中国激光, 2020, 47 (11): 1100001, 网络出版: 2020-11-02   

激光粉末床熔融制备金属骨植入物 下载: 1442次

Laser Powder Bed Fusion for Fabrication of Metal Orthopedic Implants
作者单位
1 清华大学摩擦学国家重点实验室, 北京100084
2 清华大学机械工程系, 北京 100084
3 北京大学工学院材料科学与工程系, 北京 100871
4 北京大学第三医院骨科, 北京 100191
图 & 表

图 1. 采用GA法制备的金属粉末的SEM图像。(a) Ti6Al4V合金[22];(b) CoCrMo合金[23];(c) 316L不锈钢[24]

Fig. 1. SEM images showing metal powers prepared by gas atomization method. (a) Ti6Al4V alloy[22]; (b) CoCrMo alloy[23]; (c) 316L stainless steel[24]

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图 2. L-PBF制造的骨科植入物。(a) Ti6Al4V髋臼杯[25];(b)钽膝关节植入物[26];(c) WE43颌骨植入物[27];(d)纯锌髋关节植入物[29]

Fig. 2. Orthopedics implants manufactured by L-PBF. (a) Ti6Al4V acetabular cup[25]; (b) tantalum knee joint implant[26]; (c) WE43 jaw implant[27]; (d) pure zinc hip joint implant[29]

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图 3. 激光能量输入对致密度的影响[37-45]

Fig. 3. Influence of laser energy input on densification[37-45]

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图 4. 医用金属激光增材制造成形件的拉伸性能[20-21,51-67]

Fig. 4. Tensile properties of medical metals manufactured by L-PBF[20-21,51-67]

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图 5. L-PBF制备的金属骨科植入物[15]

Fig. 5. Metal orthopedic implants manufactured by L-PBF[15]

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表 1常见医用金属的热物性参数[36]

Table1. Thermal physical parameters of common medical metals[36]

ParameterValue
ZnMgFeTiTa
Crystal structurehcphcpbcc/fcchcp/bccbcc
Density (20 ℃) /(g·cm-3)7.141.747.8744.516.65
Melt point (at 101325 Pa) /℃419.5650153816602996
Boil point (at 101325 Pa) /℃9071091286232875425
Heat conductivity (20 ℃) /(W·m-1·K-1)11315880
Heat capacity (20 ℃) /(J·kg-1·K-1)3821360444
Surface tension (melting) /(mN·m-1)782559183515882150
Viscosity (melting) /(mPa·s)3.851.256.934.54
OxidationLowHighLowMidMid

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表 2L-PBF制造的不可降解金属力学性能

Table2. Mechanical properties of non-biodegradable metals built by L-PBF

MaterialDensification /%Tensilestrength /MPaElongation /%Hardness /HVElasticitymodulus /GPaReference
CP-Ti99.575719.5224105[56]
Ti6Al4V99.4117011364120[54]
Ti-25Nb9974819.926483.5[57]
Ti30Nb5Ta3Zr99.268015.327959.5[55]
316LSS99.558441.9225167[58]
Co28Cr6Mo99107014.3570-[56]
Co29Cr9W3Cu99103812.5571-[57]
Ta99.631030120185[83]

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表 3不同方法制造的可降解镁合金和锌合金的晶粒尺寸和力学性能

Table3. Grain size and mechanical properties of biodegradable Zn and Mg-based alloys manufactured by different methods

ProcessMaterialDensity /%Grain size /μmTensile strength /MPaElongation /%
WE43[76]99.81.130812.2
L-PBFPure Zn[74]99.95.613410.4
Pure Zn[20]97.4-61.31.7
Zn-2WE43[21]99.922991.8
WE43[76]-1.330722.4
ExtrusionPure Zn[106]-201007.5
Pure Zn[69]-<1016739
Zn-0.8Mg[69]-<1038010
CastingWE43[76]-44.31894.4
Pure Zn[107]--180.32

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尹浜兆, 秦瑜, 温鹏, 郑玉峰, 田耘. 激光粉末床熔融制备金属骨植入物[J]. 中国激光, 2020, 47(11): 1100001. Yin Bangzhao, Qin Yu, Wen Peng, Zheng Yufeng, Tian Yun. Laser Powder Bed Fusion for Fabrication of Metal Orthopedic Implants[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(11): 1100001.

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