[发明专利]一种高精度可降解金属多孔支架激光粉末床熔融制造方法

说明书

本发明公开了属于材料加工技术领域的一种高精度可降解金属多孔支架激光粉末床熔融制造方法。本发明是在综合考虑材料特性和结构设计对激光粉末床熔融加工过程的影响，为此首先建立辅助气流系统，采用合适的辅助气流控制循环风速，抑制粉末材料蒸发对成形过程的不良影响，以激光功率和扫描速度决定的激光能量为变量，使用正交实验法制备一组标准尺寸实体试样，利用上述参数，制备具有不同直径或壁厚设计值的圆柱形或长方体试样，生成针对特定粉体材料和结构特征的激光能量和扫描策略。得到的多孔支架孔隙通透，且内部无明显残留粉末，致密度高于99.5％，实际孔隙率和设计值的误差小于±5％。本发明也适用于钛合金、不锈钢等其他金属材料。

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，特别涉及一种高精度可降解金属多孔支架激光粉末床熔融制造方法。

背景技术

人体的器官和组织往往因为运动或疾病受到损伤，生物材料可以用来代替或修复人体的器官和组织，并实现其生理功能。因为生物材料长期或临时与人体接触时，必须充分满足与生物体环境的相容性，即生物体不发生任何毒性、致敏、炎症、致癌、血栓等生物反应，而这些都取决于材料表面与生物体环境的相互作用。可降解金属多孔支架是理想的人体骨替代材料；目前人体骨替代材料通常Mg、Zn、Ti、HA、,Mg-Zn、Mg-Cu、Mg-Ca、Mg-Mn及生物陶瓷等诸多材料；可降解金属多孔支架是人体骨替代材料，制作人体骨替代材料的方法也各式各样；在专利201110312539.7，“一种多孔镁合金/生物陶瓷仿生复合支架及其快速成型方法”就是借助于逆向工程和CAD技术进行外形相关性和微结构仿生设计，并,建立支架的CAD模型；，采用光固化直接成型多孔生物活性陶瓷框架，；利用真空吸铸向生物陶瓷框架的次级管路内浇铸熔融的镁合金,冷却凝固后,即可得到多孔镁合金/生物陶瓷复合结构骨支架。在专利201811139964.9“一种骨植入Mg/TiO2-HA梯度多孔涂层的可再生镁基骨骼材料的制备方法”，其包括 Ti02/Ag-HA梯度多孔涂层及镁基骨骼材料,Mg/TiO2-HA梯度涂层涂敷于镁基骨骼材料。本实验采用打印材料分两组，第一组选用Mg颗粒、Ag粉末混合粉末，得到金属粉末基；第二组选用Mg、TiO2、HA三种材料，构建3D打印模型，进行激光打印，熔覆结束后，经过一定的后期处理来制得。

镁和锌是人体必需的生命元素，在体液内能够逐渐被腐蚀降解，降解产物可不仅被人体安全吸收，而且具有促成骨重建能力。生物可降解镁合金和锌合金具有生物相容性好、力学性能好、无需二次手术取出等优点，在骨科植入物领域有广阔的应用前景。为了保障良好的承载和促进骨重建效果，骨缺损填充植入物应具有与患者骨骼创面相匹配的宏观外形，同时植入物内部具有大量连通的孔隙以便于骨细胞长入。激光粉末床熔融技术可实现各种定制化的宏微观精细结构，是个性化可降解金属骨植入物的理想制造方法。

镁和锌同为密排六方晶体结构，熔点和沸点较低、蒸发倾向较高、线膨胀系数较高、液态金属流动性较好，因此，采用激光粉末床熔融工艺制备镁合金和锌合金多孔支架时，容易出现气孔、飞溅、变形和粉末粘附等成形质量问题。为了抑制蒸发对成形过程的不良影响，需要及时清理成形舱室内的蒸发烟尘；为了确保可靠的力学性能，需要严格限制支架内部的成形缺陷，即提高支杆的致密度；增加激光能量有利于提高致密度，但是会造成蒸发加剧，以及多余粉末熔化和粘附，不利于尺寸精度；若降低激光能量，虽然有利于提高尺寸精度，但支杆内部产生较多缺陷，对性能不利。鉴于镁、锌合金材料特性，目前的增材制造方法难以同时保障多孔支架的成形质量和精度，不满足骨科植入物高可靠性、高精度要求。

发明内容

本发明的目的是提出一种高精度可降解金属多孔支架激光粉末床熔融制造方法，所述多孔支架激光粉末床熔融制造方法都是通过计算机模拟进行外形相关性和微结构仿生设计，并,建立支架模型；或直接成型多孔生物活性陶瓷框架或骨结构框架；然后采用激光粉末打印可再生镁基骨骼材料涂层；其特征在于，所述多孔支架激光粉末床熔融制造方法是在综合考虑材料特性和结构设计对激光粉末床熔融加工过程的影响，建立辅助气流系统，选用合适的辅助气流控制循环风速，抑制材料蒸发对成形过程的不良影响，具体包含以下步骤：