EOS金屬3D打印研究報(bào)告: 骨小梁結(jié)構(gòu)的性能分析

來源：eos

骨小梁是一種用于促進(jìn)骨生長的網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，圖1所示其常見特征。增材制造技術(shù)在實(shí)現(xiàn)這種骨小梁結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)上有著天然的優(yōu)勢(shì)。自2007年以來，增材制造技術(shù)就被用于制造具有這些互連互通的多孔植入物。然而，目前用于評(píng)估多孔結(jié)構(gòu)的監(jiān)管指南和標(biāo)準(zhǔn)都是基于燒結(jié)和等離子噴涂工藝的。缺乏針對(duì)增材制造工藝的標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法可能驗(yàn)證不了機(jī)器工藝參數(shù)對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的影響。本研究的目的是評(píng)估工藝參數(shù)變化時(shí)對(duì)測試零件尺寸精度的影響（圖2），以及在批量生產(chǎn)情況下測試件力學(xué)性能的可重復(fù)性。

圖1  - 使用DMLS®工藝加工的多孔髖臼杯測試樣（意大利Permedica）

測試方法
測試件制備采用的是優(yōu)化60μm層厚參數(shù)，性能測試基于ISO13314標(biāo)準(zhǔn)。首先根據(jù)增材制造原則預(yù)先選擇幾何結(jié)構(gòu)，使用nTopology®（紐約）進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到的voronoi類型的結(jié)構(gòu)（圖2）。最終結(jié)構(gòu)是隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率為62.5％，短棒直徑350微米，平均孔徑600微米。

圖2  - 壓縮測試試樣

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）以找到合適的多孔結(jié)構(gòu)曝光參數(shù)。圖3是通過改變激光功率和掃描速度來完成的。評(píng)估了參數(shù)的變化及其對(duì)零件質(zhì)量的影響，并根據(jù)測試件要求選擇最終參數(shù)。 經(jīng)優(yōu)化的零件孔隙率為71％，平均直徑為330微米，平均孔徑為750微米。 由于試樣是完全多孔結(jié)構(gòu)的，因此使用阿基米德原理測量其密度，得到99.7％的平均相對(duì)密度。

圖3  - 工藝參數(shù)對(duì)X和Y與Z方向厚度的影響

該DoE的結(jié)果驗(yàn)證了文獻(xiàn)中的理論，即激光功率對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的影響最大，尤其是Z方向的支撐厚度（圖4）。 Z方向激光功率的增長導(dǎo)致孔隙偏差和橢圓形結(jié)構(gòu)。 密度的一致性證明了工藝穩(wěn)定性，多孔結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)可進(jìn)一步影響零件尺寸。

圖4  - 激光功率對(duì)厚度（Z方向）的影響

下一步，在DMLS®機(jī)器上制備了三個(gè)相同的打印任務(wù)（EOS M 290 EOS GmbH，Krailling，Germany，圖5）。 每個(gè)打印任務(wù)由64個(gè)完全多孔的圓柱形部件組成，這些零件分布在平臺(tái)16個(gè)位置，并根據(jù)區(qū)域之間和區(qū)域內(nèi)部的變化進(jìn)行評(píng)估。使用Ti-6Al-4V ELI材料（EOS Titanium Ti64ELI，EOS Oy，Turku，F(xiàn)inland）總共打印192個(gè)試樣。 使用壓縮空氣然后超聲波進(jìn)行清潔。打印完成的測試件中，對(duì)128個(gè)測試件使用阿基米德原理進(jìn)行非破壞性測試，對(duì)96個(gè)測試件通過壓縮測試（ISO 13314）進(jìn)行破壞性測試，剩余32個(gè)進(jìn)行橫切，嵌入和后處理以進(jìn)行體視評(píng)估。

圖5  - EOS M 290基板上多孔測試件的位置

測試結(jié)果
測試過程能力可獲得過程的穩(wěn)定性以及它與規(guī)格參數(shù)限制的接近程度。將圖6中顯示的相對(duì)密度，最大抗壓強(qiáng)度和彈性模量的結(jié)果分別繪制在過程能力報(bào)告中，其相應(yīng)的規(guī)格限制來自于批量生產(chǎn)情景的最小過程能力指數(shù)1.33。雖然這不可以評(píng)估過程中心性（Ppk），但可評(píng)估正態(tài)性，范圍和過程能力。測試的多孔結(jié)構(gòu)件超過最小過程能力要求。在此階段，將新過程指數(shù)定為1.67。與目前99.99％工藝產(chǎn)率的結(jié)果相比，生產(chǎn)工藝的持續(xù)改進(jìn)可以產(chǎn)生更好的結(jié)果，并且可達(dá)到百萬零件中63個(gè)偏離。應(yīng)該注意的是，DMLS®工藝中建造的128個(gè)零件的孔隙率變化僅占絕對(duì)值變化的1.76％，而傳統(tǒng)的發(fā)泡制造工藝預(yù)計(jì)會(huì)有高達(dá)10％的變化。

圖6  - 左上角：用于打印多孔測試件的EOS M290        

右上方：多孔結(jié)構(gòu)相對(duì)密度的過程能力分析

左下方：測試件的最大抗壓強(qiáng)度[MPa]能力分析            

右下方：測試件的彈性模量[MPa]能力分析

意義/臨床相關(guān)性
隨著越來越多基于激光3D打印的多孔應(yīng)用引入醫(yī)療領(lǐng)域，了解AM設(shè)備工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品力學(xué)性能的影響以及它們?cè)谂可a(chǎn)中的表現(xiàn)是十分重要的。我們的愿景是增材制造不僅可用于替換植入物表面的涂層，并且可以用于植入物的承力結(jié)構(gòu)。

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