3D打印鈦合金漏斗胸矯形板的制備及性能研究

劉忠明 張陽 李靜 吳捷欣 張曉峰

【摘 要】采用3D打印快速成型技術制備鈦合金漏斗胸矯形板，并研究其性能為應用3D打印技術制備個性化漏斗胸矯形板提供依據。在計算機上建立漏斗胸矯形板模型，應用3D打印激光快速成型技術制備鈦合金漏斗胸矯形板，通過掃描電鏡（SEM）觀察矯形板表面形貌，采用著色滲透法檢驗矯形板表面缺陷，采用萬能材料試驗機和維氏硬度計檢測矯形板的力學性能。結果表明：3D打印鈦合金漏斗胸矯形板表面呈道狀線條結構，表面無孔洞、裂紋等缺陷，矯形板拉伸強度和屈服強度分別為1015.0MPa和919.0MPa，延伸率為11.2%，維氏硬度326.0HV5。

【關鍵詞】3D打印;激光快速成型;漏斗胸矯形板;鈦合金;力學性能

中圖分類號： R783.6 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）02-0011-002

【Abstract】Titanium alloy pectus excavatum orthopedic plate was prepared by 3D printing rapid prototyping technology and its properties were studied， providing a basis for the application of 3D printing technology to prepare personalized pectus excavatum orthopedic plate. The model of pectus excavatum orthopedic plate was established on computer， and the titanium alloy pectus excavatum orthopedic plate was fabricated by 3D printing laser rapid prototyping technology. The surface morphology of the orthopedic plate was observed by scanning electron microscope （SEM）， the surface defects of the orthopedic plate were examined by dye penetration method， and the mechanical properties of the orthopedic plate were tested by universal material testing machine and Vickers hardness tester. The results show that the surface of the 3D printed titanium alloy pectus excavatum orthopedic plate has a strip-like structure with no holes or cracks. The tensile strength and yield strength of the orthopedic plate are 1015.0 MPa and 919.0 MPa， respectively，and the elongation is 11.2%， the Vickers hardness is 326.0 HV5.

【Key words】3D printing; Laser rapid prototyping; Pectus excavatum orthopedic plate; Titanium alloy; Mechanical properties

漏斗胸（pectus excavatum，PE）又稱胸廓凹陷畸形，是最常見的先天性胸廓畸形[1]。微創漏斗胸矯形術是目前主要的手術方式，即將漏斗胸矯形板植入患者體內，通過矯形板支撐起患者凹陷的胸骨，以達到治療漏斗胸患者的目的[2]，傳統漏斗胸矯形板大部分為直條形狀，術前需要醫生手動彎曲矯正，植入后無法準確貼合病人的自身形態，會造成移位率高、手術效果不佳和治療時間長等問題，因而該醫療器械仍存在很大的改進之處。

以數字化、網絡化、個性化和定制化為特點的3D打印技術是新制造技術的代表，其使胸外科實現個性化植入成為可能。激光快速成型技術作為金屬3D打印技術的一種，可以直接將3D計算機輔助設計（3D CAD）轉化為實物，獲得幾乎任意形狀的高精度金屬零件[3]，因此可以根據不同漏斗胸患者的CT數據，打印出貼合患者胸廓的個性化矯形板，不僅有利提高漏斗胸手術的穩定性和臨床成功率，還可以縮短療程，降低治療成本。本文通過3D打印激光快速成型技術制備漏斗胸矯形板，并測試其機械性能，以期獲得性能優良且貼合患者胸廓的矯形板。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和設備

實驗原材料：TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金粉，粉體粒度20～53μm，化學成分（質量分數，%）為：5.5～6.5Al，3.5～4.5V，0.062O，0.0012H，0.012N，0.011C，0.14Fe，其余為Ti。實驗設備：BLT-S310選擇性激光熔融3D打印機，SG-SJ1700真空退火爐，Zwick/Roell Z250材料拉伸試驗機，HV-5維氏硬度計，JSM-6480掃描電子顯微鏡。

1.2 矯形板的制備方法

根據漏斗胸病人的胸部CT圖像，利用Mimics和Solidworks等三維軟件重建胸骨架3D模型，參考具有相近胸廓尺寸的正常人胸廓模型設計矯形板的3D模型，最后在BLT-S310選擇性激光熔化3D打印機上完成矯形板樣品。3D打印工藝參數：激光功率400W，掃描速度1200mm/s，鋪鈦粉的層厚0.06mm，經過逐層熔結疊加完成打印，冷卻，全程氬氣保護，真空退火處理，退火溫度800℃，時間4h，風冷。拉伸試樣從矯形板上切取，拉伸試樣：原始標距長度50mm，平行段長度60mm，寬12.5mm，厚3mm。

1.3 檢測內容和方法

掃描電子顯微鏡觀察矯形板表面形貌;用著色滲透法檢驗矯形板表面缺陷;維氏硬度計測定矯形板硬度，載荷5kg，加載時間10s，每個樣品隨機測6個點;材料萬能試驗機測試拉伸樣的力學性能，加載速度為1mm/min。

2 試驗結果及討論

2.1 3D打印鈦合金矯形板

選擇性激光熔融3D打印機打印出的矯形板如圖1所示。

2.2 3D打印鈦合金矯形板表面形貌

3D打印矯形板SEM表面形貌如圖2所示，矯形板的表面未經處理，其表面主要呈道狀線條結構，這些線條與打印過程中熔池的變化有關。3D打印過程中，高能激光束對金屬粉末進行掃描時，起始位置受到了持續的加熱作用迅速熔化，形成一個倒駝峰狀的熔池，因加熱時間非常短，所以形成的熔池較小，隨著高能激光束的移動，熔池也跟隨移動，同時，熔池的深度、寬度都在不斷增大，逐漸趨于穩定，熔池前沿的形狀不變，由于傳熱和散熱作用，熔池后沿變淺變窄[4]，進而形成了一條一條平行于掃描方向的“道”。

2.3 3D打印鈦合金矯形板的硬度

維氏硬度計檢測矯形板表面硬度，3D打印鈦合金矯形板的維氏硬度范圍320.0～335.0HV5，平均值為326.0HV5，見圖4所示。

2.4 3D打印鈦合金矯形板的力學性能

3D打印鈦合金矯形板拉伸試件的拉伸強度為1015.0MPa，屈服強度為919.0MPa，延伸率為11.2%，本實驗條件下制備的3D打印鈦合金矯形板力學性能符合GB/T 13810-2017標準中TC4鈦合金材料的力學性能要求。

3 討論

3D打印技術是目前先進制造技術的重要發展方向，是在計算機中將3D CAD模型分成若干層，通過3D打印設備在一個平面上按照3D CAD層圖形，將塑料、金屬甚至生物組織活性細胞等材料燒結或黏合在一起，然后再一層一層地疊加起來。通過每一層不同圖形的累積，最后形成一個三維物體[5]。3D打印金屬快速成型技術可以直接獲得幾乎任意形態、具有完全冶金結合和高精度的近乎致密金屬零件，因此可以制備具有復雜結構、良好生物相容性的植入體，能廣泛應用于醫療領域。3D打印技術的出現使漏斗胸臨床實現個性化植入成為可能，與傳統漏斗胸鋼板比較，3D打印漏斗胸矯形板具有以下優點：（1）貼合病人實際需求，手術效果更好;（2）更易解決醫生臨床問題，節省手術時間，減輕患者痛苦;（3）個性化定制，對于重度漏斗胸有更好的治療效果，治療重度漏斗胸只需一根矯形板，節省費用。

本實驗中根據漏斗胸病人的CT數據設計了矯形板模型，通過3D打印技術完成漏斗胸矯形板的快速成型，并對其表面和力學性能進行了研究，結果表明：矯形板表面無明顯缺陷，其表面微觀結構為道狀線條式結構，這些線條與打印過程中熔池的變化有關，矯形板維氏硬度較高，常溫力學性能符合GB/T 13810-2017標準，具有良好的力學性能，可滿足臨床應用。

【參考文獻】

[1]Kelly RE. Pectus excavatum： historical background， clinical picture， pre-operative evaluation and criteria for operation. Semin Pediatr Surg，2008， 17： 181-193.

[2]曾騏，彭蕓，賀延儒，等. NUSS手術治療小兒漏斗胸[J]. 中華胸心血管外科雜志，2004，20（4）：223-225.

[3]楊永強，劉洋，宋長輝. 金屬零件3D打印技術現狀及研究進展[J]. 機電工程技術，2013，42（4）：1-7.

[4]D.H. Athey. A mathematical model for fluid flow in a weld pool at high currents[J]. Journal of Fluid Mechanical， 1980， 98（4）： 787-799.

[5]O Brien CM， Holmes B， Faucett S， et al. Threedimensional printing of nanomaterial scaffolds for complex tissue regeneration [J]. Tissue Eng Part B Rev， 2015， 21（1）： 103-114.