激光选区烧结设备改进及人工胫骨垫片设计与制造研究

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1、激光选区烧结设备改进及人工胫骨垫片设计与制造研究第一章绪论1.1本课题的背景及意义快速成型技术是1980年后出现的一种新技术，与传统加工制造去除加工或者模压成型方法不同，快速成型属于增材制造，其基于离散堆积的思想，能够根据三维CAD模型将零件逐层打印出来。快速成型技术的原理决定了它能够成型任意复杂结构的零件，也可以对免组装机构进行直接打印成型。快速成型技术的特有的优势，使得其可以大大降低产品的研发时间，因而其应用遍及各个领域。激光选区烧结[5-8]是其中发展较为迅速的技术，它是一种以激光作为热源，有选择地将粉末一层层烧结成三维零件的工艺方法。在加工成型过

2、程中，粉末的预热均匀性以及铺粉效果是影响零件成型精度、强度的重要问题。特别是对于粘性较强的粉末材料，如超高分子量聚乙烯、聚丙烯等，对预热系统和铺粉系统提出更高的要求。目前，我国人口老龄化现象较为严重。其中，膝关节炎是老年人常患的疾病，给他们的活动带来很多不便。全膝置换手术（TKA）是近些年医疗膝关节炎最常见、最有效的方法，它可以非常有效地消除膝关节病痛，大大地提高患者的生活质量[9]。2011年我国进行了60560例全膝关节置换手术，据MillenniumResearchGroup公司权威报告显示，我国TKA手术的需求量在2022年将达到705002例。

3、全膝置换前后的膝关节如图1-1，通常需要对股骨与胫骨的关节面部分进行置换，以消除关节的疼痛[10]。如图1-2，全膝置换包括股骨髁假体、胫骨基座、髌骨以及胫骨垫片，本文只针对胫骨垫片的设计与SLS成型进行研究。1.2激光选区烧结SLS技术介绍图1-3为SLS技术的成型原理图，SLS以CO2激光器作为能量源，激光器发射的激光通过光路系统中的光束合成器（将激光束与指示光重合），再经反射镜反射到扩束聚焦镜得到聚焦的细小光斑，再经扫描振镜实现在成型缸成型板面的选择性扫描烧结。窗口镜将激光室与加工室隔离，避免扫描镜受污染。烧结完当前层后成型缸下降一个层厚，粉料缸上

4、升一个层厚，铺粉辊将粉料缸的粉铺平到成型缸上。激光器出光重复以上过程，直至零件加工完成。激光选区熔化（SLM）与激光选区烧结成型原理大体相同，其制造方法的加工步骤均为：成型缸降低一个层厚，粉缸上升一定高度（大于一个层厚），铺粉装置将料缸的粉末铺送到成型缸中，激光束按照该层轮廓对其进行扫描，重复以上过程直至加工完成。此外，两者均可以使用Magics进行切片处理及加载支撑。虽然SLS与SLM加工步骤基本相同，两者也存在很多的不同点，主要体现在以下几个方面：预热问题是SLS加工零件的一个很重要因素，在加工成型过程中，粉末的预热均匀与否是影响零件成型精度、强度的

5、核心问题之一。预热温度过低，容易引起烧结零件的翘曲变形。预热温度过高，粉末容易板结，不利于清粉，同时浪费粉末。SLM通过基板与支撑防止零件的翘曲变形，不需要考虑预热问题。第二章实验条件2.1设备本文对设备的改进、实验以及加工都是在北京隆源自动成型系统有限公司自主研发的AFS-360快速成型机上进行的，AFS-360主要由二氧化碳激光器、光路系统、控制系统、铺粉系统、加热系统等几部分组成。图2-1为AFS-360实物图。其中，激光器采用了全金属射频激励型结构二氧化碳激光器，具有效率高、寿命长等特点，最大输出功率50AGICS处理....805.5扫描路径的

6、生成....835.6SLS成型与机加工胫骨垫片......845.7匹配性验证.....885.8力学性能验证........895.9本章总结.........90第五章人工胫骨垫片假体的优化设计与制造5.1引言人工胫骨垫片假体的设计不仅需要机械的知识，还需结合医学、生物力学等学科知识，对全膝置换手术的了解是人工胫骨垫片设计的基础。骨性关节炎在中老年人中较为常见，由于膝关节是人体行走中重要的受力部位，给患者生活带来很多不便，全膝置换手术能够彻底解决这个问题。全膝置换手术是近些年医治骨性关节炎患者的最流行的方法，它能非常有效地解决患者的疼痛问题，极大地

7、提高病人的生活质量[72-73]。有数据研究表明，我国2022年TKA需求量将达到705002，是2012年需求量的9.3倍。如图5-1，全膝置换包括股骨髁假体、胫骨基座、髌骨以及胫骨垫片。全膝关节置换术的发展在国内有20多年历史，但目前国内各大医院使用的假体大多于国外，是以西方人胫骨股骨尺寸为基础设计的，对国人的匹配度存在一定差异，容易造成各种术后问题。本文将以国人股骨、胫骨CT扫描数据的基础上，对胫骨垫片分别进行正向、逆向设计，并对SLS成型进行研究。..结论本文对SLS实验条件、预热系统的改进、铺粉系统的改进、UHMWPE的工艺研究打下基础。(2)

8、改进SLS成型设备的预热系统。首先指出现有SLS成型机预热系统存在的不足，接着从