CN113523543B - 一种基于在线监测的增材金属植入物功能表面激光制备系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于在线监测的增材金属植入物功能表面激光制备系统，包括：ns/fs脉冲激光加工模块、光电监测模块、视觉监测模块、热学监测模块；综合利用多物理场在线监测并实时调控ns/fs脉冲激光加工模块制备增材金属植入物功能表面脉冲激光加工状态实现ns脉冲激光增材表面抛光与fs脉冲激光诱导功能微结构原位加工转换，缩短高性能增材骨缺损金属植入物高性能制备周期，实时避免抛光表面超差以及微结构诱导缺陷。

Description

一种基于在线监测的增材金属植入物功能表面激光制备系统
技术领域
本发明涉及一种基于在线监测的增材金属植入物功能表面激光制备系统，属于激光加工技术领域。
背景技术
骨缺损是指由于先天因素、个人口腔卫生环境、肿块或肿瘤切除手术，以及其他突发意外事故造成的骨骼完整性遭到破坏的病例。骨缺损往往会畸化患者正常身体机能，对患者的身心造成极大影响。具有较好的力学性能和生物相容性的金属植入物，不仅可以为骨组织诱导再生提供支持保护，稳固植入骨粉及药物，还可以减少自体骨移植所需量，起到屏障膜的作用。近年来针对传统钛网具有的强度使得其与患者骨骼贴合不紧密，难以满足不同个体的差异化需求，在针对大面积，水平伴垂直向缺损的质量中表现不佳等问题，金属植入物开始利用激光增材手段制备。针对不同人群，激光增材制造钛网均可紧密贴合其骨骼解剖结构，避免术中弯制，造成时间浪费。个性化定制，减轻患者因个体差异带来的负担。
由于在激光增材制造过程中，原料粉粒飞溅、粘附以及台阶效应等原因，金属植入物表面质量不佳，粗糙度较高，植入后会造成临近组织的损害感染，造成植入物暴露或者腐蚀，为患者带来二次创伤。因此激光增材制造钛网如果要在临床医疗中应用，必须进行抛光处理。现有抛光技术中，传统机械抛光技术成熟，成本低廉。但是骨缺损金属植入物往往因为医疗需要而具备特定和复杂的拓扑结构，传统机械抛光完成。而化学、电解抛光存在植入物表面化学物品残留，造成对人体细胞的毒害。激光抛光技术，利用熔池内液态金属流动带来材料的重新分配，减小表面粗糙度，可以实现复杂结构的精确、无接触抛光。
在金属植入物植入患者体内后，植入物表/界面特性直接影响患者体内蛋白质吸附以及细胞粘附、增殖、迁移及分化等行为。涂层作为植入物表面生物功能调节手段，虽然在极大程度上可以促进组织生长愈合，但是存在厚度难以控制以及涂层与基材界面强度不足等问题。利用拓扑结构调控细胞行为，可以有效达到促进生物相容性等表面功能。超快激光精密加工技术不受材料限制，能够精确制备多种微纳结构，实现植入物表面调节细胞形状和生长迁移等，可以有效实现金属植入物实现生物功能表面制备，有效保证了金属植入物的成功率。
随着激光技术工业化程度的不断加深，对其加工效率和加工质量提出了越来越高的要求。在实现加工质量提高的目标过程中，除了使用更高成本的超快激光器之外，使用监测技术对加工过程进行观察和调控也是重要的手段。传统的离线监测技术采用先加工后分析的方式对激光加工进程和加工缺陷进行监测，这种方法往往伴随着较差的时效性和较低的工作效率，在面对工况复杂多变、工件结构和组分多样化的实际工业生产时无法大规模应用。因此，在线监测技术作为一种必要的辅助手段，目前逐渐被广泛地应用到激光加工过程中。
发明内容
为了实现增材制备的骨缺损金属植入物功能表面的高性能激光制备，本发明提出一种基于在线监测的超快激光加工新方案：
一种基于在线监测的增材金属植入物功能表面激光制备系统，包括：ns/fs脉冲激光加工模块(1)、光电监测模块(2)、视觉监测模块(3)、热学监测模块(4)。光电监测模块(2)，视觉监测模块(3)及热学监测模块(4)综合利用多物理场在线监测并实时调控ns/fs脉冲激光加工模块(1)制备增材制备的骨缺损金属植入物(5)功能表面脉冲激光的状态。
所述的ns/fs脉冲激光加工模块(1)包括：ns脉冲激光器(101)、fs脉冲激光器(102)、反射镜位姿旋钮(103)、双面反射镜(104)、激光准直镜(105)、六轴机械臂(106)、分束镜(107)、快速激光头(108)、反射镜(109)、聚焦场镜(110)、加工平台(111)、伺服驱动导轨(112)，双面反射镜(104)调节ns脉冲激光器(101)与fs脉冲激光器(102)加工光路，初始双面反射镜(104)处在a位置，ns脉冲激光器(101)执行骨缺损金属植入物(5)增材表面抛光。
所述的光电监测模块(2)包括：光电二极管探测组(201)、峰值检波电路(202)、射频放大器(203)、示波显示器(204)、脉冲激光器调参工位机(205)，监测透射过分束镜(107)的激光束信号，在示波显示器(204)出现异于预设定加工信号状态后，指示脉冲激光器调参工位机(205)，骨缺损金属植入物(5)增材表面抛光状态下，调控ns脉冲激光器(101)参数，骨缺损金属植入物(5)诱导功能微结构状态下，调控fs脉冲激光器(102)参数。
所述的视觉监测模块(3)包括：辅助光源(301)、滤光镜组(302)、CMOS高速视觉传感器(303)、数字信号处理器(304)、形貌监视器(305)、台-镜位姿工位机(306)、PMAC运动控制卡(307)，在形貌监视器(305)中在线监测骨缺损金属植入物(5)抛光状态表面粗糙度，当粗糙度达到预定工艺误差带时，指示台-镜位姿工位机(306)启动反射镜位姿旋钮(103)将双面反射镜(104)由a位置转动至b位置，将骨缺损金属植入物(5)加工状态由增材表面抛光调整为诱导功能微结构状态，若形貌监视器(305)中在线监测到增材表面抛光中粗糙度超差、诱导功能微结构形貌异常，指示台-镜位姿工位机(306)启动PMAC运动控制卡(307)，伺服驱动导轨(112)带动加工平台(111)调整骨缺损金属植入物(5)空间坐标位置。
所述的热学监测模块(4)包括：红外校准镜(401)；高温热像仪(402)；A/D转换器(403)；温度监视器(404)；激光头运动工位机(405)，温度监视器(404)显示骨缺损金属植入物(5)加工状态温度场变化，若温度场异常，指示激光头运动工位机(405)改变六轴机械臂(106)及快速激光头(108)运动参数。
相对于其他，本发明一种基于在线监测的增材金属植入物功能表面激光制备系统，其优点在于：
(1)实现ns脉冲激光增材表面抛光与fs脉冲激光诱导功能微结构原位加工转换，缩短高性能增材骨缺损金属植入物高性能制备周期；
(2)多物理场综合在线监测，实时调控金属植入物功能表面加工状态，实时避免抛光表面超差以及微结构诱导缺陷。
附图说明
图1基于在线监测的增材金属植入物功能表面激光制备系统架构；
图2钛合金SLM颌面内植物功能表面激光制备流程图；
图3钛合金SLM颌面内植物(a)原始增材表面(b)激光抛光表面(c)诱导3D-LIPSS功能微结构SEM图像。
附图标记说明：1-ns/fs脉冲激光加工模块；2-光电监测模块；3-视觉监测模块；4-热学监测模块；5-骨缺损金属植入物；101-ns脉冲激光器；102-fs脉冲激光器；103-反射镜位姿旋钮；104-双面反射镜；105-激光准直镜；106-六轴机械臂；107-分束镜；108-快速激光头；109-反射镜；110-聚焦场镜；111-加工平台；112-伺服驱动导轨；201-光电二极管探测组；202-峰值检波电路；203-射频放大器；204-示波显示器；205-脉冲激光器调参工位机；301-辅助光源；302-滤光镜组；303-CMOS高速视觉传感器；304-数字信号处理器；305-形貌监视器；306-台-镜位姿工位机；307-PMAC运动控制卡；401-红外校准镜；402-高温热像仪；403-A/D转换器；404-温度监视器；405-激光头运动工位机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
钛合金SLM颌面内植物(5)3D-LIPSS功能表面制备流程如图2所示，钛合金SLM颌面内植物(5)，表面形貌如图3-(a)，装夹在加工平台(111)上，设置ns脉冲激光器(101)与fs脉冲激光器(102)激光参数，六轴机械臂(106)与快速激光头(108)运动参数以及加工平台(111)空间坐标。在示波显示器(204)及脉冲激光器调参工位机(205)设置ns脉冲激光增材表面抛光与fs脉冲激光诱导3D-LIPSS功能微结构加工状态激光功率参数波动带及异常阈值，在形貌监视器(305)与台-镜位姿工位机(306)设置ns脉冲激光增材表面抛光完毕判断值以及ns脉冲激光增材表面抛光表面粗糙度波动带及异常阈值和fs脉冲激光诱导3D-LIPSS功能微结构加工表面形貌波动带及异常阈值，在温度监视器(404)及激光头运动工位机(405)中设置ns脉冲激光增材表面抛光与fs脉冲激光诱导3D-LIPSS功能微结构加工温度波动带及异常阈值。
利用反射镜位姿旋钮(103)将双面反射镜(104)处在初始a位置，开启ns脉冲激光器(101)执行钛合金SLM颌面内植物(5)增材表面抛光。光电监测模块(2)监测透射过分束镜(107)的激光束信号，在示波显示器(204)出现异于预设定加工信号状态后，指示脉冲激光器调参工位机(205)调控ns脉冲激光器(101)参数；视觉监测模块(3)中形貌监视器(305)中在线监测到增材表面抛光中粗糙度超差，指示台-镜位姿工位机(306)启动PMAC运动控制卡(307)，伺服驱动导轨(112)带动加工平台(111)调整钛合金SLM颌面内植物(5)空间坐标位置；热学监测模块(4)中温度监视器(404)显示钛合金SLM颌面内植物(5)增材表面激光抛光状态温度场变化，若温度场异常，指示激光头运动工位机(405)改变六轴机械臂(106)及快速激光头(108)运动参数。
形貌监视器(305)在线监测钛合金SLM颌面内植物(5)抛光状态表面粗糙度达到预定工艺误差带时，如图3-(b)，指示台-镜位姿工位机(306)启动反射镜位姿旋钮(103)将双面反射镜(104)由a位置转动至b位置，将钛合金SLM颌面内植物(5)加工状态由增材表面抛光调整为诱导3D-LIPSS功能微结构状态。光电监测模块(2)监测透射过分束镜(107)的激光束信号，在示波显示器(204)出现异于预设定加工信号状态后，指示脉冲激光器调参工位机(205)调控fs脉冲激光器(102)参数；视觉监测模块(3)中形貌监视器(305)中在线监测到诱导3D-LIPSS功能微结构中表面形貌异常，指示台-镜位姿工位机(306)启动PMAC运动控制卡(307)，伺服驱动导轨(112)带动加工平台(111)调整钛合金SLM颌面内植物(5)空间坐标位置；热学监测模块(4)中温度监视器(404)显示钛合金SLM颌面内植物(5)诱导3D-LIPSS功能微结构状态温度场变化，若温度场异常，指示激光头运动工位机(405)改变六轴机械臂(106)及快速激光头(108)运动参数。
形貌监视器(305)在线监测钛合金SLM颌面内植物(5)诱导3D-LIPSS功能微结构达到预定工艺误差带时，如图3-(c)，关闭脉冲激光光路及在线监测加工系统，伺服驱动导轨(112)带动加工平台(111)复位，将钛合金SLM颌面内植物(5)取出，加工完毕。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，且包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种基于在线监测的增材金属植入物功能表面激光制备系统，包括：ns/fs脉冲激光加工模块(1)、光电监测模块(2)、视觉监测模块(3)、热学监测模块(4)，其特征在于，
所述的ns/fs脉冲激光加工模块(1)包括：ns脉冲激光器(101)、fs脉冲激光器(102)、反射镜位姿旋钮(103)、双面反射镜(104)、激光准直镜(105)、六轴机械臂(106)、分束镜(107)、快速激光头(108)、反射镜(109)、聚焦场镜(110)、加工平台(111)、伺服驱动导轨(112)，双面反射镜(104)调节ns脉冲激光器(101)与fs脉冲激光器(102)加工光路，初始双面反射镜(104)处在a位置，ns脉冲激光器(101)执行金属植入物增材表面抛光；
所述的光电监测模块(2)包括：光电二极管探测组(201)、峰值检波电路(202)、射频放大器(203)、示波显示器(204)、脉冲激光器调参工位机(205)，监测透射过分束镜(107)的激光束信号，在示波显示器(204)出现异于预设定加工信号状态后，指示脉冲激光器调参工位机(205)，金属植入物增材表面抛光状态下，调控ns脉冲激光器(101)参数，金属植入物(5)诱导功能微结构状态下，调控fs脉冲激光器(102)参数；
所述的视觉监测模块(3)包括：辅助光源(301)、滤光镜组(302)、CMOS高速视觉传感器(303)、数字信号处理器(304)、形貌监视器(305)、台-镜位姿工位机(306)、PMAC运动控制卡(307)，在形貌监视器(305)中在线监测金属植入物抛光状态表面粗糙度，当粗糙度达到预定工艺误差带时，指示台-镜位姿工位机(306)启动反射镜位姿旋钮(103)将双面反射镜(104)由a位置转动至b位置，将金属植入物加工状态由增材表面抛光调整为诱导功能微结构状态，若形貌监视器(305)中在线监测到增材表面抛光中粗糙度超差、诱导功能微结构形貌异常，指示台-镜位姿工位机(306)启动PMAC运动控制卡(307)，伺服驱动导轨(112)带动加工平台(111)调整金属植入物空间坐标位置；
所述的热学监测模块(4)包括：红外校准镜(401)、高温热像仪(402)、A/D转换器(403)、温度监视器(404)、激光头运动工位机(405)，温度监视器(404)显示金属植入物加工状态温度场变化，若温度场异常，指示激光头运动工位机(405)改变六轴机械臂(106)及快速激光头(108)运动参数。
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