曲面的多孔部件的水平剖视图；
图4是示出根据本发明的形成基材层时的激光照射方法的图；以及
图5是示出根据本发明的形成多孔区域时的激光照射方法的图。
具体实施方式
下文将参照附图描述本发明。然而，本发明可以以各种不同的方式进行修改，并且不限于本文中所描述的实施例。此外，在附图中，为了明确地描述本发明，将省略与描述无关的部件，并且在整个说明书中将使用类似的附图标记来描述类似的部件。
在整个说明书中，当一个元件被称作“与另一个元件连接(耦接、结合、接触)”时，它可以“直接连接”到另一个元件，也可以通过介于两者之间的又一个元件的间隔而“间接连接”到另一个元件。此外，除非另有明确描述，“包含”任何部件将被理解为意味着包括其他组件，而不是排除任何其他组件。
本说明书中使用的术语仅用于描述特定的示例性实施例，而不是限制本发明。除非上下文清楚地表明，否则单数形式旨在包括复数形式。还将进一步理解，在本说明书中使用的“包含”或“有”的术语，指定了所陈述的特征、数字、步骤、操作、组件、部件或它们的组合的存在，但不排除一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、组件、部件或它们的组合的存在或增加。
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。
下面说明具有曲面的层叠成型多孔部件的一步制造方法。
参照图1，本发明的实施例提供一种具有曲面的层叠成型多孔部件的一步制造方法，该方法包括以下步骤：层叠金属颗粒(S100)；通过向层叠的金属颗粒照射激光来反复地熔化和冷却金属颗粒，从而形成具有弯曲边缘的第一基材层(S200)；通过照射激光的同时调整点距离以在层叠在第一基材层的弯曲边缘的外侧上的金属颗粒上形成具有规定直径D的激光照射点，从而形成第一多孔区域(S300)；在第一基材层和第一多孔区域上层叠与所述金属颗粒相同的金属颗粒(S400)；通过向层叠在第一基材层上的金属颗粒照射激光来反复地熔化和冷却层叠在第一基材层上的金属颗粒，从而形成具有弯曲边缘的第二基材层(S500)；以及通过照射激光并调整点距离以在层叠在第二基材层的弯曲边缘的外侧上的金属颗粒上形成具有规定直径D的激光照射点，从而形成第二多孔区域(S600)。
本发明的具有曲面的多孔部件可以具有如下形状：如半球那样横截面积从底部向上方逐渐减小，或者如圆柱体那样横截面积从底部到顶部均等。具有曲面的多孔部件不限于上述形状，只要横截面积从底部到顶部减小或均等即可，并且边缘的形状没有限制。边缘可以是曲面，即使边缘形成为多边形形状或由多条直线组成的星形形状，也可以进行成型。然而，在横截面积向上方增大的形状的情况下，当加工成横截面积向上方减小的形状时，可加工性良好。横截面积反复地增大和减小的复杂形状使加工性变差。
第二基材层的弯曲边缘的长度可以小于或等于第一基材层的弯曲边缘的长度。
图2是根据本发明的具有曲面的多孔部件的竖直剖视图。图2示出了半球形多孔部件的示例性竖直剖视图，在半球形多孔部件中第二基材层220形成在第一基材层210上。第一多孔区域230在第一基材层210的边缘的外侧，第二多孔区域240在第二基材层220的边缘的外侧。为了帮助理解，第一基材层210和第二基材层220比实际更厚地示出。第一多孔区域230和第二多孔区域240也比实际更厚地示出。
首先，通过层叠金属颗粒然后照射激光，来形成第一基材层210；然后在边缘的外侧形成第一多孔区域230；通过在第一基材层和第一多孔区域上再次层叠金属颗粒然后照射激光，来形成第二基材层220；然后在边缘的外侧形成第二多孔区域240。
形成第二多孔区域的步骤中的激光照射点可以设置为不与第一多孔区域上的激光照射点重叠。
图3是根据本发明的具有曲面的多孔部件的水平剖视图。图3示出了半球形多孔部件的示例性水平剖面，在该半球形多孔部件中第二基材层320形成在第一基材层310上。第一多孔区域330在第一基材层310的边缘的外侧，第二多孔区域340在第二基材层320的边缘的外侧。为了帮助理解，第一基材层310和第二基材层320之间的厚度差、以及第一多孔区域330和第二多孔区域340的尺寸比实际更大地示出。
通过照射激光的同时调整点距离以在层叠在第一基材层310的弯曲边缘的外侧上的金属颗粒上形成具有规定直径D的激光照射点，从而形成第一多孔区域330。通过照射激光的同时调整点距离以在层叠在第二基材层320的弯曲边缘的外侧上的金属颗粒上形成具有规定直径D的激光照射点，从而形成第二多孔区域340。如图3所示，第二多孔区域中的激光照射点设置为不与第一多孔区域330中的激光照射点重叠。通过非重叠设置能够形成多孔结构，并且即使激光照射点彼此不重叠，第一多孔区域330和第二多孔区域340也可以彼此相邻。由于相邻结构形成连续的多孔区域，因此相邻结构在确保强度方面具有优势。
金属颗粒可以是选自钛(Ti)、钛(Ti)类合金、钴(Co)、钴(Co)类合金、镍(Ni)、镍(Ni)类合金、锆(Zr)、锆(Zr)类合金、钡(Ba)、钡(Ba)类合金、镁(Mg)、镁(Mg)类合金、钒(V)、钒(V)类合金、铁(Fe)、铁(Fe)类合金以及它们的混合物的组中的一种或多种。
具体地，钛和钛类合金是具有优异的生物相容性的材料，已知其不仅具有对周围组织的良好的生物相容性，而且具有较大的耐腐蚀性和较小的生物毒性，因此它们是优选的。然而，本发明不限于此，可以选择性地使用上述的金属颗粒。
在形成第一基材层的步骤和形成第二基材层的步骤中，激光的能量可以等于或大于金属颗粒的完全熔化能量。
在形成第一多孔区域和形成第二多孔区域的步骤中，激光的能量可以在等于或小于金属颗粒的完全熔化能量的范围内等于或大于完全熔化能量的0.2倍。
当大于完全熔化能量的能量施加于金属颗粒时，金属颗粒可以完全熔化并致密化。当较小的能量施加于金属颗粒时，金属颗粒可以形成为多孔型而不致密化。
即，当在本发明中形成基材层和第二多孔区域时，通过输入等于或大于完全熔化能量的能量能够使基材层致密化，并且通过在等于或小于完全熔化能量的范围内输入等于或大于完全熔化能量的0.2倍的能量能够使多孔区域形成为多孔型。孔隙率是与形成激光照射点时照射激光的同时调整影点距离分开形成多孔结构的另一个因素。当激光的能量小于金属颗粒的完全熔化能量的0.2倍时，金属颗粒不会熔化，因此其不是优选的。
在形成第一多孔区域的步骤和形成第二多孔区域的步骤中，点距离可以大于激光照射点的直径D。
参照图4和图5，可以看出在本发明中照射激光的方式。图4示出了共同层叠成型中的激光照射方式。在本发明中激光以图4所示的方式照射到基材层。点距离PD变得小于激光照射点的直径D，因此激光照射点彼此部分重叠。图5示出了本发明中形成多孔区域时的激光照射方式，其中点距离PD变得大于直径D，因此激光照射点彼此不重叠。因此，金属颗粒仅在激光照射点处熔化，并形成多孔结构。
激光照射点的直径D与激光的光源功率和曝光时间成正比，曝光时间可以与激光的扫描速度成反比。
激光的光源功率可以是50W到1KW，扫描速度可以是0.1m/s到8m/s。
光源功率和扫描速度的条件可取决于金属颗粒的种类和要形成的多孔区域的结构。例如，当使用纯钛形成需要高密度成型的基材层时，应当提供每立方毫米5.5J至6.5J或更大的能量，并且这可以在100W或更大的光源功率的条件下在0.25m/s的扫描速度下实现。
当形成多孔区域时，可以照射等于或小于完全熔化能量的能量，因此以相同的扫描速度能够降低光源功率。此外，还可以在维持源功率的情况下提高扫描速度，从而增大激光照射点距离。然而，当扫描速度增加过多时，激光的曝光时间可能减少，并且激光照射点的直径可能变得过小，因此优选在上述的范围内调节扫描速度。
点距离可以是100μm至1000μm。当点距离小于100μm时，应该小于点距离的激光照射点的直径D过小，因此加工性变差。当点距离超过1000μm时，激光照射点的直径D应该相应地增大以能够形成多孔区域，为此目的，激光光源功率也应增加，因此点距离不宜超过1000μm。此外，当点距离超过1000μm时，存在多孔区域的比表面积小的另一个问题。
本发明还提供一种具有通过该方法制造的具有曲面的层叠成型多孔部件。根据本发明的具有曲面的层叠成型多孔部件具有一体的基材层-多孔区域，因此，与采用多孔涂层形成的现有产品相比，制造时间减少并且制造工艺简单。
本发明还提供一种具有增大的骨接触率并且包括多孔部件的植入体。根据本发明的多孔部件具有直径为100μm至1000μm的多个孔，因此与使用诸如骨粘合剂的生物组织粘合剂的植入体相比，改善了骨接触率和骨生长。此外，由于多孔区域一体形成，因此可以提供强度和耐久性更优异的植入体。
下面参照优选实施例更详细地描述本发明。然而，应该注意的是，本发明不限于此，实施例仅仅是一个例子。
实施例
层叠纯钛颗粒，并且通过以0.5m/s的扫描速度和200W的光源功率照射激光来形成圆形的第一基材层。在点距离为350μm以形成直径为70μm的激光照射点的情况下，向围绕第一基材层层叠的纯钛颗粒照射激光，从而形成第一多孔区域。通过在第一基材层和第一多孔区域上再次层叠纯钛颗粒，然后在与对于第一基材层的条件相同的条件下照射激光，从而形成圆形的第二基材层。第二基材层的直径比第一基材层的直径小50μm。在点距离为350μm以形成直径为70μm的激光照射点的情况下，向围绕第二基材层层叠的纯钛颗粒照射激光，从而形成第二多孔区域。
下表1示出了本实施例中形成第一多孔区域和第二多孔区域时的激光照射条件。
表1
Figure BDA0001827096640000081
当根据本发明的制造具有曲面的多孔部件的方法形成多孔区域时，根据金属颗粒的种类和具有要形成的曲面的多孔区域的结构来设定激光照射条件，例如，扫描速度、光源功率和曝光时间，由此可以容易地设计适合于患者的构架的植入体。
根据本发明的实施例，可以减少使用一步层压成型制造产品时的制造时间，并且还可以提供多孔区域的形状和尺寸能够被控制的具有曲面的多孔部件。
此外，包括具有曲面的多孔部件的植入体具有增大的骨接触率，因此能够改善骨间的骨生长，并且能够容易地设计适合于个体患者的构架的产品。
本发明的效果不限于此，并且应当理解，效果包括可以从说明书或权利要求中描述的本发明的配置推断出的所有效果。
以上描述作为本发明的示例性实施例而提供，并且应当理解，在不改变本发明的精神或必要特征的情况下，本领域技术人员可以容易地以其他各种方式修改本发明。因此，上述实施例仅是示例，不应被理解为在所有方面都是限制性的。例如，单个部件可以被分开，并且分开的部件可以被集成。
本发明的范围由权利要求限定，并且从权利要求的含义和范围以及等效概念获得的所有变型和修改应被解释为包括在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种具有曲面的层叠成型多孔部件的一步制造方法，所述方法包括以下步骤：
层叠金属颗粒；
通过向层叠的金属颗粒照射激光来反复地熔化和冷却所述金属颗粒，从而形成具有弯曲边缘的第一基材层；
通过在照射激光的同时调整点距离以在层叠在所述第一基材层的弯曲边缘的外侧上的金属颗粒上形成具有规定直径D的激光照射点，从而形成第一多孔区域；
在所述第一基材层和所述第一多孔区域上层叠与所述金属颗粒相同的金属颗粒；
通过向层叠在所述第一基材层上的金属颗粒照射激光来反复地熔化和冷却层叠在所述第一基材层上的金属颗粒，从而形成具有弯曲边缘的第二基材层；以及
通过照射激光并调整点距离以在层叠在所述第二基材层的弯曲边缘的外侧上的金属颗粒上形成具有规定直径D的激光照射点，从而形成第二多孔区域，
其中，形成第二多孔区域的步骤中的激光照射点设置为不与所述第一多孔区域上的激光照射点重叠，并且
其中，在形成第一多孔区域的步骤和形成第二多孔区域的步骤中，所述点距离大于所述激光照射点的直径D。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二基材层的弯曲边缘的长度小于或等于所述第一基材层的弯曲边缘的长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属颗粒是选自钛(Ti)、钛(Ti)类合金、钴(Co)、钴(Co)类合金、镍(Ni)、镍(Ni)类合金、锆(Zr)、锆(Zr)类合金、钡(Ba)、钡(Ba)类合金、镁(Mg)、镁(Mg)类合金、钒(V)、钒(V)类合金、铁(Fe)、铁(Fe)类合金以及它们的混合物的组中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在形成第一基材层的步骤和形成第二基材层的步骤中，激光的能量等于或大于所述金属颗粒的完全熔化能量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在形成第一多孔区域的步骤和形成第二多孔区域的步骤中，激光的能量在等于或小于所述金属颗粒的完全熔化能量的范围内等于或大于完全熔化能量的0.2倍。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光照射点的直径D与激光的光源功率和曝光时间成正比，所述曝光时间与激光的扫描速度成反比。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，激光的所述光源功率是50W到1KW，所述扫描速度是0.1m/s到8m/s。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述点距离是100μm到1000μm。
9.一种具有曲面的层叠成型多孔部件，通过权利要求1至8中任一项所述的方法形成。
10.一种植入体，具有增大的骨接触率并且包括权利要求9所述的多孔部件。
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