茅寧 王志亮 高成沖 田宗軍 沈理達(dá) 石碧

摘要：為了對鈦合金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、工藝時長、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、時長較少，均能滿足國家對于接骨板的標(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，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)用于我國醫(yī)療器械生產(chǎn)中，尤其是在批量生產(chǎn)接骨板時，極大的提高了生產(chǎn)效率。

1.2實(shí)驗(yàn)材料

對于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、去毛刺這四個步驟，即可完成接骨板的外形加工，而對于傳統(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。

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

對于表面粗糙度，兩種加工方式各選取一件無明顯碰傷痕跡的試樣，使用SENSOFAR Slynx非接觸式3D光學(xué)輪廓儀對其表面進(jìn)行3D光學(xué)檢測。疲勞試驗(yàn)是一種主要用于測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)。壓縮疲勞性能對比研究的目的是模擬橈骨骨折最初三個月愈合過程中情況，對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)工藝時長的分析

兩組測試產(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與熱處理對比電火花線切割與液壓成型，主要考量兩組測試產(chǎn)品在加工生產(chǎn)過程中的工藝復(fù)雜度、加工時長與流轉(zhuǎn)時間等問題。使用SLM技術(shù)可以減少加工中的一些流程，因流轉(zhuǎn)時間難以統(tǒng)計且熱處理可以大批量同時處理，因此此處沒有做定量的分析。在與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)人員交流后，了解到在生產(chǎn)過程中，加工時間在所有工序中所占的比例很低，在所有加工工序中，占用時間最多的是流轉(zhuǎn)等待時間，因此縮短工藝長度、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)中沒有絕對的時間優(yōu)勢，但是在單件小批量的使用場景下，省去了開模、調(diào)試等步驟的選區(qū)激光熔化技術(shù)具有絕對的優(yōu)勢。

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，分別測量三個關(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，在表面就有可能產(chǎn)生“臺階紋”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)輪廓儀對兩組表面進(jìn)行檢測，得到了如下圖2中的兩個圖像。通過這些放大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試結(jié)果如下圖3所示。通過圖像可以看出，SLM生產(chǎn)的接骨板在壓縮疲勞測試中劣于傳統(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)療植入物的國家標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本文使用SLM工藝對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)行對比，對比兩組接骨板的化學(xué)性能、幾何尺寸、疲勞性能等項目。結(jié)果顯示，兩種工藝加工的接骨板沒有明顯差異。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)

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[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]. 中國信息界（e醫(yī)療），2014（9）：14-14.

[4] 王燎，戴尅戎. 骨科個體化治療與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）