1 北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院，北京 100124
2 北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心，北京 100124
人体骨骼为层级结构，由密度、强度较高的密质骨和密度较低、内含血管的松质骨组成。因此，人体植入物的结构和力学性能要与人体骨骼特征相匹配。基于人体自然骨的受力情况，采用激光粉末床熔融（LPBF）技术成形了由拓扑优化方法设计的钛合金多孔结构，然后通过压缩实验和数值模拟的方法对多孔结构的力学性能和变形失效模式进行了分析，发现数值模拟与实验结果具有较高的一致性。最后，通过与人体自然骨的力学性能对比，并结合多孔结构的失效模式获得了可适用于人体植入物的多孔材料。
激光技术 激光粉末床熔融 拓扑优化 多孔结构 骨植入体 力学性能 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1714006
1 广东省技术经济研究发展中心, 广州 510070
2 广东省科学院 智能制造研究所, 广州 510070
从激光增材制造材料、工艺、装备、应用等方面分析了激光增材制造技术当前的研究热点以及相关的研究进展, 梳理了未来主要发展方向。材料和成型工艺方面的相关研究主要集中于轻质合金和高价值合金增材制造；从成型装备来看, 设备大型化、高速化、复合加工是未来的主要发展方向；而应用方面则主要面向高性能、高价值零部件的增材制造与生物植入体。总的来看, 高质量、高性能、高效率是未来激光增材制造研究的着重点。
激光技术 增材制造 轻质合金 人体植入体 复合加工 laser technique additive manufacturin lightweight alloys biological implants composite processing
北京工业大学北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心, 北京 100124
综述了近年来3D打印在骨科中的应用和研究的几个层次：3D打印出用于术前模拟手术的模型, 可以形象直观地制定手术方案, 省去手术中多余的步骤, 减少手术时间和风险, 减轻医生的劳动强度；3D打印出基于计算机辅助设计、实现精准化手术的医疗导板和量身定做的植入物, 利用医疗导板可保证手术位置、方向及角度的准确性, 并提高手术的安全性和可预见性；个性化3D打印植入物能更好地满足患者的需要, 但在进入临床前仍面临政策上的挑战。与国外技术相比较, 我国在骨科3D打印方面还存在一定差距, 通过分析指明了我国需要着重发展的技术和对策。最后, 对3D打印在骨科上的应用进行了展望。
激光技术 3D打印 骨科 植入体 激光与光电子学进展
2018, 55(1): 011412
1 无锡职业技术学院机械技术学院, 江苏 无锡 214121
2 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
激光透射连接异种生物相容性材料在生物医学植入体中具有良好的应用前景。本文采用振镜扫描激光连接系统进行了0.1 mm聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜与 0.1 mm 316L不锈钢薄板之间的激光透射连接试验。采用开环控制和闭环控制分析温度对连接质量的影响, 使用光学显微镜对接头形貌进行观测。开环控制得到了激光透射连接过程的工艺参数窗口, 并通过高温计分析出获得较好连接质量时的温度范围; 在开环控制得到温度基础上采用闭环控制, 所得的试验结果证明振镜扫描系统中闭环控制在激光透射连接过程中能得到更好的连接质量, 更具有优势。
激光透射连接 生物医学植入体 连接质量 开环控制 闭环控制 laser transmission joining biomedical implant joint quality open-loop control closed-loop control
激光透射连接工艺在生物医学植入体及其封装中具有良好的应用前景。使用半导体连续激光器进行了0.1 mm厚医用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜与0.1 mm厚薄钛板之间的激光透射连接实验,分别采用单工艺参数和双工艺参数进行全面实验对连接接头质量进行分析,并使用光学显微镜对不同工艺参数情况下的接头形貌进行观测。在实验基础上,通过单工艺参数分析得到了PET薄膜与薄钛板激光透射连接的工艺参数,这可为激光透射连接时提供合理的工艺参数范围;通过双工艺参数分析得到了主要工艺参数对连接接头质量的影响,这可为激光透射连接时选取适当的工艺参数以提高加工效率。
激光技术 激光透射连接 生物医学植入体 激光工艺参数 连接质量
针对0.1 mm厚医用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜与0.1 mm厚薄钛板之间的激光透射连接试验,利用商业化软件ANSYS,使用APDL语言编程实现超高斯型热源的动态加载,建立了一个三维热传导模型,使用有限元法求得连接过程中温度场的分布,得到温度场达到准稳态的时间,分析加工速度和激光器功率等工艺参数对连接质量的影响,并计算出不同工艺参数下的连接宽度。通过对PET薄膜与薄钛板的激光透射连接试验接头宽度的测量值进行对比,两者趋势基本吻合,说明该有限元模型是可靠的。
激光透射连接 生物医学植入体 激光工艺参数 有限元 温度场
华南理工大学机械与汽车工程学院,广东 广州 510640
为解决传统人工股骨植入体个体匹配性差,结构强度与生物活性难统一等问题,提出了个性化股骨植入体的优化设计及制造方法。采用解剖学建模技术设计出外形匹配,内含三维网状构架的假体模型。利用316L不锈钢粉末结合选区激光熔化快速成型技术在含氧量小于0.15%的气氛下,完成实体制造。研究结果表明,该方法能快速而精确地制造出形状复杂的个性化人工股骨植入体。提出的优化结构的设计方法能使不锈钢植入体的质量减少65.5%,符合设计需求。表面质量较好,尺寸误差在±1mm以内,未经打磨表面粗糙度达到Ra30μm,硬度达到HRC32。
选区激光熔化 快速成型 股骨植入体 个性化制造 优化设计 selective laser melting rapid prototyping femur implants customized manufacturing optimizing design
1 华南理工大学机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640
2 广州军区广州总医院华侨科, 广东 广州 510010
3 广州瑞通激光科技有限公司, 广东 广州 510380
为了简化股骨肿瘤切除手术的操作，提高切除部位的准确性，根据患者计算机断层(CT)扫描和三维重建等临床影像学资料为股骨肿瘤切除手术设计了一种定位模板。利用自主研发的选区激光熔化(SLM)快速成型设备Dimetal-280进行了316 L不锈钢粉末的正交实验工艺研究，获得优化参数，并用该参数加工所设计的手术模板，加工速度快，成型后外形良好，尺寸精度高，在临床手术中获得成功应用，为个性化医学植入体以及辅助器械的高性能、自动化加工开辟了一种新方法。
为了简化股骨肿瘤切除手术的操作 提高切除部位的准确性 根据患者计算机断层(CT)扫描和三维重建等临床影像学资 获得优化参数 并用该参数加工所设计的手术模板 加工速度快 成型后外形良好 尺寸精度高 在临床手术中获得成功应用 为个性化医学植入体以及辅助器械的高性能、自动化加工
1 第四军医大学口腔医院修复科, 陕西 西安 710032
2 西北工业大学凝固技术国家重点实验室, 陕西 西安 710072
利用工业用纯钛粉末、激光快速成形(LRF)系统和优化的成形工艺参数,制成了纯钛的测试试样,根据国家标准GB/T 13810-1997和GB/T 16886.5-2002分别进行力学测试和细胞毒性实验。力学测试结果为抗拉强度475 MPa,屈服强度383 MPa,延伸率27%,弹性模量97.54 GPa,维氏显微硬度188.4～206.3；利用小鼠结缔组织成纤维细胞(L-929细胞)进行体外细胞毒性的研究,结果表明激光快速成形纯钛细胞毒性为0级。激光快速成形纯钛试样满足外科植入物纯钛板材室温力学性能国家标准和体外细胞毒性实验标准。
激光技术 纯钛植入体 激光快速成形 机械性能 细胞毒性
