[发明专利]基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法

说明书

本发明涉及基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法，包括有三维设计、三维数据处理、陶瓷原料制备、激光烧结和零件后处理，其中在陶瓷原料制备时，先将陶瓷粉末原料在低于常规烧结温度的环境中进行预烧结，然后对陶瓷粉末进行破碎和筛分；激光选区烧结时，铺粉刮刀和打印基板均与上述的陶瓷粉末原料为相同材质；每层先用低的线能量密度激光进行多次重复扫描，再用高的线能量密度激光进行致密重熔，最后逐层叠加为零件的成型件。本发明能够大幅度减少打印材料的用量，并且明显缩短了生物陶瓷零件的制作时间，完全避免了在成型过程中可能出现的化学杂质污染。

技术领域

本发明涉及3D打印的方法，具体的讲是基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法。

背景技术

3D打印(增材制造)的出现改变了传统制造模式，是技术革命发展进程中的重要产物，其通过重建设计三维数字化模型，采用离散材料逐层累加原理，可以成型传统制造技术无法成型的自由曲面、中空结构和多孔结构等形状复杂的零件，具有成型周期短、制造效率高、节约材料等优点，让整个制造过程真正实现了智能化、数字化、脱模化的现代高科技成型方式。SLS(激光选区烧结)是目前应用最为广泛的3D打印技术，它是一种基于快速激光扫描烧结粉末材料的AM(增材制造)技术，集激光技术、数字智能化控制技术、计算机辅助设计分析技术、快速成型于一体，能直接制造组织致密、力学性能良好、精度高的零部件。目前激光选区烧结材料主要包括高分子材料、金属材料、无机非金属材料和食品材料等。

陶瓷是一种传统的无机材料，但是对于3D打印领域来说，却是一个新兴的材料。传统的陶瓷器物以天然粘土和各种天然矿物为主要原料经过粉碎混炼、成型，在专门的窑炉中高温烧制而成。生物陶瓷材料作为生物医学材料，从十八世纪初开始发展至今，不断涌现出各种新型材料，其应用范围也在逐步扩大，现可应用于人工骨、人工关节、人工齿根、骨充填材料、骨置换材料、骨结合材料、还可应用于人造心脏瓣膜、人工肌腱、人工血管、人工气管，经皮引线可应用于体内医学监测等。在医疗领域，陶瓷具有良好的生物相容性、生物可降解性、骨诱导性以及优良的耐腐蚀性和耐磨损性，它们在生理环境中可被逐渐地降解吸收，并随之被新生组织替代，从而达到修复或替换被损坏组织的目的。尤其，其独特的美学性能是金属材料和其它高分子材料无法比拟的，因此，诸如氧化锆(ZrO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、羟基磷灰石(HAP)等生物陶瓷材料，在口腔牙体缺损修复、口腔颌面外科手术以及临床骨组织替代中被广泛应用。

陶瓷3D打印是一种新型的精密制造技术，其结合计算机三维建模与计算机辅助设计，可快速成型为具有个性化、复杂化、高精度的陶瓷零件，具有工序简单、制作周期短、材料利用率高等优点。通过激光选区烧结对陶瓷材料进行3D激光打印时，通常包括有三维设计、三维数据处理、陶瓷原料制备、激光烧结、零件后处理等步骤。其中在三维设计中通常是先获取需打印的影像学数据，再使用CAD软件设计出符合需求的三维形态。然后在三维数据处理中对三维设计导出的STL数据进行数据处理，得到陶瓷3D打印成型的数据，通常包括了数据检查和修复、位置摆放、支撑添加和切片等步骤。然后经包括扫描策略规划和激光加工参数设置的激光烧结后，对打印件进行热应力去除等后处理，完成整个打印过程。