KR20230093283A - 질화규소 및 금속 복합재들의 선택적 레이저 소결을 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents
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Abstract
컴포넌트를 제조하기 위한 방법들 및 시스템들이 개시된다. 컴포넌트를 제조하는 방법은 전형적으로, 질화규소 분말과 티타늄 합금 분말을 블렌딩하여 조합된 분말을 형성하는 단계; 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 빔 소스 및 플랫폼을 갖는 빌드 챔버 내에 상기 조합된 분말을 수용하는 단계; 상기 플랫폼 위에 상기 조합된 분말의 복수의 층들을 스프레딩하는 단계; 상기 레이저 빔을 사용하여 상기 복수의 층들 각각에서 상기 조합된 분말의 적어도 일부를 융합하는 단계 - 상기 복수의 층들 각각은 스프레딩되고, 상기 복수의 층들 중 다른 하나가 스프레딩되기 전에 조합된 분말의 부분은 융합되고, 상기 레이저 빔은 상기 컴포넌트의 3D 모델에 의해 자동으로 안내됨 - ; 및 융합되지 않은 상기 조합된 분말을 제거하는 단계를 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 10월 23일에 출원된 미국 가출원 번호 63/104,823에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용은 모두 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 개시는 컴포넌트를 제조하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것으로, 특히 선택적 레이저 소결 또는 용융을 사용하여 컴포넌트를 제조하는 것에 관한 것이다. 본 개시의 양태들은 본 명세서에 개시된 시스템들 및 방법들에 의해 생성된 컴포넌트들 또는 임플란트들에 관한 것이다.
3D 프린팅은 3차원(3D) 모델 데이터로부터 광범위한 구조 및 복잡한 기하학적 구조(geometry)를 제조하기 위한 적층 제조(additive manufacturing:AM) 기술이다. 프로세스는 전형적으로 서로의 상단에 형성되는 재료들의 연속적인 층들을 프린팅하는 것으로 구성된다. 3D 프린팅 기술은 1986년 찰스 헐(Charles Hull)에 의해 스테레오리소그래피(SLA)로 알려진 프로세스에서 개발되었으며, 그 후 분말 베드융합(powder bed fusion), 융합 증착 모델링(FDM), 잉크젯 프린팅, 컨투어 크래프팅(CC) 등의 후속 개발이 뒤따랐다. 다양한 방법, 재료 및 장비를 포함하는 3D 프린팅은 수년에 걸쳐 진화했으며 제조 및 물류 프로세스를 혁신할 수 있는 능력을 갖추고 있다.
3D 프린팅의 개선은 신속한 프로토타이핑(prototyping) 분야의 성장으로 이어졌다. 일반적으로, 신속한 프로토타이핑은 엔지니어링 도면들에 따라 프로토타입 물품들을 종래의 기계가공하는 것이 아니라, 자동화된 방식으로 컴퓨터-지원-설계(computer-aided-design, "CAD") 데이터베이스들로부터 직접 물품들을 제조하는 것을 지칭한다. 결과적으로 엔지니어링 설계에서 프로토타입 부품을 생산하는 데 필요한 시간이 경우에 따라 몇 주에서 몇 시간으로 단축되었다.
선택적 레이저 소결은 폴리스티렌, 나일론, 다른 플라스틱, 및 중합체 코팅된 금속 및 세라믹과 같은 복합재를 포함하는 다양한 재료로부터 고해상도 및 치수 정밀도의 3차원 물품의 직접적인 제조를 가능하게 하였다. 적층 제조는 물체의 CAD 데이터베이스 표현으로부터 몰드의 직접 제조를 가능하게 하였다; 이 경우, 컴퓨터 작업은 물체의 CAD 데이터베이스 표현을 "반전"하여 분말로부터 네거티브를 직접 형성한다.
컴포넌트들을 제조하기 위한 개선된 방법들에 대한 지속적인 요구가 존재한다.
본 개시는 컴포넌트를 제조하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것으로, 특히 선택적 레이저 소결 또는 용융을 사용하여 컴포넌트를 제조하는 것에 관한 것이다. 본 개시의 양태들은 또한 본 명세서에 개시된 방법들에 의해 생성된 컴포넌트들 또는 임플란트들에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 컴포넌트를 제조하기 위한 방법은 유리하게는 컴포넌트의 효율적이고 신속한 생산을 가능하게 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 방법들은 생체의학적 임플란트들과 같은 맞춤형 컴포넌트들의 생산을 가능하게 한다. 제조 방법은 임플란트에 매우 바람직한 높은 구조적 안정성 및 개선된 생체활성(bioactivity)을 동시에 갖는 컴포넌트를 생성하기 위해 고유한 조성물을 이용한다. 예를 들어, 컴포넌트들은 향상된 골전도도(osteoconductivity), 골 통합(osseous integration) 및 항병원성을 가질 수 있다. 일부 경우에, 컴포넌트들은 치아 임플란트, 척추 임플란트, 관절 컴포넌트 등에 요구되는 개선된 생체활성을 갖는 임플란트가 되도록 구성될 수 있다. 컴포넌트들이 맞춤형 의료용 임플란트로 구성될 수 있지만, 일부 실시예들에서, 컴포넌트들은 핸들, 노브(knob), 레버(lever), 베드 레일(bed rail), 의자, 가동 램프, 라이트 스위치, 휴대폰 케이스, 트레이 테이블, 작은 카운터 표면 등과 같은 높은 접촉 표면을 갖는 물체가 되도록 구성될 수 있다.
제1 양태에 따르면, 컴포넌트를 제조하기 위한 방법은 전형적으로, 질화규소 분말과 금속 분말을 블렌딩하여 조합된 분말(combined powder)을 형성하는 단계; 레이저 빔을 생성하도록 동작 가능한 레이저 빔 소스 및 플랫폼을 갖는 빌드 챔버(build chamber) 내에 상기 조합된 분말을 수용하는 단계; 상기 플랫폼 위에 상기 조합된 분말의 복수의 층들을 스프레딩(spreading)하는 단계; 상기 레이저 빔을 사용하여 상기 복수의 층들 각각에서 상기 조합된 분말의 적어도 일부를 융합(fusing)하는 단계 - 상기 복수의 층들 각각은 스프레딩되고, 상기 복수의 층들 중 다른 하나가 스프레딩되기 전에 조합된 분말의 부분은 융합되고, 상기 레이저 빔은 상기 컴포넌트의 3D 모델에 의해 자동으로 안내됨 - ; 및 상기 레이저 빔에 의해 융합되지 않은 조합된 분말을 제거하는 단계를 포함한다.
조합된 분말은 약 1 내지 약 35 부피%의 질화규소 분말 및 약 65 내지 약 99 부피%의 금속 분말을 함유할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 조합된 분말은 약 10 내지 약 20 부피%의 질화규소 분말 및 약 80 내지 약 90 부피%의 금속 분말을 함유한다. 적어도 하나의 다른 실시예에서, 조합된 분말은 약 15 부피%의 질화규소 분말 및 약 85 부피%의 금속 분말이다. 일부 예들에서, 조합된 분말은 질화규소 분말 및 티타늄 합금 분말로 구성되거나 본질적으로 구성될 수 있다. 티타늄 합금 분말은 바람직하게는 Ti6Al4V일 수 있다. 금속 분말은 약 20 미크론 내지 약 300 미크론의 분말 크기 분포를 가질 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 금속 분말은 약 20 미크론 내지 약 65 미크론의 분말 크기 분포를 가질 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 질화규소 분말은 약 20 미크론 내지 약 300 미크론의 분말 크기 분포를 가질 수 있다. 일부 경우에, 조합된 분말은 그들의 이론값의 약 25 내지 약 60%의 패킹 밀도(packing density)를 갖는다.
이 방법은 조합된 분말을 약 1000°C 내지 약 1700°C의 온도로 가열함으로써 용융 또는 소결을 통해 레이저를 사용하여 조합된 분말을 융합하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 레이저는 소결을 통해, 조합된 분말을 약 1000°C 내지 약 1700°C의 온도로 가열함으로써 조합된 분말을 융합한다.
방법은 빌드 챔버 내의 대기압을 이용할 수 있다. 일부 경우들에서, 빌드 챔버는 예를 들어, 동작 동안 (N2) 가스를 함유한다. 다른 경우들에서, 빌드 챔버는 예를 들어, 동작 동안 암모니아 (NH3) 가스를 함유한다. 추가적인 경우들에서, 빌드 챔버는 예를 들어, 동작 동안 수소(H2) 가스 및 질소(N2)의 조합을 함유한다.
적어도 하나의 실시예에서, 방법은 컴포넌트의 표면을 기계가공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 컴포넌트의 표면을 기계가공하는 단계는 컴포넌트의 표면을 연마하는 단계 및/또는 컴포넌트들의 표면에 대해 화학적 에칭을 수행하는 단계를 포함한다.
제2 양태에 따르면, 방법에 의해 생성된 약 1 내지 약 35 부피%의 질화규소 및 약 65 내지 약 99 부피%의 금속 분말을 포함하는 임플란트가 제공되며, 이 방법은, 질화규소 분말과 티타늄 합금 분말을 블렌딩하여 조합된 분말을 형성하는 단계; 레이저 빔을 생성하도록 동작 가능한 레이저 빔 소스 및 플랫폼을 갖는 빌드 챔버 내에 상기 조합된 분말을 수용하는 단계; 상기 플랫폼 위에 상기 조합된 분말의 복수의 층들을 스프레딩하는 단계; 상기 레이저 빔을 사용하여 상기 복수의 층들 각각에서 상기 조합된 분말의 적어도 일부를 융합하는 단계 - 상기 복수의 층들 각각은 스프레딩되고, 상기 복수의 층들 중 다른 하나가 스프레딩되기 전에 조합된 분말의 부분은 융합되고, 상기 레이저 빔은 상기 컴포넌트의 3D 모델에 의해 자동으로 안내됨 - ; 및 컴포넌트로부터 융합되지 않은 조합된 분말을 제거하는 단계를 포함한다.
임플란트는 Ti6Al4V인 티타늄 합금 분말을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 임플란트는 철, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 크롬, 이들의 합금 또는 이들의 조합의 약 0.1 부피% 이상을 더 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서, 조골 세포 증식(osteoblast cell proliferation)은 질화규소 분말이 없는 임플란트와 비교하여 임플란트 상에서 증가한다. 바람직하게는, 임플란트는 항병원성일 수 있다. 예를 들어, 임플란트는 박테리아, 곰팡이 및 바이러스 중 적어도 하나의 증식을 억제할 수 있다.
본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 몇몇 실시예를 예시하고, 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 개시의 일 양태에 따른 컴포넌트를 제조하기 위한 방법의 예시적인, 비제한적인 실시예의 흐름도 표현이다.
도 2는 본 개시의 일 양태에 따라 제조되는 경추 임플란트(cervical implant)의 모델이다.
도 3은 본 개시의 일 양태에 따라 제조된 경추 임플란트의 이미지이다.
도 4는 도 3의 경추 임플란트의 다른 이미지이다.
도 5는 본 개시의 일 양태에 따라 제조되는 요추 임플란트(lumbar implant)의 모델이다.
도 6은 본 개시의 일 양태에 따라 제조된 요추 임플란트의 이미지이다.
도 7은 본 개시에 따라 제조된 요추 임플란트의 이미지이다.
다양한 양태들은 도면들에 도시된 배열들에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
도 1은 본 개시의 일 양태에 따른 컴포넌트를 제조하기 위한 방법의 예시적인, 비제한적인 실시예의 흐름도 표현이다.
도 2는 본 개시의 일 양태에 따라 제조되는 경추 임플란트(cervical implant)의 모델이다.
도 3은 본 개시의 일 양태에 따라 제조된 경추 임플란트의 이미지이다.
도 4는 도 3의 경추 임플란트의 다른 이미지이다.
도 5는 본 개시의 일 양태에 따라 제조되는 요추 임플란트(lumbar implant)의 모델이다.
도 6은 본 개시의 일 양태에 따라 제조된 요추 임플란트의 이미지이다.
도 7은 본 개시에 따라 제조된 요추 임플란트의 이미지이다.
다양한 양태들은 도면들에 도시된 배열들에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
본 개시의 다양한 실시예들이 아래에서 상세히 논의된다. 특정 구현예들이 논의되지만, 이것은 단지 예시 목적들을 위해 행해진다는 것이 이해되어야 한다. 당업자는 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다른 컴포넌트들 및 구성들이 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 다음의 설명 및 도면들은 예시적이며 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 개시의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 설명된다. 그러나, 어떤 경우들에서, 설명을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려진 또는 종래의 세부사항들은 설명되지 않는다.
"일 실시예" 또는 "실시예"를 언급하는 것은 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 개시의 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 본 명세서에서 다양한 장소들에서의 문구 "일 실시예에서"의 출현들은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니며, 다른 실시예들과 상호 배타적인 별개의 또는 대안적인 실시예들도 아니다. 또한, 일부 실시예들에 의해 나타날 수 있고 다른 실시예들에 의해 나타나지 않을 수 있는 다양한 특징들이 설명된다. 따라서, 본 개시에서의 하나 또는 실시예에 대한 참조는 동일한 실시예 또는 임의의 실시예에 대한 참조일 수 있고; 이러한 참조는 실시예들 중 적어도 하나를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어들은 일반적으로 당업계에서, 본 개시의 맥락 내에서, 그리고 각각의 용어가 사용되는 특정 맥락 내에서 그들의 통상적인 의미를 갖는다. 대안적인 언어 및 동의어들은 본 명세서에서 논의된 용어들 중 임의의 하나 이상에 대해 사용될 수 있고, 용어가 본 명세서에서 정교화되거나 논의되는지 여부에 대해 특별한 의미가 주어지지 않아야 한다. 일부 경우에, 특정 용어에 대한 동의어가 제공된다. 하나 이상의 동의어의 리사이틀(recital)은 다른 동의어의 사용을 배제하지 않는다. 본 명세서에서 논의된 임의의 용어들의 예들을 포함하는 본 명세서 내의 임의의 예의 사용은 단지 예시적이며, 본 개시 또는 임의의 예시적인 용어의 범위 및 의미를 추가로 제한하도록 의도되지 않는다. 마찬가지로, 본 개시는 본 명세서에 주어진 다양한 실시예들에 제한되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "포함하는(comprising)", "갖는(having)" 및 "포함하는(including)"은 개방적이고 비제한적인 의미로 사용된다. 용어 "하나", "한" 및 "그"는 단수뿐만 아니라 복수도 포함하는 것으로 이해된다. 따라서, 용어 "이들의 혼합물"은 또한 "이들의 혼합물들"에 관한 것이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "질화규소"은 α-Si3N4, β-Si3N4, SiYAlON, SiYON, SiAlON, 또는 이들의 조합을 포함한다.
일반적으로, 제공되는 범위들은 주어진 범위들 내의 모든 특정 범위, 및 그 사이의 하위 범위들의 조합을 포함하는 것을 의미한다. 따라서, 1 내지 5의 범위는 구체적으로 1, 2, 3, 4 및 5 뿐만 아니라, 2 내지 5, 3 내지 5, 2 내지 3, 2 내지 4, 1 내지 4 등과 같은 하위 범위를 포함한다. 본 명세서에 개시된 모든 범위들 및 값들은 포괄적이고 조합가능하다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 범위 내에 속하는 본 명세서에 설명된 임의의 값 또는 포인트는 하위 범위 등을 도출하기 위한 최소 또는 최대 값으로서 기능할 수 있다. 작동 예들, 또는 달리 표시된 경우를 제외하고, 성분(ingredient)의 양 및/또는 반응 조건을 표현하는 모든 숫자는 표시된 숫자의 +/- 5% 이내를 의미하는 용어 "약"에 의해 모든 경우에 수정될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "실질적으로 없는" 또는 "본질적으로 없는"은 조성물의 총 중량을 기준으로, 조성물에 첨가된 특정 재료/컴포넌트가 약 2 중량% 또는 부피% 미만인 것을 의미한다. 본 명세서에 기재된 모든 재료/컴포넌트는 본 명세서에 개시된 방법 및/또는 컴포넌트로부터 선택적으로 포함되거나 배제될 수 있다.
본 개시의 추가적인 특징들 및 장점들은 다음의 설명에서 제시될 것이고, 부분적으로 설명으로부터 명백할 것이며, 또는 본 명세서에 개시된 원리들의 실행에 의해 학습될 수 있다. 본 개시의 특징들 및 장점들은 첨부된 청구항들에서 특히 지적된 기구들 및 조합들에 의해 실현되고 획득될 수 있다. 본 개시의 이들 및 다른 특징들은 다음의 설명 및 첨부된 청구항들로부터 더 완전히 명백해질 것이거나, 본 명세서에 제시된 원리들의 실행에 의해 학습될 수 있다.
본 개시의 양태들은 컴포넌트를 제조하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것으로, 특히 선택적 레이저 소결 또는 용융을 사용하여 컴포넌트를 제조하는 것에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 컴포넌트를 제조하기 위한 방법은 유리하게는 맞춤형 컴포넌트의 생산을 가능하게 한다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 방법들은 생체의학적 임플란트들과 같은 맞춤형 컴포넌트들의 생산을 가능하게 한다. 또한, 제조 방법은 높은 구조적 안정성 및 개선된 생체활성을 동시에 갖는 컴포넌트(예를 들어, 임플란트)을 생성하기 위해 고유한 조성물을 이용한다. 예를 들어, 컴포넌트들은 향상된 골전도도(osteoconductivity), 골 통합(osseous integration) 및 항병원성을 가질 수 있다. 일부 경우에, 컴포넌트들은 치아 임플란트, 척추 임플란트, 관절 컴포넌트 등에 매우 요구되는 개선된 생체활성을 갖는 임플란트가 되도록 유리하게 구성될 수 있다.
대안적으로, 일부 실시예들에서, 컴포넌트들은 바람직하게는 핸들, 노브, 레버, 침대 레일, 의자, 이동식 램프, 광 스위치, 휴대폰 케이스, 트레이 테이블, 작은 카운터 표면 등과 같은 높은 접촉 표면을 갖는 컴포넌트들/물체들에 개선된 생체활성을 제공하는 맞춤형 컴포넌트로서 제조될 수 있다. 당업자는 다양한 산업에서 본 발명의 양태를 이용하는 것에 대한 다른 이점을 인식할 것이다.
도 1은 컴포넌트를 제조하기 위한 예시적인, 비제한적인 방법(100)의 흐름도이다. 간략한 개요로서, 방법(100)은 단계(110)에서 질화규소 분말과 금속 분말을 블렌딩하여 조합된 분말(combined powder)을 형성하는 단계; 단계(120)에서 레이저 빔을 생성하도록 동작 가능한 레이저 빔 소스 및 플랫폼을 갖는 빌드 챔버 내에 상기 조합된 분말을 수용하는 단계; 단계(130)에서 상기 플랫폼 위에 조합된 분말의 복수의 층들을 스프레딩하는 단계; 단계(140)에서 레이저 빔을 사용하여 복수의 층들 각각에서 조합된 분말의 적어도 일부를 융합하는 단계, 및 단계(150)에서 레이저 빔에 의해 융합되지 않은 조합된 분말을 제거하는 단계를 포함한다.
단계(110)에서, 질화규소 분말 및 금속 분말을 블렌딩하여 조합된 분말을 형성한다. 일부 예들에서, 금속은 티타늄 합금, 강철, 니켈계 초합금, 오스테나이트 니켈-크롬계 초합금, 구리, 알루미늄, 스테인리스강, 공구강, 코발트-크롬 합금, 텅스텐 합금, 규소 및 규소 합금을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 금속 분말은 티타늄 합금 분말이다. 티타늄 합금 분말은 Ti6Al4V의 조성을 가질 수 있다.
조합된 분말은 약 5 내지 약 25 부피%의 질화규소 분말 및 약 75 내지 약 95 부피%의 금속 분말을 함유할 수 있다. 예를 들어, 조합된 분말 중에 존재하는 질화규소 분말의 양은 조합된 분말의 총 부피를 기준으로 약 5 내지 약 25 부피%, 약 10 내지 약 25 부피%, 약 15 내지 약 25 부피%, 약 20 내지 약 25 부피%; 약 5 내지 약 20 부피%, 약 10 내지 약 20 부피%, 약 15 내지 약 20 부피%; 약 5 내지 약 15 부피%, 약 10 내지 약 15 부피%; 또는 약 5 내지 약 10 부피%일 수 있다. 조합된 동력 내에 존재하는 금속 분말의 양은 조합된 분말의 총 부피를 기준으로, 약 75 내지 약 95 부피%, 약 80 내지 약 95 부피%, 약 85 내지 약 95 부피%, 약 90 내지 약 95 부피%; 약 75 내지 약 90 부피%, 약 80 내지 약 90 부피%, 약 85 내지 약 90 부피%; 약 75 내지 약 85 부피%, 약 80 내지 약 85 부피%; 또는 약 75 내지 약 80 부피%일 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 조합된 분말은 약 10 내지 약 20 부피%의 질화규소 분말 및 약 80 내지 약 90 부피%의 금속 분말을 함유한다. 적어도 하나의 다른 실시예에서, 조합된 분말은 약 15 부피%의 질화규소 분말 및 약 85 부피%의 금속 분말이다.
방법은 조합된 분말의 총 부피를 기준으로, 약 20 부피% 이하의 추가 분말을 포함하는 조합된 분말을 이용할 수 있다. 일부 예들에서, 조합된 분말에 존재하는 추가 분말의 양은 약 18 부피% 이하, 약 16 부피% 이하, 약 14 부피% 이하, 약 12 부피% 이하, 약 10 부피% 이하, 약 8 부피% 이하, 약 6 부피% 이하, 약 4 부피% 이하, 약 2 부피% 이하, 또는 약 1 부피% 이하이다. 적어도 하나의 경우에서, 조합된 분말은 질화규소 분말, 티타늄 합금 분말, 및 불순물로 구성되거나 본질적으로 구성된다. 추가 분말은 철, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 크롬, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
금속 분말은 약 20 미크론 내지 약 300 미크론의 분말 크기 분포를 가질 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 질화규소 분말은 약 20 미크론 내지 약 300 미크론의 분말 크기 분포를 가질 수 있다. 금속 분말 및/또는 질화규소 분말의 분말 크기 분포는 약 20 미크론 내지 약 300 미크론, 약 40 미크론 내지 약 300 미크론, 약 60 미크론 내지 약 300 미크론, 약 80 미크론 내지 약 300 미크론, 약 100 미크론 내지 약 300 미크론, 약 120 미크론 내지 약 300 미크론, 약 140 미크론 내지 약 300 미크론, 약 160 미크론 내지 약 300 미크론, 약 180 미크론 내지 약 300 미크론, 약 200 미크론 내지 약 300 미크론, 약 220 미크론 내지 약 300 미크론, 약 240 미크론 내지 약 300 미크론, 약 260 미크론 내지 약 300 미크론, 약 280 미크론 내지 약 300 미크론; 약 20 미크론 내지 약 250 미크론, 약 40 미크론 내지 약 250, 약 60 미크론 내지 약 250 미크론, 약 80 미크론 내지 약 250 미크론, 약 100 미크론 내지 약 250 미크론, 약 120 미크론 내지 약 250 미크론, 약 140 미크론 내지 약 250 미크론, 약 160 미크론 내지 약 250 미크론, 약 180 미크론 내지 약 250 미크론, 약 200 미크론 내지 약 250 미크론, 약 220 미크론 내지 약 250 미크론; 약 20 미크론 내지 약 200 미크론, 약 40 미크론 내지 약 200 미크론, 약 60 미크론 내지 약 200 미크론, 약 80 미크론 내지 약 200 미크론, 약 100 미크론 내지 약 200 미크론, 약 120 미크론 내지 약 200 미크론, 약 140 미크론 내지 약 200 미크론, 약 160 미크론 내지 약 200 미크론, 약 180 미크론 내지 약 200 미크론; 약 20 미크론 내지 약 150 미크론, 약 40 미크론 내지 약 150 미크론, 약 60 미크론 내지 약 150 미크론, 약 80 미크론 내지 약 150 미크론, 약 100 미크론 내지 약 150 미크론, 약 120 미크론 내지 약 150 미크론; 약 20 미크론 내지 약 100 미크론, 약 40 미크론 내지 약 100 미크론, 약 60 미크론 내지 약 100 미크론, 약 80 미크론 내지 약 100 미크론; 약 20 미크론 내지 약 50 미크론, 또는 약 40 미크론 내지 약 50 미크론이다. 예시적인 실시예에서, 분말 크기 분포는 약 20 미크론 내지 약 65 미크론이다.
일부 경우에, 조합된 분말은 그들의 이론값의 약 25 내지 약 60%의 패킹 밀도(packing density)를 갖는다. 예를 들어, 조합된 분말의 패킹 밀도는 이들의 이론값의 약 25 내지 약 60%, 약 30 내지 약 60%, 약 35 내지 약 60%, 약 40 내지 약 60%, 약 45 내지 약 60%, 약 50 내지 약 60%; 약 25 내지 약 50%, 약 30 내지 약 50%, 약 35 내지 약 50%, 약 40 내지 약 50%; 약 25 내지 약 40%, 약 30 내지 약 40%; 또는 약 25 내지 약 35%일 수 있다.
단계(120)에서, 조합된 분말은 레이저 빔을 생성하도록 동작가능한 레이저 빔 소스 및 플랫폼을 갖는 빌드 챔버 내에 수용된다. 조합된 분말은 수동 또는 자동 기계적 수단을 통해 빌드 챔버 내에 수용될 수 있다.
빌드 챔버는 조합된 분말을 융합시키기 위해 레이저의 동작 동안 대기압에서 동작하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 빌드 챔버는 레이저에서의 동작 동안 질소(N2) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 수소(H2) 가스 및 질소(N2), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 빌드 챔버는 동작 동안 (N2) 가스를 함유한다. 다른 실시예에서, 빌드 챔버는 동작 동안 암모니아(NH3) 가스를 함유한다. 또 다른 실시예에서, 빌드 챔버는 동작 동안 수소(H2) 가스와 질소(N2)의 조합을 함유한다.
일부 실시예들에서, 레이저 빔은 Nd:YAG 레이저 빔일 수 있다. 레이저 빔은 1064 nm의 파장, 약 250 mm의 초점 거리, 약 35 ㎛와 약 200 ㎛ 사이의 레이저 스폿 크기, 약 17 kW의 공칭 최대 파워, 약 70 J의 버스트(burst) 에너지, 약 160-500 V의 인가 전위, 및/또는 약 1-20 ms의 방전 시간을 가질 수 있다. 일부 경우에, 레이저 빔은 약 300 W 내지 약 700 W의 파워 레벨을 갖는다. 예를 들어, 레이저 빔은 약 350 W 내지 약 700 W, 약 400 W 내지 약 700 W, 약 450 W 내지 약 700 W, 약 500 W 내지 약 700 W, 약 550 W 내지 약 700 W, 약 600 W 내지 약 700 W; 약 300 W 내지 약 600 W, 약 350 W 내지 약 600 W, 약 400 W 내지 약 600 W, 약 450 W 내지 약 600 W, 약 500 W 내지 약 600 W, 약 550 W 내지 약 600 W; 약 300 W 내지 약 500 W, 약 350 W 내지 약 500 W, 약 400 W 내지 약 500 W, 약 450 W 내지 약 500 W; 약 300 W 내지 약 400 W, 또는 약 350 W 내지 약 400 W 이다. 일부 양태들에서, 레이저 스폿 크기는 약 35 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 사이 일 수 있다. 예를 들어, 레이저 스폿 크기는 약 35 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 약 35 ㎛ 내지 약 75 ㎛, 약 35 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 35 ㎛ 내지 약 125 ㎛, 약 35 ㎛ 내지 약 150 ㎛, 약 35 ㎛ 내지 약 175 ㎛, 약 175 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 150 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 125 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 75 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 또는 약 50 ㎛ 내지 약 200 ㎛일 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 레이저 스폿 크기는 약 35 ㎛ 내지 약 50 ㎛이다.
단계 (130)에서, 조합된 분말의 복수의 층들이 플랫폼 위에 스프레딩된다. 조합된 층은 임의의 적합한 공지된 수단을 사용하여 플랫폼 및/또는 그의 타겟 영역 위에 스프레딩 또는 증착(deposit)될 수 있다. 예를 들어, 플랫폼 또는 그 타겟 영역 상에 조합된 분말의 층을 형성하기 위해 조합된 분말을 증착 및/또는 스프레딩하는 데 증착 메커니즘이 사용될 수도 있다. 일부 실시예에서, 조합된 분말 층은 약 20 ㎛ 내지 약 300 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 일부 양태에서, 조합된 분말 층은 약 20 ㎛ 내지 약 300 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 조합된 분말 층은 약 20 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 75 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 125 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 150 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 175 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 225 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 250 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 275 ㎛, 약 275 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 250 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 225 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 200 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 175 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 150 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 125 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 75 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 또는 약 50 ㎛ 내지 약 300 ㎛이다. 일부 예시적인 실시예에서, 조합된 분말 층은 약 20 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 두께를 갖는다.
단계(140)에서, 복수의 층들 각각에서 조합된 분말의 적어도 일부가 레이저 빔을 사용하여 융합된다. 조합된 분말의 선택적으로 융합된 부분들은 제조되는 컴포넌트의 섹션을 형성한다. 따라서, 제1 층에서 조합된 분말의 부분을 융합하는 것은 컴포넌트의 제1 섹션을 형성한다. 후속적으로, 조합된 분말의 다른 층이 플랫폼 또는 그의 타겟 영역 위에 스프레딩되고, 제2 층에서 조합된 분말의 부분이 레이저 빔을 사용하여 융합되어 컴포넌트의 제2 섹션을 형성한다. 제2 층에서 조합된 분말의 부분을 융합하는 것은 전형적으로 또한 컴포넌트의 제1 섹션 및 컴포넌트의 제2 섹션을 응집성 덩어리(cohesive mass)로 합친다. 조합된 분말의 연속적인 층들은 플랫폼 또는 그의 타겟 영역 위에 스프레딩되고, 그런 다음 이러한 연속적인 층들의 조합된 분말의 부분이 융합되어 컴포넌트의 연속적인 섹션들을 형성한다. 복수의 층들 각각에서 조합된 분말의 융합된 부분(예를 들어, 컴포넌트의 각각의 섹션)은 조합된 분말의 인접한 층에서 조합된 분말의 적어도 하나의 융합된 부분(예를 들어, 컴포넌트의 섹션)에 융합될 수 있다.
방법(100)은 레이저 빔을 사용하여 조합된 분말을 부분적으로 용융시킬 수 있다. 전형적으로, 조합된 분말은 선택적 레이저 소결 동안 부분적으로 용융된다. 예를 들어, 방법(100)은 선택적 레이저 소결을 통해 조합된 분말을 융합시키기 위해 금속 분말을 적어도 부분적으로 용융시키는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 방법(100)은 선택적 레이저 용융 동안 조합된 분말을 융합시키기 위해 티타늄 합금 분말을 완전히 용융시킬 수 있다.
방법(100)은 조합된 분말을 약 1000°C 내지 약 1700°C의 온도로 가열함으로써 예를 들어 용융 또는 소결을 통해 레이저 빔을 이용하여 조합된 분말을 융합할 수 있다. 일부 경우에, 레이저 빔은 조합된 분말을 융합하기 위해 조합된 분말을 약 1100°C 내지 약 1700°C, 약 1200°C 내지 약 1700°C, 약 1300°C 내지 약 1700°C, 약 1400°C 내지 약 1700°C, 약 1500°C 내지 약 1700°C, 약 1600°C 내지 약 1700°C; 약 1000℃ 내지 약 1600℃, 약 1100℃ 내지 약 1600℃, 약 1200℃ 내지 약 1600℃, 약 1300℃ 내지 약 1600℃, 약 1400℃ 내지 약 1600℃, 약 1500℃ 내지 약 1600℃; 약 1000℃ 내지 약 1500℃, 약 1100℃ 내지 약 1500℃, 약 1200℃ 내지 약 1500℃, 약 1300℃ 내지 약 1500℃, 약 1400℃ 내지 약 1500℃; 약 1000℃ 내지 약 1400℃, 약 1100℃ 내지 약 1400℃, 약 1200℃ 내지 약 1400℃, 약 1300℃ 내지 약 1400℃; 약 1000℃ 내지 약 1300℃, 약 1100℃ 내지 약 1300℃, 약 1200℃ 내지 약 1300℃; 약 1000℃ 내지 약 1200℃, 약 1100℃ 내지 약 1200℃; 또는 약 1000℃ 내지 약 1100℃의 온도로 가열한다.
레이저 빔은 플랫폼 상에 스프레딩된 조합된 분말의 층에서 조합된 분말의 부분들을 선택적으로 융합하기 위해 레이저 빔의 조준점을 이동시키고 및/또는 레이저 빔을 조절(modulate)하도록 동작가능한 레이저 제어 메커니즘에 의해 제어될 수 있다. 그런 다음, 제어 메커니즘은 레이저를 동작시켜 복수의 층들의 순차적인 층들에서 조합된 분말의 부분들을 선택적으로 융합하여, 함께 융합된 복수의 섹션들을 포함하는 완성된 컴포넌트를 생성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제어 메커니즘은 융합할 복수의 층들 각각에서 조합된 분말의 부분들을 결정하기 위한 컴퓨터(예를 들어, CAD/CAM 시스템)를 포함한다. 일 실시예에서, 제어 메커니즘 및/또는 컴퓨터는 조합된 분말을 융합하기 전에 조합된 분말의 부분들 각각에 대한 경계들을 결정한다. 예를 들어, 컴포넌트의 치수들 및 구성에 기반하여, 컴퓨터는 융합할 조합된 분말의 부분의 경계들의 윤곽을 결정할 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 방법(100)은 조합된 분말의 부분을 선택적으로 융합시키기 위해 레이저 빔을 지향시키기 위한 메커니즘 및 레이저 빔을 온 및 오프로 조절하기 위한 메커니즘을 이용할 수 있다. 레이저 빔은 플랫폼 또는 그 안의 타겟 영역의 연속 래스터 스캔(continuous raster scan)으로 지향될 수 있다. 또한, 레이저 빔은, 레이저 빔의 조준점이 융합될 조합된 분말의 부분들을 향할 때에만 조합된 분말이 융합되도록, 예를 들어, 레이저 빔을 턴온 및 턴오프하기 위한 조절 메커니즘을 사용하여 조절 수 있다. 대안적으로, 레이저 빔이 조합된 분말의 특정 층에 대해 조합된 분말의 완전한 부분을 융합시키기 위해 연속적으로 유지될 수 있도록, 레이저 빔은 융합될 조합된 분말의 부분들만을 향해 지향될 수 있다. 일 실시예에서, 레이저 빔은 "벡터" 방식으로 지향된다. 예를 들어, 레이저 빔은 먼저 융합될 조합된 분말의 부분의 윤곽을 융합하고, 그런 다음 윤곽 영역 내에서 조합된 분말을 융합하도록 지향될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 레이저 빔은 반복 패턴으로 지향될 수 있고, 레이저 빔은 조합된 분말 층의 부분만을 융합하도록 조절될 수 있다.
방법(100)은 레이저 빔을 지향시키기 위해 한 쌍의 미러를 이용할 수 있다. 예를 들어, 제1 미러는 레이저 빔을 타겟 영역으로 반사시키는 제2 미러로 레이저 빔을 반사시킬 수 있다. 제1 미러의 시프팅 이동은 레이저 빔을 일반적으로 제1 방향으로 시프트시킨다. 유사하게, 제2 미러의 시프팅 이동은 레이저 빔을 제2 방향으로 시프트시킨다. 미러들은 제1 및 제2 방향들이 일반적으로 서로에 대해 수직이 되도록 서로에 대해 배향될 수 있다. 그러한 배열은 래스터 스캔 패턴을 포함하는, 타겟 영역에서의 레이저 빔의 많은 상이한 유형의 스캐닝 패턴을 허용한다. 재료를 소결 또는 용융하기 위한 레이저의 사용에 관한 추가적인 주제는 미국 특허 번호 4,863,538; 미국 특허 번호 4,944,817; 미국 특허 번호 5,132,143; 및 미국 특허 번호 6,677,554에서 발견될 수 있으며, 이들은 모든 목적을 위해 그 전체가 본 명세서에 통합된다.
단계(150)에서, 단계(140)의 층별 융합으로부터 컴포넌트가 형성된 후, 레이저 빔에 의해 융합되지 않은 조합된 분말이 제거된다. 융합되지 않은 분말은 융합된 컴포넌트로부터 멀리 그리고 그로부터 떨어져 브러싱 및/또는 진공 청소될 수 있다. 예를 들어, 융합되지 않은 조합된 분말은 브러싱에 의해 수동으로 또는 진공을 사용하여 자동으로 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 방법(100)은 임의의 융합되지 않은 분말을 제거하기 전에 챔버로부터 융합된 컴포넌트를 제거하는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 컴포넌트가 제조된 후에, 컴포넌트는 과도하거나 느슨한 조합된 분말이 제조된 컴포넌트로부터 제거되기 전에 냉각되도록 허용될 수 있다
일부 경우에, 방법(100)은 컴포넌트의 표면을 기계가공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 컴포넌트의 표면을 기계가공하는 단계는 컴포넌트의 표면을 연마(polishing)하는 단계를 포함한다. 컴포넌트의 표면은 10 내지 20 나노미터 미만의 조도(roughness)로 기계 가공되고 연마될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 컴포넌트의 기계가공 및 연마는 컴포넌트의 표면에 화학적 에칭을 수행하는 것을 포함한다.
제2 양태에 따르면, 방법에 의해 생성된 약 1 내지 약 35 부피%의 질화규소 및 약 65 내지 약 99 부피%의 금속 분말을 포함하는 컴포넌트(예를 들어, 임플란트)가 제공되며, 이 방법은, 질화규소 분말과 금속 분말을 블렌딩하여 조합된 분말을 형성하는 단계; 레이저 빔을 생성하도록 동작 가능한 레이저 빔 소스 및 플랫폼을 갖는 빌드 챔버(build chamber) 내에 상기 조합된 분말을 수용하는 단계; 상기 플랫폼 위에 상기 조합된 분말의 복수의 층들을 스프레딩(spreading)하는 단계; 상기 레이저 빔을 사용하여 상기 복수의 층들 각각에서 상기 조합된 분말의 적어도 일부를 융합하는 단계 - 상기 복수의 층들 각각은 스프레딩되고, 상기 복수의 층들 중 다른 하나가 스프레딩되기 전에 조합된 분말의 부분은 융합되고, 상기 레이저 빔은 상기 컴포넌트의 3D 모델에 의해 자동으로 안내됨 - ; 및 융합되지 않은 상기 조합된 분말을 제거하는 단계를 포함한다. 일부 경우들에서, 임플란트는 위에서 논의되는 방법(100)의 하나 이상의 특징들을 사용하여 제조될 수 있다.
컴포넌트는 전형적으로 임플란트의 총 중량을 기준으로 약 1 내지 약 35 부피%의 질화규소 및 약 65 내지 약 99 부피%의 티타늄 합금 분말을 포함한다. 일부 경우에, 컴포넌트에 존재하는 질화규소의 양은 임플란트의 총 중량을 기준으로 약 1 내지 약 35 부피%, 약 2 내지 약 35 부피%, 약 5 내지 약 35 부피%, 약 10 내지 약 35 부피%, 약 15 내지 약 35 부피%, 약 20 내지 약 35 부피%, 약 25 내지 약 35 부피%; 약 1 내지 약 30 부피%, 약 2 내지 약 30 부피%, 약 5 내지 약 30 부피%, 약 10 내지 약 30 부피%, 약 15 내지 약 30 부피%, 약 20 내지 약 30 부피%, 약 25 내지 약 30 부피%; 약 1 내지 약 25 부피%, 약 2 내지 약 25 부피%, 약 5 내지 약 25 부피%, 약 10 내지 약 25 부피%, 약 15 내지 약 25 부피%, 약 20 내지 약 25 부피%; 약 1 내지 약 20 부피%, 약 2 내지 약 20 부피%, 약 5 내지 약 20 부피%, 약 10 내지 약 20 부피%, 약 15 내지 약 20 부피%; 약 1 내지 약 15 부피%, 약 2 내지 약 15 부피%, 약 5 내지 약 15 부피%, 약 10 내지 약 15 부피%; 약 1 내지 약 10 부피%, 약 2 내지 약 10 부피%, 약 5 내지 약 10 부피%; 또는 약 1 내지 약 5 부피%이다.
컴포넌트는 전형적으로 컴포넌트의 총 중량을 기준으로 약 65 내지 약 99 부피%의 금속 분말을 포함한다. 예를 들어, 컴포넌트는 컴포넌트의 총 중량을 기준으로 금속분말의 약 65 내지 약 99 부피%, 약 70 내지 약 99 부피%, 약 75 내지 약 99 부피%, 약 80 내지 약 99 부피%, 약 85 내지 약 99 부피%, 약 90 내지 약 99 부피%, 약 95 내지 약 99 부피%; 약 67 내지 약 95 부피%, 약 70 내지 약 95 부피%, 약 75 내지 약 95 부피%, 약 80 내지 약 95 부피%, 약 85 내지 약 95 부피%, 약 90 내지 약 95 부피%; 약 67 내지 약 90 부피%, 약 70 내지 약 90 부피%, 약 75 내지 약 90 부피%, 약 80 내지 약 90 부피%, 약 85 내지 약 90 부피%; 약 67 내지 약 85 부피%, 약 70 내지 약 85 부피%, 약 75 내지 약 85 부피%, 약 80 내지 약 85 부피%; 약 67 내지 약 80 부피%, 약 70 내지 약 80 부피%, 약 75 내지 약 80 부피%; 약 67 내지 약 75 부피%, 또는 약 70 내지 약 75 부피%를 포함한다.
일부 예들에서, 금속은 티타늄 합금, 강철, 니켈계 초합금, 오스테나이트 니켈-크롬계 초합금, 구리, 알루미늄, 스테인리스강, 공구강, 코발트-크롬 합금, 텅스텐 합금, 규소 및 규소 합금을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일 실시예에서, 금속은 티타늄 합금이다. 일 실시예에서, 티타늄 합금 분말은 Ti6Al4V이다.
컴포넌트는 컴포넌트의 총 중량을 기준으로 약 0.1 부피% 이상의 철, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 크롬, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다. 전술한 컴포넌트의 양은 강도, 내충격성, 연성(ductility), 생체 활성, 내부식성 및/또는 호환성(compatibility)과 같은 컴포넌트의 특정 특성을 향상시키기 위해 컴포넌트에 포함될 수 있다. 일부 경우에, 컴포넌트는 컴포넌트의 총 중량을 기준으로 약 0.1 부피% 내지 약 30 부피%의 철, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 크롬, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 가질 수 있다. 예를 들어, 컴포넌트는 컴포넌트의 총 중량을 기준으로, 철, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 크롬, 이들의 합금, 또는 이들의 조합의 약 0.1 내지 약 30 부피%, 약 0.1 내지 약 25 부피%, 약 0.1 내지 약 20 부피%, 약 0.1 내지 약 15 부피%, 약 0.1 내지 약 10 부피%, 약 0.1 내지 약 5 부피%; 약 1 내지 약 30 부피%, 약 1 내지 약 25 부피%, 약 1 내지 약 20 부피%, 약 1 내지 약 15 부피%, 약 1 내지 약 10 부피%, 약 1 내지 약 5 부피%; 약 5 내지 약 30 부피%, 약 5 내지 약 25 부피%, 약 5 내지 약 20 부피%, 약 5 내지 약 15 부피%, 약 5 내지 약 10 부피%; 약 10 내지 약 30 부피%, 약 10 내지 약 25 부피%, 약 10 내지 약 20 부피%, 약 10 내지 약 15 부피%; 약 15 내지 약 30 부피%, 약 15 내지 약 25 부피%, 약 15 내지 약 20 부피%; 약 20 내지 약 30부피%, 약 20 내지 약 25 부피%, 또는 약 25 내지 약 30 부피% 를 가질 수 있다.
바람직하게는, 컴포넌트(예를 들어, 임플란트)는 항병원성이다. 예를 들어, 컴포넌트는 박테리아, 곰팡이 및 바이러스 중 적어도 하나의 증식을 억제할 수 있다. 부가적으로 및/또는 대안적으로, 컴포넌트는 조골세포 증식을 향상시키는 임플란트가 되도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 조골 세포 증식은 질화규소 분말이 없는 임플란트와 비교하여 임플란트 상에서 증가한다. 컴포넌트는 골 복구(bone repair)를 가속화하는 표면 화학을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 컴포넌트(예를 들어, 임플란트)는 컴포넌트의 표면으로부터 규산 및 반응성 질소 종 (RNS)을 방출하고, 이는 세포 분화의 초기 단계에서 및 후속 골 아파타이트 증착(bony apatite deposition) 동안 둘 모두에서 골육종 및 중간엽 세포의 골형성 활성을 향상시킨다. 특정 이론에 제한되지 않고, 질화규소 분말은 고품질 골 조직의 조골세포에 의한 합성을 촉진시킬 수 있고, 전자는 골 기질(bone matrix)의 무기질화를 선호하며, 후자는 세포 증식 및 골 기질의 형성을 향상시킨다. 또한, 컴포넌트는 생체적합성인 표면 화학(surface chemistry)을 가질 수 있고 동시 골형성(osteogenesis), 골유도(osteoinduction), 골전도(osteoconduction) 및 정균(bacteriostasis)을 포함하는 다수의 생체의학적 애플리케이션을 제공한다.
컴포넌트는 골과 접촉하거나 골 근처 영역에서 환자의 신체에 이식될 수 있는 임플란트의 형태일 수 있다. 임플란트의 비제한적인 예는 추간 척추 스페이서(spacer) 또는 케이지(cage), 골 나사, 정형외과용 플레이트, 및 기타 고정 디바이스, 척추, 고관절, 무릎, 어깨, 발목, 및 지골의 관절 디바이스, 안면 또는 기타 재건 성형 수술용 임플란트, 중이 임플란트, 치과 디바이스 등을 포함한다.
예
본 개시의 구현예는 다음의 예에 의해 제공된다. 예는 본질적으로 제한되지 않고 기술을 예시하는 역할을 한다.
본 명세서의 개시의 양태에 따라 경추 척추 임플란트(cervical spinal implant)를 제조하였다. 임플란트 설계를 기반으로 CAD 모델과 도면을 제작하여 도 2와 같이 빌드 배향(build orientation)을 선택했다. 임플란트는 16 mm x 14 mm x 9 mm의 치수를 가졌다.
임플란트의 설계 및 치수를 기반으로, DMG Mori LASERTEC LT 30 SLM 기계(선택적 레이저 용융 디바이스)를 설정하여 임플란트를 제조하였다. 레이저 빔은 600 W의 표준 파워 레벨을 가졌다. 융합될 분말의 각각의 층은 50 ㎛의 두께를 가졌다. 분말은 15 부피% 질화규소 분말 및 85 부피% Ti6Al4V를 함유하였다. 제조된 임플란트는 약 3 그램의 중량을 가졌다. 임플란트의 이미지가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.
요추 척추 임플란트(Lumber spinal implant)는 또한 본 명세서의 개시의 양태에 따라 제조되었다. 임플란트 설계를 기반으로 본 디바이스의 CAD 모델과 도면을 제작하여 도 5와 같이 빌드 배향(build orientation)을 선택했다. 임플란트는 36 mm x 28 mm x 22 mm의 치수를 가졌다. 임플란트의 설계 및 치수를 기반으로 하여, DMG Mori LASERTEC LT 30 SLM 기계를 설정하여 임플란트를 제조하였다. 레이저 빔은 600 W의 표준 파워 레벨을 갖고, 융합될 분말의 각각의 층은 50 ㎛의 두께를 가졌다. 분말은 15 부피% 질화규소 및 85 부피% Ti6Al4V를 함유하였다. 제조된 임플란트는 약 33 그램의 중량을 가졌다. 임플란트의 이미지가 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 도 7은 임플란트의 상세 확대도를 도시한다.
몇몇 실시예들을 설명하였다면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정들, 대안적인 구성들 및 균등물들이 사용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 인식될 것이다. 추가적으로, 본 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 다수의 잘 알려진 프로세스들 및 요소들은 설명되지 않았다. 따라서, 위의 설명은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
당업자는 현재 개시된 실시예들이 제한이 아닌 예로서 교시한다는 것을 이해할 것이다. 따라서 위의 설명에 포함되거나 첨부된 도면에 도시된 사항은 예시적인 것이며 한정적인 의미로 해석되어서는 안 될 것이다. 다음의 청구항들은 본 명세서에 설명된 모든 일반적이고 특정한 특징들 뿐만 아니라, 언어의 문제로서, 그 사이에 속하는 것으로 말할 수 있는 본 방법 및 시스템의 범위의 모든 진술들을 포괄하도록 의도된다.
Claims (22)
- 컴포넌트를 제조하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
질화규소 분말과 금속 분말을 블렌딩하여 조합된 분말을 형성하는 단계;
레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 빔 소스 및 플랫폼을 갖는 빌드 챔버 내에 상기 조합된 분말을 수용하는 단계;
상기 플랫폼 위에 상기 조합된 분말의 복수의 층들을 스프레딩하는 단계;
상기 레이저 빔을 사용하여 상기 복수의 층들 각각에서 상기 조합된 분말의 적어도 일부를 융합하는 단계 - 상기 복수의 층들 각각은 스프레딩되고, 상기 복수의 층들 중 다른 하나가 스프레딩되기 전에 조합된 분말의 부분은 융합되고, 상기 레이저 빔은 상기 컴포넌트의 3D 모델에 의해 자동으로 안내됨 - ; 및
융합되지 않은 상기 조합된 분말을 상기 융합된 컴포넌트로부터 제거하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 금속 분말은 티타늄 합금, 강철, 니켈계 초합금, 오스테나이트 니켈-크롬계 초합금, 구리, 알루미늄, 스테인리스강, 공구강, 코발트-크롬 합금, 텅스텐 합금, 규소 및 규소 합금을 포함하는 분말로부터 선택되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 분말은 티타늄 합금 분말인, 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 티타늄 합금 분말은 Ti-6Al-4V인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 조합된 분말이 약 5 내지 약 25 부피%의 질화규소 분말 및 약 75 내지 약 95 부피%의 금속 분말을 함유하는, 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 조합된 분말이 약 10 내지 약 20 부피%의 질화규소 분말 및 약 80 내지 약 90 부피%의 금속 분말을 함유하는, 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 조합된 분말이 질화규소 분말 약 15 부피% 및 금속 분말 약 85 부피%인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 조합된 분말은 질화규소 분말 및 티타늄 합금 분말로 구성되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 질화규소 분말이 약 20 미크론 내지 약 300 미크론의 분말 크기 분포를 갖는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 분말이 약 20 미크론 내지 약 300 미크론의 분말 크기 분포를 갖는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 조합된 분말이 이론값의 약 25 내지 약 60%의 패킹 밀도(packing density)를 갖는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 레이저는 상기 조합된 분말을 약 1000°C 내지 약 1700°C의 온도로 가열하여 용융시킴으로써 융합하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 빌드 챔버 내의 압력은 대기압인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 빌드 챔버는 질소(N2) 가스를 함유하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 빌드 챔버는 암모니아(NH3) 가스를 함유하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 빌드 챔버는 수소(H2) 가스와 질소(N2)의 조합을 함유하는 것인, 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 컴포넌트의 표면을 기계가공하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서, 상기 표면을 기계가공하는 단계는 상기 컴포넌트의 표면을 연마하는 단계 및/또는 상기 컴포넌트의 표면에 화학적 에칭을 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
- 약 1 내지 약 35 부피%의 질화규소 및 약 35 내지 약 99 부피%의 티타늄 합금 분말을 포함하는 임플란트로서, 상기 임플란트는,
질화규소 분말과 티타늄 합금 분말을 블렌딩하여 조합된 분말을 형성하는 단계;
레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 빔 소스 및 플랫폼을 갖는 빌드 챔버 내에 상기 조합된 분말을 수용하는 단계;
상기 플랫폼 위에 상기 조합된 분말의 복수의 층들을 스프레딩하는 단계;
상기 레이저 빔을 사용하여 상기 복수의 층들 각각에서 상기 조합된 분말의 적어도 일부를 융합하는 단계 - 상기 복수의 층들 각각은 스프레딩되고, 상기 복수의 층들 중 다른 하나가 스프레딩되기 전에 조합된 분말의 부분은 융합되고, 상기 레이저 빔은 상기 컴포넌트의 3D 모델에 의해 자동으로 안내됨 - ; 및
상기 레이저에 의해 융합되지 않은 상기 조합된 분말을 상기 융합된 임플란트로부터 제거하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 생성되는, 임플란트. - 제19항에 있어서, 상기 금속 분말은 티타늄 합금, 강철, 니켈계 초합금, 오스테나이트 니켈-크롬계 초합금, 구리, 알루미늄, 스테인리스강, 공구강, 코발트-크롬 합금, 텅스텐 합금, 규소 및 규소 합금을 포함하는 분말로부터 선택되는, 임플란트.
- 제19항에 있어서, 상기 금속 분말은 Ti-6Al-4V인, 임플란트.
- 제19항에 있어서, 상기 임플란트는 철, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 크롬, 이들의 합금, 또는 이들의 조합의 약 0.1 부피% 이상을 더 포함하는, 임플란트.
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