钛合金SLM与线切割液压成型接骨板的工艺及性能比较研究

茅宁 王志亮 高成冲 田宗军 沈理达 石碧

摘要：为了对钛合金SLM工艺的接骨板进行性能验证，将其与传统机加工即线切割液压成型的接骨板进行比较，从材料特性、工艺时长、疲劳性能等多角度比较研究。结果表明，相比于线切割液压成型方式生产的接骨板，SLM技术生产的钛合金接骨板在各种特性上与线切割液压成型工艺相当，工艺复杂度低、时长较少，均能满足国家对于接骨板的标准要求。

关键词：SLM；接骨板；工藝

引言

增材制造技术，也俗称“3D打印”，是20世纪80年代发展起来的先进制造技术。增材制造技术是将零件的三维模型沿某一方向离散成一系列二维切片，再将二维切片转化成加工轨迹，然后把加工轨迹转换成数控代码输入到加工设备中，执行机构按照数控代码进行逐层加工，最终制造出实体零件[1]。选区激光熔化技术（Selecitve Laser Melting，SLM）是金属增材制造中的一种最常见的工艺。经过近四十年的发展，增材制造技术已经广泛应用于航空航天、汽车生产、医疗健康等领域 [2]。

虽然3D打印技术已经在医疗领域得到小范围的应用，但是使用3D打印技术生产的植入物的基础研究还需要深入开展，本研究选取骨科器械中常见的8孔直型普通固定接骨板，将3D打印产品与传统机加工（电火花线切割与液压成型）产品进行比较，研究SLM在实际工厂生产中的工艺效率与机械性能方面是否较传统机加工方式更有优势，为3D打印工艺适用于实际生产提供了充足的证据[3-4]。

1 材料及试验方法

1.1实验设备

SLM是以激光为能量源，通过聚焦后的激光束逐点熔化金属粉末而后凝固成形，由点到线、由线到面、再由面到体建造三维零件实体。本文所使用的SLM技术设备部件包含激光器、振镜、刮板、成型缸等部分。选用经过调试的参数进行打印，即激光功率280W，激光扫描速度1200mm/s，条宽5mm，搭接距离0.14mm。

线切割全称电火花线切割技术（Wire Electrical Discharge Machining Technology，WEDM），属于电加工范畴，是使用电火花的瞬时高温使局部金属熔化、氧化而被腐蚀掉的一种技术。液压成型（Hydroforming）是指利用液体或模具使工件成型的一种塑形加工技术。这两种技术已被广泛应用于我国医疗器械生产中，尤其是在批量生产接骨板时，极大的提高了生产效率。

1.2实验材料

对于SLM加工方式，本研究采用电极感应气雾法生产的球形TC4合金粉末，粒径一般为30μm～55μm，基底采用TC4钛合金板材，基板大小为250 250mm。对于线切割液压成型加工方式，使用的钛合金板材宽10.8 mm，厚3mm。两种材料都使用FOUNDRY-MASTER pro型分析仪进行化学成分分析，化学成分分析见表1。

1.3试验方法

参考苏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产工艺，经初步验证，确定SLM、去支撑、热处理、抛光、去毛刺这四个步骤，即可完成接骨板的外形加工，而对于传统加工方式，需要线切割外形、液压成型、铣孔、倒角、抛光、去毛刺等步骤。

对生产后的试样进行检测，首先按照下图1所示的图纸关键尺寸对部分样件进行尺寸检验，使用的测量仪器为带表卡尺，测量精度为0.02mm，详细测量每组接骨板的厚度、宽度、孔径三个关键参数。

对于表面粗糙度，两种加工方式各选取一件无明显碰伤痕迹的试样，使用SENSOFAR Slynx非接触式3D光学轮廓仪对其表面进行3D光学检测。疲劳试验是一种主要用于测定金属及其合金材料在室温状态下的拉伸、压缩或拉、压交变负荷的疲劳性能试验。压缩疲劳性能对比研究的目的是模拟桡骨骨折最初三个月愈合过程中情况，对比两种加工方式的接骨板轴向压缩疲劳性能。

3 实验结果与讨论

3.1 有关工艺时长的分析

两组测试产品的生产工艺已在上文中详述。主要的有差异步骤在于SLM与热处理对比电火花线切割与液压成型，主要考量两组测试产品在加工生产过程中的工艺复杂度、加工时长与流转时间等问题。使用SLM技术可以减少加工中的一些流程，因流转时间难以统计且热处理可以大批量同时处理，因此此处没有做定量的分析。在与企业实际生产人员交流后，了解到在生产过程中，加工时间在所有工序中所占的比例很低，在所有加工工序中，占用时间最多的是流转等待时间，因此缩短工艺长度、减少工序数量在企业的实际生产中能够提升企业生产效率。当然SLM技术在大批量生产中没有绝对的时间优势，但是在单件小批量的使用场景下，省去了开模、调试等步骤的选区激光熔化技术具有绝对的优势。

3.2 有关尺寸精度的分析

两种工艺生产的8孔直型接骨板，每种工艺选取3件，分别测量三个关键尺寸，即厚度、宽度、孔径，发现使用SLM技术和传统机加工工艺生产的直型接骨板的关键尺寸均满足图纸要求。分析使用3D打印工艺可能产生的零件误差的原因：一是数据处理，因一般的3D打印设备处理的都是STL即三角面片文件，对精度做出了一些让步，导致误差的产生；二是分层打印，需要在打印中进行分层，在分层较粗时，在表面就有可能产生“台阶纹”影响精度。

3.3 有关表面粗糙度的分析

使用非接触式3D光学轮廓仪对两组表面进行检测，得到了如下图2中的两个图像。通过这些放大100倍的图像可以看出，SLM接骨板的表面与传统机加工处理的表面还是存在较大差异的。传统工艺加工处理的表面纹路清晰且整齐，而SLM工艺生产的接骨板表面纹路杂乱无章，SLM产品的表面有较多的凹坑，根据粉末熔化堆积的原理，这些凹坑可能来源于粘接在表面的粉末，脱落后产生的痕迹。虽然表面形貌有差别，但是两者在使用上不存在差别，且均满足设计要求。

3.4 有关压缩疲劳的分析

SLM工艺和传统机加工生产的接骨板的压缩疲劳测试结果如下图3所示。通过图像可以看出，SLM生产的接骨板在压缩疲劳测试中劣于传统机加工的接骨板，主要表现为随机性，猜想可能与接骨板内部的微裂纹有关。虽然SLM生产的接骨板在数据上称相处较大随机性，但是依然能够满足医疗植入物的国家标准。

4 结论

本文使用SLM工艺对8孔直型普通固定接骨板制定了工艺并进行生产，与传统的加工工艺进行对比，对比两组接骨板的化学性能、几何尺寸、疲劳性能等项目。结果显示，两种工艺加工的接骨板没有明显差异。SLM加工的接骨板表面粗糙度数值上与传统机加工生产的接骨板相当，但在放大100倍的图像中能够看到较明显的缺陷；SLM加工的接骨板疲劳性能在数值上呈现较大的随机性。虽然两种加工方式生产的接骨板力学性能略有不同，但是两种加工方式生产的产品均满足国家标准，因此认为SLM工艺可以应用于植入体的生产。

参考文献

[1] 卢秉恒，李涤尘. 增材制造（3D打印）技术发展[J]. 机械制造与自动化，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] 北医三院完成世界首例3D打印枢椎椎体置换手术[J]. 中国信息界（e医疗），2014（9）：14-14.

[4] 王燎，戴尅戎. 骨科个体化治疗与3D打印技术[J]. 医用生物力学，2014，29（3）.

（作者单位：1、南京工程学院研究生处；2、南京工程学院机械工程学院；3、南京航空航天大学机电学院；4、苏州市康力骨科器械有限公司）