3D打印钛合金漏斗胸矫形板的制备及性能研究

刘忠明 张阳 李静 吴捷欣 张晓峰

【摘 要】采用3D打印快速成型技术制备钛合金漏斗胸矫形板，并研究其性能为应用3D打印技术制备个性化漏斗胸矫形板提供依据。在计算机上建立漏斗胸矫形板模型，应用3D打印激光快速成型技术制备钛合金漏斗胸矫形板，通过扫描电镜（SEM）观察矫形板表面形貌，采用着色渗透法检验矫形板表面缺陷，采用万能材料试验机和维氏硬度计检测矫形板的力学性能。结果表明：3D打印钛合金漏斗胸矫形板表面呈道状线条结构，表面无孔洞、裂纹等缺陷，矫形板拉伸强度和屈服强度分别为1015.0MPa和919.0MPa，延伸率为11.2%，维氏硬度326.0HV5。

【关键词】3D打印;激光快速成型;漏斗胸矫形板;钛合金;力学性能

中图分类号： R783.6 文献标识码： A文章编号： 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，是最常见的先天性胸廓畸形[1]。微创漏斗胸矫形术是目前主要的手术方式，即将漏斗胸矫形板植入患者体内，通过矫形板支撑起患者凹陷的胸骨，以达到治疗漏斗胸患者的目的[2]，传统漏斗胸矫形板大部分为直条形状，术前需要医生手动弯曲矫正，植入后无法准确贴合病人的自身形态，会造成移位率高、手术效果不佳和治疗时间长等问题，因而该医疗器械仍存在很大的改进之处。

以数字化、网络化、个性化和定制化为特点的3D打印技术是新制造技术的代表，其使胸外科实现个性化植入成为可能。激光快速成型技术作为金属3D打印技术的一种，可以直接将3D计算机辅助设计（3D CAD）转化为实物，获得几乎任意形状的高精度金属零件[3]，因此可以根据不同漏斗胸患者的CT数据，打印出贴合患者胸廓的个性化矫形板，不仅有利提高漏斗胸手术的稳定性和临床成功率，还可以缩短疗程，降低治疗成本。本文通过3D打印激光快速成型技术制备漏斗胸矫形板，并测试其机械性能，以期获得性能优良且贴合患者胸廓的矫形板。

1 材料与方法

1.1 试验材料和设备

实验原材料：TC4（Ti-6Al-4V）钛合金粉，粉体粒度20～53μm，化学成分（质量分数，%）为：5.5～6.5Al，3.5～4.5V，0.062O，0.0012H，0.012N，0.011C，0.14Fe，其余为Ti。实验设备：BLT-S310选择性激光熔融3D打印机，SG-SJ1700真空退火炉，Zwick/Roell Z250材料拉伸试验机，HV-5维氏硬度计，JSM-6480扫描电子显微镜。

1.2 矫形板的制备方法

根据漏斗胸病人的胸部CT图像，利用Mimics和Solidworks等三维软件重建胸骨架3D模型，参考具有相近胸廓尺寸的正常人胸廓模型设计矫形板的3D模型，最后在BLT-S310选择性激光熔化3D打印机上完成矫形板样品。3D打印工艺参数：激光功率400W，扫描速度1200mm/s，铺钛粉的层厚0.06mm，经过逐层熔结叠加完成打印，冷却，全程氩气保护，真空退火处理，退火温度800℃，时间4h，风冷。拉伸试样从矫形板上切取，拉伸试样：原始标距长度50mm，平行段长度60mm，宽12.5mm，厚3mm。

1.3 检测内容和方法

扫描电子显微镜观察矫形板表面形貌;用着色渗透法检验矫形板表面缺陷;维氏硬度计测定矫形板硬度，载荷5kg，加载时间10s，每个样品随机测6个点;材料万能试验机测试拉伸样的力学性能，加载速度为1mm/min。

2 试验结果及讨论

2.1 3D打印钛合金矫形板

选择性激光熔融3D打印机打印出的矫形板如图1所示。

2.2 3D打印钛合金矫形板表面形貌

3D打印矫形板SEM表面形貌如图2所示，矫形板的表面未经处理，其表面主要呈道状线条结构，这些线条与打印过程中熔池的变化有关。3D打印过程中，高能激光束对金属粉末进行扫描时，起始位置受到了持续的加热作用迅速熔化，形成一个倒驼峰状的熔池，因加热时间非常短，所以形成的熔池较小，随着高能激光束的移动，熔池也跟随移动，同时，熔池的深度、宽度都在不断增大，逐渐趋于稳定，熔池前沿的形状不变，由于传热和散热作用，熔池后沿变浅变窄[4]，进而形成了一条一条平行于扫描方向的“道”。

2.3 3D打印钛合金矫形板的硬度

维氏硬度计检测矫形板表面硬度，3D打印钛合金矫形板的维氏硬度范围320.0～335.0HV5，平均值为326.0HV5，见图4所示。

2.4 3D打印钛合金矫形板的力学性能

3D打印钛合金矫形板拉伸试件的拉伸强度为1015.0MPa，屈服强度为919.0MPa，延伸率为11.2%，本实验条件下制备的3D打印钛合金矫形板力学性能符合GB/T 13810-2017标准中TC4钛合金材料的力学性能要求。

3 讨论

3D打印技术是目前先进制造技术的重要发展方向，是在计算机中将3D CAD模型分成若干层，通过3D打印设备在一个平面上按照3D CAD层图形，将塑料、金属甚至生物组织活性细胞等材料烧结或黏合在一起，然后再一层一层地叠加起来。通过每一层不同图形的累积，最后形成一个三维物体[5]。3D打印金属快速成型技术可以直接获得几乎任意形态、具有完全冶金结合和高精度的近乎致密金属零件，因此可以制备具有复杂结构、良好生物相容性的植入体，能广泛应用于医疗领域。3D打印技术的出现使漏斗胸临床实现个性化植入成为可能，与传统漏斗胸钢板比较，3D打印漏斗胸矫形板具有以下优点：（1）贴合病人实际需求，手术效果更好;（2）更易解决医生临床问题，节省手术时间，减轻患者痛苦;（3）个性化定制，对于重度漏斗胸有更好的治疗效果，治疗重度漏斗胸只需一根矫形板，节省费用。

本实验中根据漏斗胸病人的CT数据设计了矫形板模型，通过3D打印技术完成漏斗胸矫形板的快速成型，并对其表面和力学性能进行了研究，结果表明：矫形板表面无明显缺陷，其表面微观结构为道状线条式结构，这些线条与打印过程中熔池的变化有关，矫形板维氏硬度较高，常温力学性能符合GB/T 13810-2017标准，具有良好的力学性能，可满足临床应用。

【参考文献】

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

[2]曾骐，彭芸，贺延儒，等. NUSS手术治疗小儿漏斗胸[J]. 中华胸心血管外科杂志，2004，20（4）：223-225.

[3]楊永强，刘洋，宋长辉. 金属零件3D打印技术现状及研究进展[J]. 机电工程技术，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.