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3D金属打印的力学性能

更新时间: 2019-09-18 09:18:47  查看次数: 25    
  • 传统压铸工艺

既往内植物制造工艺主要是采用压铸技术,全称是压力铸造,是一种利用高压强制将金属熔液压入形状复杂的金属模内的一种精密铸造法,其特点是利用模具腔对融化的金属施加高压,生产速度快、铸件抗拉强度可达415兆帕、可以铸造高流动性的金属。这种工艺力学性能已经在临床上得到了长时间的验证,是一种成熟的内植物制造工艺。压铸最大的缺点为成本很高,铸造设备以及模具、相关组件相对其它制造工艺来说都是异常昂贵的。因此制造压铸件时生产大量产品才比较经济。其它缺点包括:这个工艺只适用于流动性较高的金属,而且铸造质量必须介于30克与10千克之间。3D金属打印很显然在降低成本,批量成产,制造复杂内部结构部件,个性化定制方面具有无与伦比的优势,在机械生产,航空,航天等领域已经得到广泛的应用。但3D金属打印作为一种相对较新的金属铸造工艺,用于制造人体内植物,尤其是负重位置的內植物,力学性能是否能够达到要求还不确定。因此在前期研究中我们也做了相关测试。


  • 3D金属打印的抗压性能

根据文献一般要求內植物涂层的孔隙率要达到65%以上,这样可以保证足够的骨长入,形成足够的绑定。但是这样大的孔隙率必然导致多孔涂层机械性能,特别是抗压强度的大幅下降,因此需要保证多孔涂层具有足够的抗压强度,在植入时以及骨长入过程中能够保持一定的刚度,避免变形影响假体稳定性和骨组织生长的空间。前期实验我们根据美国材料与实验协会(AmericanSocietyforTestingandMaterials,ASTM)451标准,采用电子万能材料试验机(Z150TL/TC-A-53),将一个直径15毫米,高30毫米的多孔圆柱体,在25.4mm/min的速度下,使其变形10毫米,得到其抗压强度,满足一般髋关节假体的要求(大于35MPa)。本研究设计的A组钛合金部件抗压性能远远超过这一要求,但微孔较小,可能难以满足骨长入的要求,B组假体基本满足这一要求。为了保证实验样本的均质性,微孔设计为正八面体的空间结构,空间结构对多孔涂层的机械性能也有很大影响。因此后期的研究可以进一步优化空间结构,改善抗压性能。


  • 3D金属打印的抗剪切性能
在出现3D金属打印技术之前,一个假体制造一般是首先完成它的基体部分,然后采用烧结,等离子喷涂等方式将多孔涂层固定在基体表面,这样的方法必然需要考量基体与多孔涂层之间的结合强度,大量的试验表明对于同一种工艺,结合强度和多孔涂层与基体之间的接触面积有直接关系,也与多孔涂层的物理特性有着密不可分的关系。传统工艺无法精确控制微孔形态,接触面积等参数,因此常常牺牲微孔的骨长入优势,孔隙率做的比较小(30-45%),多孔涂层与基体接触的部分比较厚,以保证足够的接触面积带有多孔涂层。3D打印在这方面有得天独厚的优势,因为它是一体成型,减少一个界面,但多孔涂层仍然无可避免的会受到剪切力的影响,这个剪切力包括长入的骨组织和多孔涂层。多孔涂层与基体之间的作用力情况非常复杂,为保证内植物力学性能的可靠性,我们假设所有的合力都是剪切力作用在多孔涂层与基体之间,并且之间的夹角均为零度。经测试A组和B组钛合金多孔涂层抗剪切强度分别为44.28MPa,23.17MPa均高于传统工艺,同时我们通过减小或增加接触面积将试验结果精度的下降或者上升到某个范围,保证试验预期的精确可控性,结果显示不同的试验样本之间的差别非常小,再次证明这种工艺的稳定性。
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