鈦合金SLM與線切割液壓成型接骨板的工藝及性能比較研究

茅寧 王志亮 高成沖 田宗軍 沈理達(dá) 石碧

摘要：為了對(duì)鈦合金SLM工藝的接骨板進(jìn)行性能驗(yàn)證，將其與傳統(tǒng)機(jī)加工即線切割液壓成型的接骨板進(jìn)行比較，從材料特性、工藝時(shí)長(zhǎng)、疲勞性能等多角度比較研究。結(jié)果表明，相比于線切割液壓成型方式生產(chǎn)的接骨板，SLM技術(shù)生產(chǎn)的鈦合金接骨板在各種特性上與線切割液壓成型工藝相當(dāng)，工藝復(fù)雜度低、時(shí)長(zhǎng)較少，均能滿足國(guó)家對(duì)于接骨板的標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：SLM；接骨板；工藝

引言

增材制造技術(shù)，也俗稱“3D打印”，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)制造技術(shù)。增材制造技術(shù)是將零件的三維模型沿某一方向離散成一系列二維切片，再將二維切片轉(zhuǎn)化成加工軌跡，然后把加工軌跡轉(zhuǎn)換成數(shù)控代碼輸入到加工設(shè)備中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照數(shù)控代碼進(jìn)行逐層加工，最終制造出實(shí)體零件[1]。選區(qū)激光熔化技術(shù)（Selecitve Laser Melting，SLM）是金屬增材制造中的一種最常見的工藝。經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展，增材制造技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車生產(chǎn)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域 [2]。

雖然3D打印技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域得到小范圍的應(yīng)用，但是使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的植入物的基礎(chǔ)研究還需要深入開展，本研究選取骨科器械中常見的8孔直型普通固定接骨板，將3D打印產(chǎn)品與傳統(tǒng)機(jī)加工（電火花線切割與液壓成型）產(chǎn)品進(jìn)行比較，研究SLM在實(shí)際工廠生產(chǎn)中的工藝效率與機(jī)械性能方面是否較傳統(tǒng)機(jī)加工方式更有優(yōu)勢(shì)，為3D打印工藝適用于實(shí)際生產(chǎn)提供了充足的證據(jù)[3-4]。

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

SLM是以激光為能量源，通過(guò)聚焦后的激光束逐點(diǎn)熔化金屬粉末而后凝固成形，由點(diǎn)到線、由線到面、再由面到體建造三維零件實(shí)體。本文所使用的SLM技術(shù)設(shè)備部件包含激光器、振鏡、刮板、成型缸等部分。選用經(jīng)過(guò)調(diào)試的參數(shù)進(jìn)行打印，即激光功率280W，激光掃描速度1200mm/s，條寬5mm，搭接距離0.14mm。

線切割全稱電火花線切割技術(shù)（Wire Electrical Discharge Machining Technology，WEDM），屬于電加工范疇，是使用電火花的瞬時(shí)高溫使局部金屬熔化、氧化而被腐蝕掉的一種技術(shù)。液壓成型（Hydroforming）是指利用液體或模具使工件成型的一種塑形加工技術(shù)。這兩種技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于我國(guó)醫(yī)療器械生產(chǎn)中，尤其是在批量生產(chǎn)接骨板時(shí)，極大的提高了生產(chǎn)效率。

1.2實(shí)驗(yàn)材料

對(duì)于SLM加工方式，本研究采用電極感應(yīng)氣霧法生產(chǎn)的球形TC4合金粉末，粒徑一般為30μm～55μm，基底采用TC4鈦合金板材，基板大小為250 250mm。對(duì)于線切割液壓成型加工方式，使用的鈦合金板材寬10.8 mm，厚3mm。兩種材料都使用FOUNDRY-MASTER pro型分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分分析見表1。

1.3試驗(yàn)方法

參考蘇州市康力骨科器械有限公司的8孔直型普通固定接骨板的生產(chǎn)工藝，經(jīng)初步驗(yàn)證，確定SLM、去支撐、熱處理、拋光、去毛刺這四個(gè)步驟，即可完成接骨板的外形加工，而對(duì)于傳統(tǒng)加工方式，需要線切割外形、液壓成型、銑孔、倒角、拋光、去毛刺等步驟。

對(duì)生產(chǎn)后的試樣進(jìn)行檢測(cè)，首先按照下圖1所示的圖紙關(guān)鍵尺寸對(duì)部分樣件進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)，使用的測(cè)量?jī)x器為帶表卡尺，測(cè)量精度為0.02mm，詳細(xì)測(cè)量每組接骨板的厚度、寬度、孔徑三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

對(duì)于表面粗糙度，兩種加工方式各選取一件無(wú)明顯碰傷痕跡的試樣，使用SENSOFAR Slynx非接觸式3D光學(xué)輪廓儀對(duì)其表面進(jìn)行3D光學(xué)檢測(cè)。疲勞試驗(yàn)是一種主要用于測(cè)定金屬及其合金材料在室溫狀態(tài)下的拉伸、壓縮或拉、壓交變負(fù)荷的疲勞性能試驗(yàn)。壓縮疲勞性能對(duì)比研究的目的是模擬橈骨骨折最初三個(gè)月愈合過(guò)程中情況，對(duì)比兩種加工方式的接骨板軸向壓縮疲勞性能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 有關(guān)工藝時(shí)長(zhǎng)的分析

兩組測(cè)試產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝已在上文中詳述。主要的有差異步驟在于SLM與熱處理對(duì)比電火花線切割與液壓成型，主要考量?jī)山M測(cè)試產(chǎn)品在加工生產(chǎn)過(guò)程中的工藝復(fù)雜度、加工時(shí)長(zhǎng)與流轉(zhuǎn)時(shí)間等問(wèn)題。使用SLM技術(shù)可以減少加工中的一些流程，因流轉(zhuǎn)時(shí)間難以統(tǒng)計(jì)且熱處理可以大批量同時(shí)處理，因此此處沒(méi)有做定量的分析。在與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)人員交流后，了解到在生產(chǎn)過(guò)程中，加工時(shí)間在所有工序中所占的比例很低，在所有加工工序中，占用時(shí)間最多的是流轉(zhuǎn)等待時(shí)間，因此縮短工藝長(zhǎng)度、減少工序數(shù)量在企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中能夠提升企業(yè)生產(chǎn)效率。當(dāng)然SLM技術(shù)在大批量生產(chǎn)中沒(méi)有絕對(duì)的時(shí)間優(yōu)勢(shì)，但是在單件小批量的使用場(chǎng)景下，省去了開模、調(diào)試等步驟的選區(qū)激光熔化技術(shù)具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

3.2 有關(guān)尺寸精度的分析

兩種工藝生產(chǎn)的8孔直型接骨板，每種工藝選取3件，分別測(cè)量三個(gè)關(guān)鍵尺寸，即厚度、寬度、孔徑，發(fā)現(xiàn)使用SLM技術(shù)和傳統(tǒng)機(jī)加工工藝生產(chǎn)的直型接骨板的關(guān)鍵尺寸均滿足圖紙要求。分析使用3D打印工藝可能產(chǎn)生的零件誤差的原因：一是數(shù)據(jù)處理，因一般的3D打印設(shè)備處理的都是STL即三角面片文件，對(duì)精度做出了一些讓步，導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生；二是分層打印，需要在打印中進(jìn)行分層，在分層較粗時(shí)，在表面就有可能產(chǎn)生“臺(tái)階紋”影響精度。

3.3 有關(guān)表面粗糙度的分析

使用非接觸式3D光學(xué)輪廓儀對(duì)兩組表面進(jìn)行檢測(cè)，得到了如下圖2中的兩個(gè)圖像。通過(guò)這些放大100倍的圖像可以看出，SLM接骨板的表面與傳統(tǒng)機(jī)加工處理的表面還是存在較大差異的。傳統(tǒng)工藝加工處理的表面紋路清晰且整齊，而SLM工藝生產(chǎn)的接骨板表面紋路雜亂無(wú)章，SLM產(chǎn)品的表面有較多的凹坑，根據(jù)粉末熔化堆積的原理，這些凹坑可能來(lái)源于粘接在表面的粉末，脫落后產(chǎn)生的痕跡。雖然表面形貌有差別，但是兩者在使用上不存在差別，且均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 有關(guān)壓縮疲勞的分析

SLM工藝和傳統(tǒng)機(jī)加工生產(chǎn)的接骨板的壓縮疲勞測(cè)試結(jié)果如下圖3所示。通過(guò)圖像可以看出，SLM生產(chǎn)的接骨板在壓縮疲勞測(cè)試中劣于傳統(tǒng)機(jī)加工的接骨板，主要表現(xiàn)為隨機(jī)性，猜想可能與接骨板內(nèi)部的微裂紋有關(guān)。雖然SLM生產(chǎn)的接骨板在數(shù)據(jù)上稱相處較大隨機(jī)性，但是依然能夠滿足醫(yī)療植入物的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本文使用SLM工藝對(duì)8孔直型普通固定接骨板制定了工藝并進(jìn)行生產(chǎn)，與傳統(tǒng)的加工工藝進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比兩組接骨板的化學(xué)性能、幾何尺寸、疲勞性能等項(xiàng)目。結(jié)果顯示，兩種工藝加工的接骨板沒(méi)有明顯差異。SLM加工的接骨板表面粗糙度數(shù)值上與傳統(tǒng)機(jī)加工生產(chǎn)的接骨板相當(dāng)，但在放大100倍的圖像中能夠看到較明顯的缺陷；SLM加工的接骨板疲勞性能在數(shù)值上呈現(xiàn)較大的隨機(jī)性。雖然兩種加工方式生產(chǎn)的接骨板力學(xué)性能略有不同，但是兩種加工方式生產(chǎn)的產(chǎn)品均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此認(rèn)為SLM工藝可以應(yīng)用于植入體的生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧秉恒，李滌塵. 增材制造（3D打印）技術(shù)發(fā)展[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，42（4）：1-4.

[2] Wang Z，Wang C，Li C，et al. Analysis of factors influencing bone ingrowth into three-dimensional printed porous metal scaffolds：A review[J]. Journal of Alloys and Compounds，2017，717：271-285.

[3] 北醫(yī)三院完成世界首例3D打印樞椎椎體置換手術(shù)[J]. 中國(guó)信息界（e醫(yī)療），2014（9）：14-14.

[4] 王燎，戴尅戎. 骨科個(gè)體化治療與3D打印技術(shù)[J]. 醫(yī)用生物力學(xué)，2014，29（3）.

（作者單位：1、南京工程學(xué)院研究生處；2、南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院；3、南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院；4、蘇州市康力骨科器械有限公司）