開辟骨科植入物增材制造的更大可能性

來源：EOS

近期，EOS 開發(fā)了新的 Ti64 增材制造工藝，該工藝與熱等靜壓熱處理工藝相結(jié)合，可產(chǎn)生出色的疲勞性能。該項目的目的是在實際的植入物設(shè)計中突出并測試這些疲勞特性，并將結(jié)果與傳統(tǒng)鍛造的 Ti64 股骨柄進(jìn)行比較。此外，EOS希望盡可能地促進(jìn)后期處理的操作性，并在構(gòu)建設(shè)置策略中考慮了這一目標(biāo)。本研究中使用的髖關(guān)節(jié)植入物設(shè)計屬于美國得克薩斯州奧斯汀市的 Monogram Orthopedics 公司。

疲勞結(jié)果
疲勞測試由加拿大溫尼伯骨科創(chuàng)新中心 OIC 進(jìn)行。根據(jù) ISO 7206-6，對股骨柄的頸部疲勞特性進(jìn)行5340 N 負(fù)載下 1000 萬次循環(huán)測試。在這項研究中，對 2 個增材制造的股骨柄進(jìn)行了測試，并且都通過了 1000 萬次循環(huán)測試。這表明這些增材制造植入物的疲勞性能至少與傳統(tǒng)鍛造的 Ti64 股骨柄性能持平。這是首次在用增材制造的植入物上測量到如此高的疲勞性能。

下面具體了解一下 EOS 如何通過增材制造知識，經(jīng)驗和服務(wù)，來實現(xiàn)骨科增材制造的這一技術(shù)飛躍。

為了避免移除支撐并方便從平臺上移除植入物，股骨柄在“固定件”中制造。該固定件的主要功能是對抗刮刀鋪粉產(chǎn)生的作用力，對植入物部件起到保護(hù)。（為了獲得最高的力學(xué)性能，使用了 HSS 不銹鋼刮刀以確保最佳的產(chǎn)品性能和始終如一的鋪粉性能。）重點是固定件和股骨柄之間沒有連接，大約留有 0.2mm-0.3mm 的間隙。通過 DoE 試驗確定了理想的間隙寬度。間隙的大小是在易于拆卸和牢固防止股骨柄因刮刀力而振動之間的權(quán)衡。由于固定件、粉末和股骨柄之間的摩擦力，股骨柄得以固定。

開始生產(chǎn)之前，使用 Amphyon (Additive Works) 確認(rèn)設(shè)置策略切實可行，不會導(dǎo)致任何問題，消除了“試錯”的打印策略需求。剛?cè)腴T、甚至經(jīng)驗豐富的增材制造用戶都普遍抱怨，在嘗試新應(yīng)用開發(fā)時，首次打印時都需要用“試錯”策略。
運行仿真模擬來檢查刮刀的碰撞問題，以驗證變形是否在公差范圍內(nèi)，并檢查熱應(yīng)力。模擬分析在開始打印任務(wù)之前提供了高質(zhì)量的打印，從而降低了成本并縮短了交貨時間。

該軟件可通過對股骨柄進(jìn)行預(yù)變形，從而實現(xiàn)首次直接打印出高精度的零件。這種方法效果非常好，特別是對于打印過程中髖關(guān)節(jié)股骨柄可能發(fā)生的微小且可控的變形。

EOS 通過以下方式獲得出色的疲勞性能

• 優(yōu)異的增材制造工藝
股骨柄使用 EOS Titanium Ti64 Grade 23，40μm 層厚的工藝參數(shù)，在 EOS M 290 上制造。之所以選擇 M290，是因為它是市場被認(rèn)證過次數(shù)最多的工業(yè)級增材制造系統(tǒng)。最重要的是，設(shè)備的可靠性和可重復(fù)性正是具備優(yōu)異疲勞性能所必須的，其中一個缺陷都會顯著降低疲勞性能。將來有可能進(jìn)一步優(yōu)化工藝以進(jìn)行批量生產(chǎn)，考慮到股骨柄應(yīng)用的獨特要求，可能會提高制造速度和穩(wěn)定性。


• 優(yōu)化的熱等靜壓熱處理
結(jié)合了優(yōu)異的增材制造工藝和優(yōu)化的熱等靜壓熱處理，成品最終獲得了出色的疲勞性能。常規(guī)的熱等靜壓熱處理是為了改善鑄件或類似鑄件的質(zhì)量和顯微組織的力學(xué)性能。EOS M 290 制造產(chǎn)品的質(zhì)量遠(yuǎn)高于鑄件，因此 EOS 基于增材制造的獨特微觀結(jié)構(gòu)開發(fā)出一種特殊的熱等靜壓熱處理工藝。

Ti64 常規(guī)的熱等靜壓工藝是 920°C，100 MPa 下保溫 2 小時，并且廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域。EOS 開發(fā)的處理工藝則在 800℃，140 MPa 下保溫 2 小時。該熱等靜壓熱工藝與 EOS DMLS 工藝相結(jié)合，可實現(xiàn) 10 ^ 7 次循環(huán)（N = 9）中 795 Mpa 的疲勞強度。

后處理相當(dāng)簡單，由加拿大溫尼伯的 Precision ADM 執(zhí)行。增材制造工藝的設(shè)置方式制造的股骨柄與傳統(tǒng)制造的股骨柄可以進(jìn)行相同的后處理步驟。因此，無需支撐處理。后處理與目前市場上的傳統(tǒng)方式制造的股骨柄類似，對股骨柄錐形部位進(jìn)行機(jī)加工，對股骨柄的頸部進(jìn)行拋光，以實現(xiàn)最佳的疲勞特性。最終植入物可以參考下圖。

如今，增材制造實際應(yīng)用中可以實現(xiàn)鍛件力學(xué)性能這一事實，是骨科增材制造領(lǐng)域的巨大飛躍。這一激動人心的進(jìn)展促使釋放增材制造技術(shù)的潛力�，F(xiàn)在，由骨科公司和各個公司的產(chǎn)品設(shè)計師來推進(jìn)AM與現(xiàn)實的界限。