【中國智能制造網(wǎng) 技術(shù)前沿】滑鐵盧大學(xué)（UniversityofWaterloo）研究人員在有關(guān)金屬和材料層厚3D打印工藝方面有了新發(fā)現(xiàn)，該研究為制造商更好地控制3D打印醫(yī)療植入物的機(jī)械和物理完整性帶來了希望。　　滑鐵盧大學(xué)（UniversityofWaterloo）研究人員在有關(guān)金屬和材料層厚3D打印工藝方面有了新發(fā)現(xiàn)，這與日益增長的外科整形應(yīng)用行業(yè)息息相關(guān)。
　　
　　由AhmadBasalah、ShahrzadEsmaeili、EhsanToyserkani合寫的《燒結(jié)協(xié)議和層厚對3D打印鈦金屬多孔生物結(jié)構(gòu)的物理性能和機(jī)械性能的影響(On the influence of sintering protocols and layer thick ness on the physical and mechanica lproperties of additive manufactured titanium porousbio-structures)》一文概述了其近的研究。該研究為制造商更好地控制3D打印醫(yī)療植入物的機(jī)械和物理完整性帶來了希望。
　　
　　研究團(tuán)隊指出，無菌性松動，即植入物和骨頭之間的連接不緊密，常常導(dǎo)致病人在關(guān)節(jié)置換手術(shù)后再次進(jìn)行手術(shù)。松動通常是由應(yīng)力遮擋造成了，因?yàn)閼?yīng)力遮擋使得骨頭缺乏密度，而植入物有時能造成骨頭功能的削弱。因此，很明顯，骨植入物的創(chuàng)造是一個嚴(yán)肅同時必然涉及復(fù)雜性和精密度的工藝。
　　
　　鈦金屬因其強(qiáng)度和可靠性在許多應(yīng)用中很受歡迎，而它在醫(yī)療植入物中被使用則是因其良好的生物相容性。作為一種植入物材料，它提供了比其他材料更高的耐腐蝕性，因?yàn)樗鼤谥踩胛锏谋砻嫘纬梢粋€保護(hù)性的氧化層。為了減少潛在的應(yīng)力屏蔽問題以及利用鈦金屬提供的其他好處，研究人員認(rèn)為鈦泡沫結(jié)構(gòu)是好的選擇，因?yàn)檫@樣的結(jié)構(gòu)允許適當(dāng)?shù)挠捕群椭亓俊?br />　　
　　“我們已經(jīng)多次嘗試采用鈦金屬泡沫結(jié)構(gòu)來模擬皮質(zhì)骨的性能。”研究人員說。
　　
　　研究人員做了幾項不同的研究，他們通過改變粉末顆粒大小、燒結(jié)溫度、粉末壓實(shí)水平這三個變量來操控孔隙率和機(jī)械性能。
　　
　　“結(jié)果表明，孔隙率的減少與楊氏模量的線性增加相關(guān)。在相同的燒結(jié)溫度下，粉末顆粒的大小和壓實(shí)水平的改變能很大程度地影響孔隙率。然而，單純改變燒結(jié)溫度并沒有引起孔隙率的顯著變化。得出的結(jié)論是影響孔隙率的關(guān)鍵因素是初的粉末大小和粉末壓實(shí)水平。”研究人員在他們的論文中說。
　　
　　研究人員研究了在3D打印過程中層厚如何影響粉末壓實(shí)以及溫度變化如何影響植入物與骨頭的連接，其目的是杜絕植入物松動、炎癥等問題。
　　
　　“論文中，我們研發(fā)了一個模型來預(yù)測打印零件的密度，借此我們可以計算出打印零件所能提供的剛度和強(qiáng)度。”滑鐵盧大學(xué)機(jī)械和機(jī)電工程系博士兼AhmadA.Basalah說，“因此，我們可以通過打印材料來優(yōu)化打印零件。”
　　
　　在這項研究中，研究人員使用直徑在38–45微米之間的鈦金屬粉末來3D打印樣品，其使用的打印機(jī)為3DSystems的ZPrinter310Plus。他們打印了四種不同類型的層厚來檢查粉末壓實(shí)，燒結(jié)溫度分別被設(shè)定為800°C、1000°C、1200°C、1400°C。
　　
　　研究人員報告說，樣品在燒結(jié)過程結(jié)束時被爐冷卻。他們還提供了其他研究內(nèi)容，包括孔隙率的研究、壓縮試驗(yàn)、收縮率的測量、微觀表征和統(tǒng)計分析。
　　
　　他們的測試結(jié)果表明，隨著燒結(jié)溫度增加，層厚會直接影響孔隙率。“在高燒結(jié)溫度（1400°C）下，層厚的降低導(dǎo)致孔隙率顯著下降。而在其他燒結(jié)溫度下，孔隙率僅會相對下降。”研究人員說。
　　
　　研究團(tuán)隊報告說，當(dāng)燒結(jié)溫度升高時，樣品的平均抗屈強(qiáng)度顯著增加（P＜0.05）。他們看到，當(dāng)溫度為1000°C、1200°C、1400°C時，抗屈強(qiáng)度的增長十分明顯，但當(dāng)溫度為800°C時，增長并不明顯。
　　
　　溫度的增長導(dǎo)致收縮率的增加。“此外，據(jù)一個雙向方差統(tǒng)計測試顯示，燒結(jié)溫度和粉末壓實(shí)之間的相互作用顯著地從兩個方向上增加了收縮率（P＜0.05）。”研究人員說。
　　
　　總之，他們發(fā)現(xiàn)，粉末的壓實(shí)同層厚一樣影響了孔隙率、強(qiáng)度、剛度和鈦金屬多孔3D打印結(jié)構(gòu)的尺寸偏差。
　　
　　結(jié)合燒結(jié)溫度，研究人員觀察到兩個參數(shù)直接物理性地和機(jī)械性地影響3D打印零件的打印結(jié)果。粉末壓實(shí)和溫度能夠影響燒結(jié)頸的大小和其結(jié)構(gòu)中的“孔隙體積”。
　　
　　“此外，回歸分析表明，孔隙模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間有一個很好的擬合。”研究人員總結(jié)說。
　　
　　在這項研究中，研究人員所構(gòu)建的模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的，這對3D打印植入物的繼續(xù)使用和用來模擬皮質(zhì)骨性質(zhì)的鈦金屬泡沫結(jié)構(gòu)來說是一個好兆頭。