激光选区熔化技术及其在个性化医学中的应用

分类：论文范文 发表时间：2021-04-13 09:34

　　摘要：激光选区熔化是一种精密金属增材制造技术，可以成形任意复杂的功能零件。个性化医学用品需要具有个性化的几何外形和良好的生物性能，为了探究激光选区熔化在个性化医学用品中的应用，采用DiMetal系列激光选区熔化设备成形医用金属材料如316L不锈钢、CoCrMo合金、Ti6Al4V，并对医用金属材料成形致密度、成形力学性能和几何结构成形性进行了研究。通过个性化设计和DiMetal系列激光选区熔化设备，设计与制造了个性化牙冠、舌侧正畸托槽、手术模板、全膝置换股骨远端假体、股骨近端假体、颅骨修复体等医学用品。研究证明DiMetal系列激光选区熔化装备、工艺可用于个性化医学用品的快速制造，这为个性化医学用品的快速响应设计与制造提供了一种新的手段。

　　关键词：增材制造；激光选区熔化；医学用品；个性化设计；医用金属材料

　　0前言

　　增材制造技术是通过CAD数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，是一种自下而上材料累加的制造方法。通过一层层的逐层制造，可以完成几乎任意几何形状几何体的制造。自上世纪80年代末增材制造技术逐步发展，该技术也先后被定义为快速原型(Rapidprototyping,RP)、分层制造(Layeredmanufacturing,LM)、实体自由制造(Solidfree-formfabrication,SFFF)、3D打印(3Dprinting)、增材制造(Additivemanufacturing,AM)等[1-2]。

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　　1DiMetal系列SLM装备及试验材料

　　激光选区熔化的概念在20世纪90年代由德国Fraunhofer激光技术研究所首次提出[24]。目前SLM装备研发机构主要有德国SLMSolutions、ConceptLaser、EOS、英国Renishaw、国内华南理工大学、华中科技大学等，成形原理如下：在成形之初，利用专用软件对零件的数字化模型进行切片分层处理，并生成截面扫描数据；铺粉刮板将预置于料缸的粉末推送并平铺到成形缸；根据截面扫描数据，计算机控制扫描振镜摆动，使激光束选择性地熔化成形缸中的粉末；选区熔化后，成形缸下降一个切片厚度，料缸上升一定高度，将一定体积粉末再次预置于铺粉刮板前端；铺粉刮板重新进行铺粉动作；如此重复以上动作，逐层加工，直到完成零件加工，如图1所示。

　　2SLM成形工艺

　　国外研究工作者总结发现，影响SLM成形效果的影响因素达到130个之多[25]。本文将影响SLM成形质量的因素分为六大类，如图5所示，并以成形效率、可重复性、稳定性、成形性能和微观组织作为SLM成形评价指标。以下重点对SLM成形能量输入对致密度的影响、几何结构成形性以及成形力学性能进行了探讨。

　　3DiMetal系列SLM应用在个性化医学用品图9所示为个性化医学用品设计和SLM制造流程。首先对患者病患部分进行CT扫描，将扫描数据以DICOM格式到处，采用Mimics等类似软件对图像进行掩膜、区域增长、3D计算等处理后获得3D数字化模型，将3D数字化模型以STL格式导出。根据数字化模型，医生制定手术修复方案，并设计出相对应的个性化假体CAD模型。目前增材制造设备常用的文件格式为STL格式，所以将设计的CAD模型以STL格式导入增材制造设备中。基于CT影像的3D重建技术以及增材制造技术实现了个性化医学用品的数字化重建与定制化制造。数字化3D模型作为交流信息，实现了诊断、设计、制造之间零障碍沟通。图9个性化医学用品设计与SLM制造流程图本文中，CT数据获取采用西门子sensation16排螺旋CT，在电压120kV，电流10mA、扫描厚度1mm和分辨率512像素×512像素情况获得CT。

　　参考文献

　　[1]黄树槐，肖跃加，莫建华，等.快速成形技术的展望[J].中国机械工程，2000，11(1-2)：195-200.HUANGShuhuai，XIAOYuejia，MOJianhua，etal.Prospectofrapidprototypingtechnology[J].ChinaMechanicalEngineering，2000，11(1-2）：195-200.

　　[2]WOHLERST.Wohlersreport2012[M].NewYork：WohlersAssociates，Inc，2012.

　　[3]LETHAUSB，POORTL，B?CKMANNR，etal.Additivemanufacturingformicrovascularreconstructionofthemandiblein20patients[J].JournalofCranio-MaxillofacialSurgery，2012，40(1)：43-46.

　　杨永强1,2宋长辉1,2王迪1

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