钴基硬组织修复体激光选区熔化可控成形机理研究

Nowdays, the immaturity of Additive Manufacturing(AM) product standards and clinical application of personalized hard tissue prostheses, as well as the existing improper design method, theory and tool, cannot ensure the advantages of Selective Laser Melting(SLM). This project which is based on the SLM process optimization of cobalt-based biomaterials and structural design optimization of personalized hard tissue prostheses, is aim at establishing an efficient controllable manufacturing system theory for personalized hard tissue prosthesis of SLM under the coupling constraints of SLM equipment, metal biomaterials, process, geometric accuracy, and physical properties. In order to achieve the innovative development of hard tissue prostheses driven by the combination of AM and personalized design, such as dental fixed crown/bridge, denture framework and artificial joint etc., the project content is based on the fortify of the integrated process design and adjustment of cobalt-based alloy for SLM microstructure and performance, besides, in response to the needs of SLM process and bionic function of hard tissue prostheses, through the multi-level structures such as microstructural morphology, micro-pore structure, macro-porous structure and macro-geometric contour, the controllable integration of the structure and function of personalized hard tissue prostheses will be realized.

目前个性化定制硬组织修复体增材制造产品标准与临床应用示范不成熟，且现有的个性化硬组织修复体设计方法、理论、工具都无法支撑激光选区熔化增材制造的优势。本项目通过钴基生物兼容材料激光选区熔化增材制造工艺调控优化和个性化硬组织修复体结构设计优化的研究，建立激光选区熔化增材装备、材料、工艺、精度、性能关联约束条件下个性化硬组织修复体激光选区熔化高效可控成形理论体系。为了实现SLM与个性化设计协同驱动牙固定冠桥、义齿支架、人工关节等硬组织修复体创新发展，研究内容立足强化钴基合金激光选区熔化组织、性能一体化工艺调控，同时针对SLM成形工艺及硬组织修复体功能仿生需求，通过微观表面形貌、微观孔隙结构、宏观多孔结构、宏观几何轮廓等多级结构实现个性化硬组织修复体结构与功能的可控一体化。

本项目以钴铬合金应用为导向，研究其基础内容，在成型工艺方面，对SLM成型中的关键问题进行分析研究，在此基础上对CoCrMo 合金进行工艺优化，选取激光功率、扫描速度、扫描间距三个重要因素进行实验分析。观察 SLM 成型CoCrMo 合金的显微组织并测试相关成分，成型件在常温下主要存在一种相，显微组织致密，熔道特征明显。成型后样件的元素含量变化较小，符合 ASTMF75 标准要求。.在成型质量方面，通过优化的工艺参数成型CoCr Mo合金样件，从成型样件的表面精度、尺寸精度及缺陷检测等多个方面进行研究。SLM 成型 CoCrMo 合金的表面粗糙度约为20μm，且可以通过不同的后处理工艺进行改善。由于受成型机理的影响，实际中成型尺寸和形状会产生误差，但误差偏移率均在 1%以下。通过探伤检测发现成型件表面及内部无裂纹、夹杂等缺陷，成型质量要优于铸造件。. 在成型性能方面，对成型件的机械性能、耐腐蚀性能、残余应力等多个方面进行实验测试，全面地分析SLM成型CoCrMo合金的性能。可以得到，SLM直接成型CoCrMo合金的强度和耐腐蚀性均优于铸造件，但韧性较差，成型中存在应力分布不均的现象。在此基础上，对CoCrMo合金的相图进行分析探讨，制定合理的热处理实验方案，通过不同的热处理条件改善SLM成型CoCrMo合金的性能，保证成型件的综合性能满足ASTMF75标准要求。