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(xiàng)目的目的是在實(shí)際的植入物設(shè)計(jì)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(jì)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(xiàng)研究中，對 2 個(gè)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(shí)，經(jīng)驗(yàn)和服務(wù)，來實(shí)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(tái)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(diǎn)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(yàn)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(dòng)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(shí)可行，不會(huì)導(dǎo)致任何問題，消除了“試錯(cuò)”的打印策略需求。剛?cè)腴T、甚至經(jīng)驗(yàn)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(shí)，首次打印時(shí)都需要用“試錯(cuò)”策略。
運(yùn)行仿真模擬來檢查刮刀的碰撞問題，以驗(yàn)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(shí)間。

該軟件可通過對股骨柄進(jìn)行預(yù)變形，從而實(shí)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?yàn)樗鞘袌霰徽J(rèn)證過次數(shù)最多的工業(yè)級(jí)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(gè)缺陷都會(huì)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(dú)特要求，可能會(huì)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(dú)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(shí)，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(shí)。該熱等靜壓熱工藝與 EOS DMLS 工藝相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn) 10 ^ 7 次循環(huán)（N = 9）中 795 Mpa 的疲勞強(qiáng)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(shí)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(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)鍛件力學(xué)性能這一事實(shí)，是骨科增材制造領(lǐng)域的巨大飛躍。這一激動(dòng)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(gè)公司的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師來推進(jìn)AM與現(xiàn)實(shí)的界限。