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为获得具备良好力学性能和生物相容性的多孔植入体,需对激光选区熔化(SLM)成型CoCrMo 多孔结构进行性能分析。在电子万能试验机上沿零件加工的纵向进行压缩试验,应用分形插值理论分析相关参数对其压缩性能的影响。试验结果表明:变形主要以滑移为主;弹性模量和抗压强度随着孔隙率和平均孔径的增大而减小,随表面积体积比的增大而增大。正八面体和正六面体多孔结构孔隙率为55%~84%,平均孔径为0.51~0.99 mm,表面积体积比为2~4.2时,弹性模量都能满足要求。正八面体圆柱形多孔结构的性能比方形结构更加优越,正六面体方形结构的性能比圆柱形结构更好,为激光选区熔化成型多孔CoCrMo合金结构医学植入体的研制提供重要依据。
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第 42 卷 第 11 期
2015 年 11 月
Vol. 42, No. 11
November, 2015
中 国 激 光
CHINESE JOURNAL OF LASERS
1103003-
激光选区熔化成型 CoCrMo 多孔结构的
设计与性能研究
张国庆
1
杨永强
1
宋长辉
2
王赟达
1
余家阔
2
1
华南理工大学机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640
2
北京大学第三医院运动医学研究所, 北京 100083
摘要 为获得具备良好力学性能和生 物相容性的 多孔植入体 ,需对激光选区熔化(SLM)成 型 CoCrMo 多孔结 构进行
性能分析。在电子万能试验机上沿零件加工的纵向进行压缩试验,应用分形插值理论分析相关参数对其压缩性能
的影响。试验结果表明:变形主要以滑移为主;弹性模量和抗压强度随着孔隙率和平均孔径的增 大而减小,随表面
积体积比 的增大而增大 。正八面体和正六面体多孔结构孔隙率 为 55%~84%,平均孔 径为 0.51~0.99 mm,表面积体
积比为 2~4.2 时,弹性模量都能满足要求。正八面体圆柱形多孔结构的性能比方形结构更加优越,正六面体方形结
构的性能比圆柱形结构更好,为激光选区熔化成型多孔 CoCrMo 合金结构医学植入体的研制提供重要依据。
关键词 激光光学; 激光选区熔化; CoCrMo 合金; 分形插值; 孔隙率; 平均孔径; 表面积体积比
中图分类号 TB301;TB303 文献标识码 A
doi: 10.3788/CJL201542.1103003
Study on Design and Properties of Porous CoCrMo Alloy Structure
Manufactured by Selective Laser Melting
Zhang Guoqing
1
Yang Yongqiang
1
Song Changhui
2
Wang Yunda
1
Yu Jiakuo
2
1
School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology,
Guangzhou, Guangdong 510640, China
2
Institute of Sports Medicine, Peking University 3
rd
Hospital, Beijing 100083, China
Abstract To obtain porous medical implants with excellent mechanical properties and biocompatibility,
compression performance analysis of CoCrMo alloy parts manufactured by selective laser melting (SLM) is
performed. Compression experiments are conducted on the electronic universal testing machine along longitudinal
direction, in which the CoCrMo alloy parts are made and fractal interpolation theory is used to analyze the influence
caused by relevant parameters on compression performance. The experiment results show that the main deformation
is slippage. Both of the elastic modulus and the compressive strength decrease with increasing porosity and average
pore size, while decrease with the reduction of surface area to volume ratio. When the regular octahedral and regular
hexahedral porous structures are with porosity in the range of 55%~84%, average pore size of 0.51~0.99 mm, and
surface area to volume ratio from 2 to 4.2, the elastic modulus will meet the requirement. Regular octahedral
cylindrical porous structures have better performance than the square structures, but regular hexahedral square
porous structures have better performance than the cylindrical structures. The conclusions above provide important
basis for selective laser melting process of porous CoCrMo alloy structures used as medical implants.
Key words laser optics; selective laser melting; CoCrMo alloy; fractal interpolation; porosity; average pore di⁃
ameter; surface area to volume ratio
OCIS codes 140.3390; 170.1420; 350.3390
收稿日期: 2015-05-20; 收到修改稿日期: 2015-07-02
基 金 项 目: 国 家 自 然 科 学 基 金 仪 器 专 项 (81327001)、国 家 自 然 科 学 基 金 (51275179)、广 东 省 对 外 科 技 合 作 项 目
(2012B050100013)、北京市科技计划(Z131100005213004)
作者简介: 张国庆(1986—),男,博士研究生,主要从事激光选区熔化方面的研究。E-mail: zhangguoqing1202@sohu.com
导师简介: 杨永强(1961—),男,教授,博士生导师,主要从事激光加工方面的研究。
E-mail: meyqyang@scut.edu.cn(通信联系人)
1
中 国 激 光
1103003-
1 引 言
CoCrMo 合金因具有良好的生物相容性及优良的机械性能,已经在医学等领域得到了广泛应用
[1]
。可锻
造 的 CoCrMo 合 金在 牙 科 医 学 中 的 应 用 已 经 有 几 十 年 的历 史,并 于 20 世 纪 50 年 代 成 功 地 用 于 制 造 人 工 关
节
[2-4]
。为了获得更好的生物、力学性能,通常将植入体表面或全部模型设计成多孔结构
[5]
。抗压性能又是影
响其性能的关键因素,因此主要对多孔结构的抗压性能进行研究。
增材制造技术(AM)为这种多孔结构的制造提供了可行的手段
[6]
,激光选区熔化(SLM)是一种基于激光熔
化金属粉末的增材制造技术
[7]
。增材制造技术是通过专用软件对三维模型进行切片分层,获得截面数据,然
后导 入快速成型 设备,采 用材料逐层 累加的方法制造实体零件的技术。通过 逐层累加,几乎 可以完成任 意
几何形状零件的制造,具备加工单件、小批量、复杂几何结构、组织致密等优点
[5,8-9]
。
Gibson 和 Ashby 在研究多孔材料压缩性能方面做了大量的工作,建立了一个基于简单梁理论的结构力学
性能方程,估算多孔材料压缩性能的弹性模量和屈服强度
[10]
。Van der Burg 等
[11-12]
用 Voronoi 模型模拟泡沫材料
的微结构,研究了多孔材料的弹性模量和压缩性能,随着多孔结构不规则性的增加,材料的弹性模量、剪切模
量也增大,而体积模量减小。Yang 等
[13]
以 AlCu5Mn 合金为基体,制备出孔隙率为 45.8%~91.2%的试样,并进行
了静态压缩试验。郑明军等
[14]
和 Jiang 等
[15]
分别研究了多孔铝合金的压缩及能量吸收性能与孔结构的关系。Wang
等
[16]
研究了多孔钛孔隙率与抗压强度的关系,发现抗压强度与孔隙率变化基本呈线性关系。
本文通过华南理工大学自主研发的激光选区熔化成型设备 Dimetal-100 精确制造复杂的 CoCrMo 多孔结构。
2 零件的设计、加工和分析方法
2.1 零件的设计要求
医学植入体应具有较好的生物性能
[17- 21]
:1) 研究表明,适合骨细胞生长的最佳孔径范围为 100~1000 mm。
小于 100 mm 的孔径不支持毛细血管的生长和骨细胞的通过,孔径大于 1000 mm 会降低骨细胞生长率和实体
体积;2) 研究认为,孔与孔之间相互连通才可使细胞长入并迁移,才可使生长因子和营养物质等进入材料内
部。孔隙率达到 50%~90%能够模拟松质骨结构以利于新生骨长入。当多孔植入体的孔隙率增加时,骨细胞
的生 长速度和体积也会增加。考虑到多孔植入体 的力学性能要求 ,孔隙率范围也受到了限 制;3) 应具有较
大的表面积体积比,多孔植入体的表面积体积比越大,多孔植入体表面与骨接触面积越大,新长入骨受到的
机械刺激越大。
医学植入体的力学性能应满足以下要求
[22-23]
:1) 应具有足够的抗压强度和刚度,保证植入体内后不会发
生变形破坏;2) 多孔植入体的弹性模量应跟人体骨骼基本相当,避免发生应力遮挡;3) 为了提高多孔植入体
的抗冲击性能,应具有一定的能量吸收能力。表 1 为人体骨骼的相关力学性能参数。
表 1 人体骨骼力学性能
[22]
Table 1 Mechanical properties of human bones
Material
Femur
Tibia
Spareribs
Ulna
Experimental direction
Longitudinal
Longitudinal
Longitudinal
Longitudinal
Modulus of elasticity /GPa
17.2
18.1
18.6
18.0
Compressive strength /MPa
167
159
123
117
2.2 零件的设计过程
根据多孔植入体的力学性能和生物性能要求,依据 ISO13314 标准规定尺寸进行设计及相关测试性能分
析。 主要采用参 数化建模方 法来完成多孔结构的建模,通过调节输入参数来改变多孔 结构的孔隙 、平均孔
径、表面积体积比,从而获得优良的生物、力学性能。表 2~5 为测试的多孔结构相关参数。
设计的多孔结构在三维软件中进行处理,构造宽度或直径至少 10 倍于孔径
(W
0
≥ 10d
a
或
D
0
≥ 10d
a
)
、高
度 1~2 倍于宽度
(H
0
= W
0
~2W
0
)
或直径
(H
0
= D
0
~2D
0
)
的多孔结构。图 1 为设计试样尺寸要求。
2
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