鈦合金SLM與線切割液壓成型接骨板的工藝及性能比較研究

茅寧 王志亮 高成沖 田宗軍 沈理達 石碧

摘要：為了對鈦合金SLM工藝的接骨板進行性能驗證，將其與傳統機加工即線切割液壓成型的接骨板進行比較，從材料特性、工藝時長、疲勞性能等多角度比較研究。結果表明，相比于線切割液壓成型方式生產的接骨板，SLM技術生產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，工藝復雜度低、時長較少，均能滿足國家對于接骨板的標準要求。

關鍵詞：SLM；接骨板；工藝

引言

增材制造技術，也俗稱“3D打印”，是20世紀80年代發展起來的先進制造技術。增材制造技術是將零件的三維模型沿某一方向離散成一系列二維切片，再將二維切片轉化成加工軌跡，然后把加工軌跡轉換成數控代碼輸入到加工設備中，執行機構按照數控代碼進行逐層加工，最終制造出實體零件[1]。選區激光熔化技術（Selecitve Laser Melting，SLM）是金屬增材制造中的一種最常見的工藝。經過近四十年的發展，增材制造技術已經廣泛應用于航空航天、汽車生產、醫療健康等領域 [2]。

雖然3D打印技術已經在醫療領域得到小范圍的應用，但是使用3D打印技術生產的植入物的基礎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打印產品與傳統機加工（電火花線切割與液壓成型）產品進行比較，研究SLM在實際工廠生產中的工藝效率與機械性能方面是否較傳統機加工方式更有優勢，為3D打印工藝適用于實際生產提供了充足的證據[3-4]。

1 材料及試驗方法

1.1實驗設備

SLM是以激光為能量源，通過聚焦后的激光束逐點熔化金屬粉末而后凝固成形，由點到線、由線到面、再由面到體建造三維零件實體。本文所使用的SLM技術設備部件包含激光器、振鏡、刮板、成型缸等部分。選用經過調試的參數進行打印，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（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。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。這兩種技術已被廣泛應用于我國醫療器械生產中，尤其是在批量生產接骨板時，極大的提高了生產效率。

1.2實驗材料

對于SLM加工方式，本研究采用電極感應氣霧法生產的球形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型分析儀進行化學成分分析，化學成分分析見表1。

1.3試驗方法

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工藝，經初步驗證，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。

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

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光學輪廓儀對其表面進行3D光學檢測。疲勞試驗是一種主要用于測定金屬及其合金材料在室溫狀態下的拉伸、壓縮或拉、壓交變負荷的疲勞性能試驗。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 實驗結果與討論

3.1 有關工藝時長的分析

兩組測試產品的生產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品在加工生產過程中的工藝復雜度、加工時長與流轉時間等問題。使用SLM技術可以減少加工中的一些流程，因流轉時間難以統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。在與企業實際生產人員交流后，了解到在生產過程中，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等待時間，因此縮短工藝長度、減少工序數量在企業的實際生產中能夠提升企業生產效率。當然SLM技術在大批量生產中沒有絕對的時間優勢，但是在單件小批量的使用場景下，省去了開模、調試等步驟的選區激光熔化技術具有絕對的優勢。

3.2 有關尺寸精度的分析

兩種工藝生產的8孔直型接骨板，每種工藝選取3件，分別測量三個關鍵尺寸，即厚度、寬度、孔徑，發現使用SLM技術和傳統機加工工藝生產的直型接骨板的關鍵尺寸均滿足圖紙要求。分析使用3D打印工藝可能產生的零件誤差的原因：一是數據處理，因一般的3D打印設備處理的都是STL即三角面片文件，對精度做出了一些讓步，導致誤差的產生；二是分層打印，需要在打印中進行分層，在分層較粗時，在表面就有可能產生“臺階紋”影響精度。

3.3 有關表面粗糙度的分析

使用非接觸式3D光學輪廓儀對兩組表面進行檢測，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機加工處理的表面還是存在較大差異的。傳統工藝加工處理的表面紋路清晰且整齊，而SLM工藝生產的接骨板表面紋路雜亂無章，SLM產品的表面有較多的凹坑，根據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，且均滿足設計要求。

3.4 有關壓縮疲勞的分析

SLM工藝和傳統機加工生產的接骨板的壓縮疲勞測試結果如下圖3所示。通過圖像可以看出，SLM生產的接骨板在壓縮疲勞測試中劣于傳統機加工的接骨板，主要表現為隨機性，猜想可能與接骨板內部的微裂紋有關。雖然SLM生產的接骨板在數據上稱相處較大隨機性，但是依然能夠滿足醫療植入物的國家標準。

4 結論

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行生產，與傳統的加工工藝進行對比，對比兩組接骨板的化學性能、幾何尺寸、疲勞性能等項目。結果顯示，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值上與傳統機加工生產的接骨板相當，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值上呈現較大的隨機性。雖然兩種加工方式生產的接骨板力學性能略有不同，但是兩種加工方式生產的產品均滿足國家標準，因此認為SLM工藝可以應用于植入體的生產。

參考文獻

[1] 盧秉恒，李滌塵. 增材制造（3D打?。┘夹g發展[J]. 機械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.

[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] 北醫三院完成世界首例3D打印樞椎椎體置換手術[J]. 中國信息界（e醫療），2014（9）：14-14.

[4] 王燎，戴尅戎. 骨科個體化治療與3D打印技術[J]. 醫用生物力學，2014，29（3）.

（作者單位：1、南京工程學院研究生處；2、南京工程學院機械工程學院；3、南京航空航天大學機電學院；4、蘇州市康力骨科器械有限公司）