CN115673339A - 一种锆铌合金骨科植入物的三维制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开实施例是关于一种锆铌合金骨科植入物的三维制造方法。该方法包括：建立目标工件的三维模型，三维模型分两部分进行设计：致密体部分和非致密体部分；设计致密体部分，并将致密体部分按照预设摆放形态进行摆放，得到摆放后的致密体部分，并在摆放后的致密体部分的底部设计若干拉杆单元；设计非致密体部分，并将非致密体部分与摆放后的致密体部分按照预设连接方式进行连接，得到连接后的致密体部分与非致密体部分的结合体；对结合体进行逐层离散处理，得到离散数据，并将离散数据及三维成形工艺参数导入三维成形设备；通过三维成形设备对锆铌合金粉末进行三维成形，得到目标工件。

Description

一种锆铌合金骨科植入物的三维制造方法

技术领域

本公开实施例涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种锆铌合金骨科植入物的三维制造方法。

背景技术

锆铌合金广泛用于核工业、化工业和生物医疗业等领域。锆铌合金以优异的生物相容性、较低弹性模量和低磁化率等性能成为新一代的骨科植入物，并且可以替代Ti合金在骨科植入物的制造中。低弹性模量锆铌合金有助于减少由于植入体与人体骨骼之间的生物力学不相容所致应力屏蔽现象。另一方面，当对骨科植入物患者进行核磁共振（MRI）检查时，锆铌合金还具有更低的磁化率可以减少MRI成像伪影现象。其中ZrNb合金因为其具有较高的强度，良好的韧性和生物相容性，较低的磁化率和弹性模量而成为医疗器械和植入物的主要材料。ZrNb合金植入体表面氧化后形成陶瓷层（ZrO₂层），其陶瓷表面同整个金属假体是一体成形的，避免了假体表面剥脱或者产生碎屑；ZrNb合金表面氧化后摩擦系数是钴铬合金的一半，并拥有更好的润滑度及耐腐蚀性，因此能明显降低关节摩擦界面的磨损率，延长了假体的使用寿命；基于氧化层表面同整个金属假体一体的设计，锆铌合金植入体强度是钴铬合金的2倍，避免了类似陶瓷的高脆性，有效防止假体碎裂的发生；除了良好的力学性能，锆铌合金还具有理想的生物相容性，致敏性低，更合适金属过敏体质的患者使用。

采用目前先进增材制造（AM）加工技术，有助于更好的实现锆铌合金植入体的高效成形。AM在制造完整一整套带有骨小梁结构或促进细胞生长和生物骨整合表面的人体骨骼具有大的优势。此外，AM设计的灵活性可以允许制造具有药物洗脱通道的功能植入物。AM技术是以高能束为能量源，在真空保护下高速扫描加热预置的金属粉末，通过逐层熔化叠加成形制造三维复杂结构件。

相关技术中，目前锆铌合金骨科植入体的制造方法主要采用锻造方法进行减材工艺制造，然而由于植入体结构的复杂性、多样性、零件内部结构的多变性以及组织性能的高要求性等因素，使得锆铌合金骨科植入体的传统锻造制备工艺受到限制，成本也大幅提升。随着制造技术的不断发展，增材制造技术可以实现复杂结构零件的快速成形、低成本制造等特点为复杂锆铌合金骨科植入体的成形带来了可行性。然而，现有的增材制造技术成形锆铌合金骨科植入体时出现较多问题，一是锆铌合金作为生物关节零件拉伸性能、疲劳性能较钛合金低一些，所以应该在结构设计时合理布置结构，减少因强度低而产生的应力失效问题。二是增材制造可以生产具有骨小梁结构的生物零件，这些骨小梁往往在致密实体表面成形，而骨小梁与致密体之间的过渡层成为生物零件受力的薄弱环节。三是增材制造生物零件的后处理过程复杂和效率低下等问题，成为生物零件批量生产的阻碍，故如何高效、高质量生产成为亟待解决问题。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本公开实施例的目的在于提供一种锆铌合金骨科植入物的三维制造方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开实施例提供的一种锆铌合金骨科植入物的三维制造方法，该方法包括：

建立目标工件的三维模型，所述三维模型分两部分进行设计：致密体部分和非致密体部分；

设计所述致密体部分，并将所述致密体部分按照预设摆放形态进行摆放，得到摆放后的所述致密体部分，并在摆放后的所述致密体部分的底部设计若干拉杆单元；其中，所述预设摆放形态为沿X方向和Y方向进行旋转摆放；所述拉杆单元用于摆放后的所述致密体部分的稳定放置；

设计所述非致密体部分，并将所述非致密体部分与摆放后的所述致密体部分按照预设连接方式进行连接，得到连接后的所述致密体部分与所述非致密体部分的结合体；其中，所述结合体为所述三维模型；

对所述结合体进行逐层离散处理，得到离散数据，并将所述离散数据导入三维成形设备控制单元，导入三维成形工艺参数；

通过所述三维成形设备对锆铌合金粉末进行三维成形，得到所述目标工件。

本公开的一实施例中，所述非致密体部分采用晶胞工艺设计或烧结态结构工艺设计。

本公开的一实施例中，所述非致密体部分的孔径为400~900μm，孔隙率为60%~85%，且当所述非致密体部分采用晶胞工艺设计时，所述非致密体部分的丝径为200~450μm。

本公开的一实施例中，所述预设连接方式为所述非致密体部分插入所述致密体部分。

本公开的一实施例中，所述非致密体部分的所述孔隙率为渐变孔隙率，所述非致密体部分包括两部分：第一非致密体部分和第二非致密体部分，其中，当所述非致密体部分插入所述致密体部分，所述第一非致密体部分的厚度为0.05~0.5mm时，设计所述第一非致密体部分的渐变孔隙率在60~75%；所述第二非致密体部分与所述第一非致密体部分相连接，设计所述第二非致密体部分的渐变孔隙率在70~85%。

本公开的一实施例中，当所述非致密体部分插入所述致密体部分时，插入距离分别由X方向的插入深度和Y方向的插入深度表示，所述X方向的插入深度为0.1~3mm，所述Y方向的插入深度为0.1~3mm。

本公开的一实施例中，所述三维模型包括若干层横截面，若干层所述横截面中存在一个大平面结构，且相邻每层所述横截面存在夹角时，所述夹角的范围为0~50°；所述拉杆单元之间的间距为0.5~5mm，所述拉杆单元进入所述致密部分的长度为0.05~0.6mm；其中，所述大平面结构为横截面积最大的横截面。

本公开的一实施例中，设计所述致密体部分时，将具有所述大平面结构的所述致密部分整体沿X方向进行旋转摆放的旋转角为-30°~30°，沿Y方向进行旋转摆放的旋转角为-30°~30°。

本公开的一实施例中，所述对所述结合体进行逐层离散处理，得到离散数据，并将所述离散数据及三维成形工艺参数导入三维成形设备的步骤中包括：

对所述结合体进行离散处理后，根据所述大平面结构的横截面形状和大小设置所述三维模型的每层横截面的熔化路径，且所述大平面结构的熔化路径为长熔化线平行于该大平面结构的长边，相邻每层所述横截面的所述熔化路径的夹角为45°~100°；其中，经离散处理后得到的所述离散数据的逐层厚度为0.04~0.09mm。

本公开的一实施例中，所述通过所述三维成形设备对锆铌合金粉末进行三维成形，得到所述目标工件的步骤中：

对成形基板进行预热；

将所述锆铌合金粉末均匀铺设到预热后的所述成形基板上，并对所述锆铌合金粉末进行加热；

对加热后的所述锆铌合金粉末进行所述致密体部分与所述非致密体部分的选区熔化；

重复上述铺粉工艺、加热工艺和选区熔化工艺，逐层堆积打印成目标工件。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开的实施例中，通过上述方法，一方面利用增材制造技术无模具、可实现任意复杂形状零件自由制造的特点，摆脱了传统工艺流程复杂的弊端，节约了成本，提高了效率。另一方面，非致密体部分与致密体部分按照预设连接方式进行连接的结合，可以更好地提高锆铌合金骨科植入物的成形质量；并且提出了锆铌合金骨科植入物摆放方法和拉杆单元结构的建立方法，可以实现锆铌合金骨科植入物的高效、高质量生产。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本公开示例性实施例中一种锆铌合金骨科植入物的三维制造方法的步骤流程图；

图2示出本公开示例性实施例中三维成形的步骤流程图；

图3示出本公开示例性实施例中三维模型的设计示意图；

图4示出本公开示例性实施例中三维模型的摆放示意图；

图5示出本公开示例性实施例中大平面结构的熔化线设计示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种锆铌合金骨科植入物的三维制造方法。参考图1中所示，该方法可以包括：步骤S101至S105。

步骤S101：建立目标工件的三维模型，所述三维模型分两部分进行设计：致密体部分和非致密体部分。

步骤S102：设计所述致密体部分，并将所述致密体部分按照预设摆放形态进行摆放，得到摆放后的所述致密体部分，并在摆放后的所述致密体部分的底部设计若干拉杆单元；其中，所述预设摆放形态为沿X方向和Y方向进行旋转摆放；所述拉杆单元用于摆放后的所述致密体部分的稳定放置。

步骤S103：设计所述非致密体部分，并将所述非致密体部分与摆放后的所述致密体部分按照预设连接方式进行连接，得到连接后的所述致密体部分与所述非致密体部分的结合体；其中，所述结合体为所述三维模型。

步骤S104：对所述结合体进行逐层离散处理，得到离散数据，并将所述离散数据及三维成形工艺参数导入三维成形设备。

步骤S105：通过所述三维成形设备对锆铌合金粉末进行三维成形，得到所述目标工件。

通过上述方法，一方面利用增材制造技术无模具、可实现任意复杂形状零件自由制造的特点，摆脱了传统工艺流程复杂的弊端，节约了成本，提高了效率。另一方面，非致密体部分与致密体部分按照预设连接方式进行连接的结合，可以更好地提高锆铌合金骨科植入物的成形质量；并且提出了锆铌合金骨科植入物摆放方法和拉杆单元结构的建立方法，可以实现锆铌合金骨科植入物的高效、高质量生产。

下面，将参考图1至图５对本示例实施方式中的上述方法的各个部分进行更详细的说明。

在步骤S101中，建立目标工件的三维模型，所述三维模型分两部分进行设计：致密体部分和非致密体部分。具体的，利用三维建模软件建立目标工件的三维模型，三维模型分两部分进行设计。其中，目标工件为锆铌合金骨科植入物，对目标工件的三维模型的结构进行限定，锆铌合金骨科植入物由两部分组成，一部分为致密体部分，一部分为非致密体部分，致密体部分主要有一定的强韧性和耐磨性等，提高锆铌合金骨科植入物使用寿命，非致密体部分主要用于与人体骨骼相配合，可促进骨细胞与锆铌合金骨科植入物相融合。

在步骤S102中，设计所述致密体部分，并将所述致密体部分按照预设摆放形态进行摆放，得到摆放后的所述致密体部分，并在摆放后的所述致密体部分的底部设计若干拉杆单元；其中，所述预设摆放形态为沿X方向和Y方向进行旋转摆放；所述拉杆单元用于摆放后的所述致密体部分的稳定放置。具体的，致密体部分设计，为了提高后处理效率以及实现锆铌合金骨科植入物高质量打印，设计致密体部分沿X方向和Y方向进行旋转摆放方式，得到摆放后的致密体部分，实现特殊结构的良好成形。该种摆放方法，一定程度上可以减少锆铌合金锆铌合金植入物的各个平面打印变形、熔化时间过长、熔化能量不足等问题。此外，为了摆放后的致密体部分的稳定放置，在致密体部分的底部设计拉杆单元。

在步骤S103中，设计所述非致密体部分，并将所述非致密体部分与摆放后的所述致密体部分按照预设连接方式进行连接，得到连接后的所述致密体部分与所述非致密体部分的结合体；其中，所述结合体为所述三维模型。具体的，依据致密体部分的表面结构要求进行非致密体部分设计，且非致密体部分与致密体部分按照预设连接方式进行连接，从而得到连接后的致密体部分与非致密体部分的结合体，该结合体即为三维模型。非致密体部分与致密体部分按照预设连接方式形成的结合体，可以大幅度提高锆铌合金骨科植入物的整体压缩强度，并且根据锆铌合金骨科植入物受力方向不同，设计不同结构，最终提高打印效率和打印质量。

在步骤S104中，对所述结合体进行逐层离散处理，得到离散数据，并将所述离散数据及三维成形工艺参数导入三维成形设备。具体的，建立好目标工件的三维模型后，利用离散模型软件沿目标工件（也即锆铌合金骨科植入物）的高度方向进行逐层离散，从而得到每层的离散数据，并将每层的离散数据导入三维成形设备中，进一步地将三维成形工艺参数也导入三维成形设备中，以进行相关三维成形工艺参数的设置。

在步骤S105中，通过所述三维成形设备对锆铌合金粉末进行三维成形，得到所述目标工件。具体的，在导入相关三维成形工艺参数后，通过三维成形设备对锆铌合金粉末进行三维成形，得到目标工件，也即锆铌合金骨科植入物。

在一个实施例中，所述非致密体部分采用晶胞工艺设计或烧结态结构工艺设计。具体的，根据致密体部分的表面结构要求进行非致密体部分设计，非致密体部分可以采用三维建模软件进行晶胞工艺设计或烧结态结构工艺设计。其中，采用晶胞工艺设计得到的非致密体部分为有规律的非致密体部分，采用烧结态结构工艺设计的非致密体部分为无规律的非致密体部分。

在一个实施例中，所述非致密体部分的孔径为400~900μm，孔隙率为60%~85%，且当所述非致密体部分采用晶胞工艺设计时，所述非致密体部分的丝径为200~450μm。具体的，致密体部分及非致密体部分结构依据植入体三维模型要求进行设计，非致密体部分为具有孔的结构，且非致密体部分的孔径为400~900μm，孔隙率为60%~85%，当非致密体部分采用晶胞工艺设计时，非致密体部分的丝径为200~450μm。如此设置非致密体部分的孔径、孔隙率，当非致密体部分采用晶胞工艺设计时的非致密体部分的丝径，可减轻锆铌合金骨科植入物的重量，促进骨细胞长入，更加接近人体骨骼构造。其中，非致密体部分的孔径可以为400μm、700μm、850μm、900μm等，孔隙率可以为60%、65％、70％、85%等，当非致密体部分采用晶胞工艺设计时，非致密体部分的丝径可以为200μm、250μm、300μm、400μm、450μm等。上述非致密体部分的孔径、孔隙率，以及当非致密体部分采用晶胞工艺设计时，非致密体部分的丝径，可根据实际情况进行设定，本实施例对此不做限制。

在一个实施例中，所述预设连接方式为所述非致密体部分插入所述致密体部分。具体的，根据受力情况，对非致密体部分与致密体部分过度层进行结构设计，设计不同方向非致密体部分与致密体部分交接深度，既能提高锆铌合金骨科植入物的承压性能，又可以提高打印效率。

在一个实施例中，所述非致密体部分的所述孔隙率为渐变孔隙率，所述非致密体部分包括两部分：第一非致密体部分和第二非致密体部分，其中，当所述非致密体部分插入所述致密体部分，所述第一非致密体部分的厚度为0.05~0.5mm时，设计所述第一非致密体部分的渐变孔隙率在60~75%；所述第二非致密体部分与所述第一非致密体部分相连接，设计所述第二非致密体部分的渐变孔隙率在70~85%。具体的，在非致密体部分设计时，设计非致密体部分的孔隙率为渐变孔隙率或梯度孔隙率，非致密体部分有两部分：第一非致密体部分和第二非致密体部分，非致密体部分插入致密体部分，第一非致密体部分的厚度为0.05~0.5mm，第二非致密体部分与第一非致密体部分相连接，设计第二非致密体部分的渐变孔隙率在70~85%，如此设计，一方面有利于骨细胞生长，另一方面可以提高非致密体部分的抗压和疲劳性能。

在一个实施例中，当所述非致密体部分插入所述致密体部分时，插入距离分别由X方向的插入深度和Y方向的插入深度表示，所述X方向的插入深度为0.1~3mm，所述Y方向的插入深度为0.1~3mm。具体的，当非致密体部分插入致密体部分时，也即实现了非致密体部分与致密体部分之间的过度。非致密体部分插入致密体部分，插入距离包括沿X方向的插入深度a和沿Y方向的插入深度b，也就是说插入距离分别可由X方向的插入深度a和Y方向的插入深度b表示。进一步的，X方向的插入深度a为0.1~3mm，Y方向的插入深度b为0.1~3mm。如此设计的优点在于，结合三维制造不同方向成形特点，引入骨骼受力方向不同，使三维成形的锆铌合金骨科植入物具有一定的特异性，制备具有更好力学性能的锆铌合金植入物。a和b大小的选取根据锆铌合金骨科植入物非致密体部分的受力方向而定，若锆铌合金骨科植入物非致密体部分在X方向受力＞锆铌合金骨科植入物非致密体部分在Y方向的受力（如股骨髁生物零件），则设计a=1~3mm，b=0.1~1mm；若锆铌合金骨科植入物非致密体部分在X方向受力＜锆铌合金骨科植入物非致密体部分在Y方向的受力（如胫骨平台零件、髋臼零件），则设计a=0.1~1mm，b=1~3mm；若锆铌合金骨科植入物非致密体部分在X方向受力≈锆铌合金骨科植入物非致密体部分在Y方向的受力，则根据人体骨骼压缩强度大小（压缩强度范围132~187MPa），对插入距离进行规定，锆铌合金骨科植入物所属人体骨骼关节压缩强度132~150MPa时，b=a=0.1~1mm，锆铌合金植入物所属人体关节承受压缩强度150~170MPa时，b=a=1~2mm，锆铌合金骨科植入物所属人体关节承受压缩强度大于170MPa时，b=a=2~3mm。需要理解的是，X方向的插入深度a和沿Y方向的插入深度b，具体可根据实际情况进行设定，本实施例对此不做限制。

需要说明的是，锆铌合金骨科植入物的三维模型整体抬高1~5mm，目的是为了提高锆铌合金骨科植入物的后处理效率，若不抬高锆铌合金骨科植入物，则锆铌合金骨科植入物与成形基板相连接，很难从成形基板上取下，影响后处理效率。

在一个实施例中，所述三维模型包括若干层横截面，若干层所述横截面中存在一个大平面结构，且相邻每层所述横截面存在夹角时，所述夹角的范围为0~50°；所述拉杆单元之间的间距为0.5~5mm，所述拉杆单元进入所述致密部分的长度为0.05~0.6mm；其中，所述大平面结构为横截面积最大的横截面。具体的，三维模型中的横截面存在大平面结构，也即三维模型中会存在一个横截面积最大的一个平面，根据锆铌合金的凝固特点，相邻两层的横截面存在夹角θ时，并且夹角θ为正值且范围为0~50°时，需要在三维模型的底部添加拉杆单元，拉杆单元之间的间距d=0.5~5mm，拉杆单元进入致密体部分的长度c=0.05~0.6mm。其中，如此设计的优点在于减少锆铌合金骨科植入物熔化、凝固收缩带来的锆铌合金骨科植入物翘曲变形，并且通过优化长度c参数及拉杆单元之间的间距d参数，减少拉杆单元去除时间，提高后处理效率。

在一个实施例中，设计所述致密体部分时，将具有大平面结构的所述致密部分整体沿X方向进行旋转摆放的旋转角为-30°~30°，沿Y方向进行旋转摆放的旋转角为-30°~30°。具体的，由于三维模型中的致密体部分的横截面中会存在一个大平面结构，在设计致密体部分时，且设计致密体部分进行旋转摆放时，只需将具有大平面结构的横截面层沿X方向进行旋转摆放的旋转角α₁为-30°~30°，沿Y方向进行旋转摆放的旋转角α₂为-30°~30°，即可实现致密体部分的旋转摆放。其中，将致密体部分进行旋转摆放设计的优点在于，锆铌合金骨科植入物大平面结构在熔化时，熔化时间过长，锆铌合金凝固速率较快，所以凝固带来的缺陷和变形问题增为严重，所以通过优化摆放可以减少熔化时间，减少锆铌合金骨科植入物缺陷和变形问题。

在一个实施例中，所述对所述结合体进行逐层离散处理，得到离散数据，并将所述离散数据及三维成形工艺参数导入所述三维成形设备的步骤中包括：

对所述结合体进行离散处理后，根据所述大平面结构的横截面形状和大小设置所述三维模型的每层横截面的熔化路径，且所述大平面结构的熔化路径为长熔化线平行于该大平面结构的长边，相邻每层所述横截面的所述熔化路径的夹角为45°~100°；其中，经离散处理后得到的所述离散数据的逐层厚度为0.04~0.09mm。具体的，对三维模型进行逐层离散处理时，通过设计逐层厚度有利于提高三维成形效率，提高熔化质量。离散数据的逐层厚度为0.04~0.09mm，例如，离散数据的逐层厚度可以为0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.08mm、0.1mm等，具体可根据实际情况进行设定，本实施例对此不做限制。三维模型中的每层横截面均具有长边和短边，且每层横截面的长边方向相同，短边方向相同。因此在设置熔化路径时，只需根据三维模型中最大的一个大平面结构的横截面形状和大小设置熔化路径，进一步的，具有大平面结构的横截面层的熔化路径为长熔化线平行于该大平面结构的长边，而相邻每层横截面的熔化路径夹角设置为45°~100°。例如，相邻每层横截面的熔化路径夹角可以为45°、50°、60°、70°、90°等。当相邻每层横截面的熔化路径夹角设置为90°时，与具有大平面结构相邻的横截面的熔化路径就为短熔化线垂直于长边。因此，根据大平面结构的横截面形状和大小设置的熔化路径就可以依次设置出其余层横截面的熔化路径。

在一个实施例中，所述通过所述三维成形设备对锆铌合金粉末进行三维成形，得到所述目标工件的步骤中包括：

步骤S201：对成形基板进行预热；

步骤S202：将所述锆铌合金粉末均匀铺设到预热后的所述成形基板上，并对所述锆铌合金粉末进行加热；

步骤S203：对加热后的所述锆铌合金粉末进行所述致密体部分与所述非致密体部分的选区熔化；

步骤S204：重复上述铺粉工艺、加热工艺和选区熔化工艺，逐层堆积打印成目标工件。

在步骤S201中，对成形基板进行预热。具体的，利用高速移动的高能热源对成形基板进行加热，可实现对成形基板的预热。进一步的，高能热源为高能束。其中，成形基板为不锈钢成形基板或钼成形基板。

在步骤S202中，将所述锆铌合金粉末均匀铺设到预热后的所述成形基板上，并对所述锆铌合金粉末进行加热。具体的，将锆铌合金粉末从粉末容器中推出，并均匀地铺设在加热好的成形基板上，并对铺设好的锆铌合金粉末进行加热。其中，粉末铺设高度与离散化处理的逐层离散数据相同。

在步骤203中，对加热后的所述锆铌合金粉末进行所述致密体部分与所述非致密体部分的选区熔化。具体的，三维成形设备根据离散数据，对加热后的锆铌合金粉末进行熔化，其中，熔化使用热源为聚焦的高能束热源。

在步骤S204中，重复上述铺粉工艺、加热工艺和选区熔化工艺，逐层堆积打印成目标工件。具体的，重复铺粉工艺、加热工艺和选区熔化工艺过程可以得到高质量的锆铌合金骨科植入物，其中，锆铌合金骨科植入物的区域熔化根据设置的熔化路径进行熔化。目标工件即为锆铌合金骨科植入物。该三维成形工艺主要针对粉末床三维成形方法，通过成形基板预热、粉末床加热、区域熔化，提高了锆铌合金骨科植入物三维成形质量和加工效率。

在一个实施例中，所述成形基板的预热通过高能束扫描实现，所述高能束的扫描电流为12mA~29mA，扫描速度为13-24m/s，预热时间为45min-59min。具体的，利用高速移动的高能热源对成形基板进行加热，可实现对成形基板的预热。进一步的，高能热源为高能束，通过高能束扫描成形基板进行预热，高能束的扫描电流为12mA~29mA，扫描速度为13-24m/s，预热时间为45min-59min。

在一个实施例中，对所述锆铌合金粉末进行加热时，所述锆铌合金粉末的加热通过高能束轰击实现，所述高能束轰击的加热电流大小为31~37mA，加热速度大小为15~19m/s，加热时间为12~20s，扫描间距为0.8mm~1.4mm。具体的，将锆铌合金粉末并均匀地铺设在预热好的成形基板上后，通过聚焦的高能束热源，对锆铌合金粉末进行加热，具体是通过高能束轰击实现。进一步的，高能束轰击的加热电流大小为31~37mA，加热速度大小为15~19m/s，加热时间为12~20s，扫描间距为0.8mm~1.4mm。

在一个实施例中，所述致密体部分的外轮廓扫描电流为5-8mA，扫描速度为0.3~0.8m/s，所述致密体部分的内部扫描电流为12-16mA，扫描速度为4-7m/s；所述非致密体部分的外轮廓扫描电流为5.0-6.0mA，扫描速度为0.25~0.55m/s，所述非致密体部分的内部扫描电流为2.0-6.0mA，扫描速度为0.2-1.5m/s；其中，所述致密体部分与所述非致密体部分的高能束扫描间距分别为0.06mm~0.12mm。具体的，对加热后的锆铌合金粉末进行致密体部分与非致密体部分的选区熔化时，致密体部分的外轮廓扫描电流为5-8mA，扫描速度为0.3~0.8m/s。致密体部分的内部扫描电流为12-16mA，扫描速度为4-7m/s。非致密体部分的外轮廓扫描电流为5.0-6.0mA，扫描速度为0.25~0.55m/s。非致密体部分的内部扫描电流为2.0-6.0mA，扫描速度为0.2-1.5m/s。其中，致密体部分与非致密体部分的高能束扫描间距分别为0.06mm~0.12mm。

需要说明的是，本公开以高能束为能量源，利用其能量密度高、利用率高的优势，使锆铌合金粉末充分熔融，并通过设置的三维成形工艺参数，保证锆铌合金骨科植入物成形的高致密度。利用高能束快速扫描特点，对成形基板进行预热，减少了应力集中，极大规避了变形风险，降低了残余应力。三维成形中的高真空洁净的环境降低了锆铌合金骨科植入物中的杂质含量，防止因杂质浓度过高导致锆铌合金材料性能恶化，高真空同时也解决了锆铌合金骨科植入物高温下易氧化的难题。同时可直接成形具有复杂形状的锆铌合金骨科植入物，无需后续机加工与热处理，提高了锆铌合金材料的利用率，相比传统的加工工艺，极大地缩短了制造周期，节约了成本。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种锆铌合金骨科植入物的三维制造方法，其特征在于，该方法包括：

建立目标工件的三维模型，所述三维模型分两部分进行设计：致密体部分和非致密体部分；

设计所述致密体部分，并将所述致密体部分按照预设摆放形态进行摆放，得到摆放后的所述致密体部分，并在摆放后的所述致密体部分的底部设计若干拉杆单元；其中，所述预设摆放形态为沿X方向和Y方向进行旋转摆放；所述拉杆单元用于摆放后的所述致密体部分的稳定放置；

设计所述非致密体部分，并将所述非致密体部分与摆放后的所述致密体部分按照预设连接方式进行连接，得到连接后的所述致密体部分与所述非致密体部分的结合体；其中，所述结合体为所述三维模型；

对所述结合体进行逐层离散处理，得到离散数据，并将所述离散数据及三维成形工艺参数导入三维成形设备；

通过所述三维成形设备对锆铌合金粉末进行三维成形，得到所述目标工件。

2.根据权利要求1所述锆铌合金骨科植入物的三维制造方法，其特征在于，所述非致密体部分采用晶胞工艺设计或烧结态结构工艺设计。

3.根据权利要求2所述锆铌合金骨科植入物的三维制造方法，其特征在于，所述非致密体部分的孔径为400~900μm，孔隙率为60%~85%，且当所述非致密体部分采用晶胞工艺设计时，所述非致密体部分的丝径为200~450μm。

4.根据权利要求3所述锆铌合金骨科植入物的三维制造方法，其特征在于，所述预设连接方式为所述非致密体部分插入所述致密体部分。

5.根据权利要求4所述锆铌合金骨科植入物的三维制造方法，其特征在于，所述非致密体部分的所述孔隙率为渐变孔隙率，所述非致密体部分包括两部分：第一非致密体部分和第二非致密体部分，其中，当所述非致密体部分插入所述致密体部分，所述第一非致密体部分的厚度为0.05~0.5mm时，设计所述第一非致密体部分的渐变孔隙率在60~75%；所述第二非致密体部分与所述第一非致密体部分相连接，设计所述第二非致密体部分的渐变孔隙率在70~85%。

6.根据权利要求4所述锆铌合金骨科植入物的三维制造方法，其特征在于，当所述非致密体部分插入所述致密体部分时，插入距离分别由X方向的插入深度和Y方向的插入深度表示，所述X方向的插入深度为0.1~3mm，所述Y方向的插入深度为0.1~3mm。

7.根据权利要求1所述锆铌合金骨科植入物的三维制造方法，其特征在于，所述三维模型包括若干层横截面，若干层所述横截面中存在一个大平面结构，且相邻每层所述横截面存在夹角时，所述夹角的范围为0~50°；所述拉杆单元之间的间距为0.5~5mm，所述拉杆单元进入所述致密部分的长度为0.05~0.6mm；其中，所述大平面结构为横截面积最大的横截面。

8.根据权利要求7所述锆铌合金骨科植入物的三维制造方法，其特征在于，设计所述致密体部分时，将具有大平面结构的所述致密部分整体沿X方向进行旋转摆放的旋转角为-30°~30°，沿Y方向进行旋转摆放的旋转角为-30°~30°。

9.根据权利要求8所述锆铌合金骨科植入物的三维制造方法，其特征在于，所述对所述结合体进行逐层离散处理，得到离散数据，并将所述离散数据及三维成形工艺参数导入三维成形设备的步骤中包括：

对所述结合体进行离散处理后，根据所述大平面结构的横截面形状和大小设置所述三维模型的每层横截面的熔化路径，且所述大平面结构的熔化路径为长熔化线平行于该大平面结构的长边，相邻每层所述横截面的所述熔化路径的夹角为45°~100°；其中，经离散处理后得到的所述离散数据的逐层厚度为0.04~0.09mm。

10.根据权利要求1所述锆铌合金骨科植入物的三维制造方法，其特征在于，所述通过所述三维成形设备对锆铌合金粉末进行三维成形，得到所述目标工件的步骤中：

对成形基板进行预热；

将所述锆铌合金粉末均匀铺设到预热后的所述成形基板上，并对所述锆铌合金粉末进行加热；

对加热后的所述锆铌合金粉末进行所述致密体部分与所述非致密体部分的选区熔化；

重复上述铺粉工艺、加热工艺和选区熔化工艺，逐层堆积打印成目标工件。

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