醫用鎂合金金屬零件的選區激光熔化成型裝置及方法制造方法及圖紙

本發明專利技術提供了一種醫用鎂合金金屬零件的選區激光熔化成型裝置，包括控制裝置、送鋪粉裝置、激光傳輸機構、氣體凈化裝置和封閉的成型室，送鋪粉裝置包括料斗和安裝于料斗下方兩側的鋪粉刷，料斗上方與成型室上方的填料口對應設置，鋪粉刷的下方與成型缸的上表面水平對應；激光傳輸機構設于成型室的外上方，且對應成型缸設置；成型室的側壁上設有便于氣體進出的進氣口和出氣口，氣體凈化裝置分別與進氣口和出氣口連接；控制裝置分別連接送鋪粉裝置、激光傳輸機構、成型缸和氣體凈化裝置。本發明專利技術還提供了由上述裝置實現的醫用鎂合金金屬零件的選區激光熔化成型方法。本發明專利技術能夠直接制造出滿足醫學領域復雜形狀零件，具有成型效率高等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于鎂合金零件制造
，特別涉及一種醫用鎂合金金屬零件的選區 激光熔化成型裝置及方法。
技術介紹
目前，在臨床上普遍使用的金屬生物材料包括不銹鋼、鈦及鈦合金、鈷鉻合金等， 這些金屬生物材料雖然制造容易，但具有使用不足之處即可能在腐蝕或者在磨損過程中 釋放有毒的金屬離子或金屬顆粒，從而導致組織缺損以及降低生物相容性。而且，這些金屬 生物材料的彈性模量與正常骨組織并不十分相稱，導致應力遮擋效應，使內植入體的穩定 性下降，且必須在患者充分痊愈后二次手術將其取出。鎂是一種特殊的金屬材料，密度是1. 74g/cm3，鋁和鋼的密度是鎂的1. 6和4. 5倍。 鎂的斷裂韌性比包括羥基磷灰石在內的陶瓷材料強，相比于現有的金屬生物材料(不銹 鋼、鈦及鈦合金、鈷鉻合金等)，具有如下優點(1)鎂的彈性模量和壓力屈服強度更接近正 常骨組織；(2)鎂是一種輕金屬、可降解的、可承重骨科內植入物，讓其在體內保持機械完 整性12 18周的作用時間，待骨組織正常愈合后可被正常組織代替，不需二次手術取出；鎂合金可在人體內降解，是因為鎂合金具有較低的腐蝕電位，在含有氯離子的體內環境 下易發生腐蝕，并以緩慢腐蝕的方式在體內完全降解，其腐蝕產物對生物體無毒害作用，且 能參與人體正常代謝。因此，隨著科學技術的發展，在醫學領域使用的金屬生物材料經常優 先考慮使用鎂。雖然，鎂和鎂合金在醫學領域的應用具有重大意義，但由于鎂的制造存在著以下 缺陷鎂的化學活性很強，在空氣中易氧化，在高溫情況下可以發生燃燒，因此熔煉過程中 須采用復雜的保護措施，而工業中主要采用熔劑保護法和氣體保護法，目前工業上應用鎂 合金零件一般采用壓鑄生產工藝，這種生產方式雖然能制得鎂合金零件，但是在醫學領域， 由于需要的零件一般用作針對病人個體信息獲得定制化的內植入物件或者外科手術輔助 工具，即，醫用的鎂合金零件需要是要求獲得高自由度的復雜空間形狀零件，如果采用壓鑄 的方法則很難達到要求。因此，鎂合金在醫學領域的應用則受到很大的限制，只能用于簡單 形狀的零件，不能廣泛應用，所以針對醫用的鎂合金零件，需要尋求一種滿足其復雜形狀生 產的技術。選區激光熔化技術(SLM，Selective laser melting)是近幾年在國內外迅速發展 起來的快速制造技術，原理上能夠成型任意的可焊金屬材料，能夠成型任意復雜幾何形狀 的零件。而目前，選區激光熔化技術還沒見用于加工生產醫用的鎂合金零件。而且，現有的選區激光熔化成型裝置中，一般采用粉末缸和成型缸組成的雙缸式 結構，這種結構存在著以下缺陷(1)大大增加了整套設備的體積(2)即使成型非常細小的 零件，也需要倒入大量粉末，造成大量的浪費現象；(3)送鋪粉裝置需在雙缸上來回運行， 成型效率低下。而且，現有的技術中，一般都沒有預加熱裝置和結構，往往容易產生成型過 程中的翹曲與裂紋，粉末完全熔化對激光能量的輸入要求也比較高，需要消耗較大的能量；同時用于加工鎂合金零件，若沒有預加熱裝置，則無法滿足鎂合金粉末的成型溫度和條件。
技術實現思路
本專利技術的首要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種能夠直接制造出滿 足醫學領域復雜形狀零件的醫用鎂合金金屬零件的選區激光熔化成型裝置。本專利技術的另一目的在于提供由上述裝置實現的醫用鎂合金金屬零件的選區激光 熔化成型方法。本專利技術的目的通過下述技術方案實現醫用鎂合金金屬零件的選區激光熔化成型裝置，包括控制裝置、送鋪粉裝置、激光 傳輸機構、氣體凈化裝置和封閉的成型室，所述成型室內設有成型缸和回收缸，回收缸設于 成型缸的一側；所述送鋪粉裝置設于成型室內，包括料斗和安裝于料斗下方兩側的鋪粉刷， 所述料斗上方與成型室上方的填料口對應設置，鋪粉刷的下方與成型缸的上表面水平對 應；所述激光傳輸機構設于成型室的外上方，且對應成型缸設置；所述成型室的側壁上設 有便于氣體進出的進氣口和出氣口，所述氣體凈化裝置分別與進氣口和出氣口連接；所述 控制裝置分別連接送鋪粉裝置、激光傳輸機構、成型缸和氣體凈化裝置。所述鋪粉刷為若干個疊加的刷片，每個刷片均由若干個刷片單元構成，各刷片的 刷片單元之間錯開設置；鋪粉刷的刷片優選30 100 i! m厚度的316L或者304不銹鋼片， 各刷片的刷片單元通過光纖光纖激光器或紫外光纖激光器切割的方式切割而成，刷片單元 之間的間隙為激光切割的縫寬。所述料斗下方前側的刷片前還安裝有刮板，其作用是將金屬粉末較厚的先預置在 成型缸上，避免粉末過多時刷片不能推動這些粉末前行，甚至導致刷片過度彎折的情況發 生，使得刷片損壞；刮板的低端比刷片的低端高。所述各刷片的刷片單元之間的間隙為0.05 0. 15mm，每個刷片單元的寬度為 3mm 5mm ；所述刮板的低端比刷片的低端高50 200 u m。所述激光傳輸機構包括依次光路連接的光纖激光器、光路傳輸元件、掃描振鏡、聚 焦鏡片和透光鏡，所述聚焦鏡片和透光鏡設置于成型室的上方，并對應成型缸設置；所述光 纖激光器和掃描振鏡均與控制裝置連接。所述聚焦鏡片優選場聚焦鏡片或遠心透鏡，場聚 焦鏡片或遠心透鏡可以選用100mm、163mm或254mm的焦距鏡片，同時掃描振鏡的耦合墊片 和透光鏡的的焦距均分別與聚焦鏡片的焦距匹配，以滿足激光的掃描范圍。所述聚焦鏡片 采用遠心透鏡，其作用不僅保證了不同位置的激光功率密度相等，也能夠保證激光聚焦后 的光束垂直入射到粉末表面，保證熔池的穩定成型，提高鎂合金成型件的表面質量。本專利技術 裝置在加工時，能夠獲得不同的掃描范圍與聚焦光斑尺寸，以滿足鎂合金成型件體積變化 較大要求。當鎂合金成型零件小，且要求鎂合金成型件表面質量與成型精度要求高時，聚焦 鏡片使用100mm焦距，同時調整掃描振鏡的耦合墊片和透光鏡的的焦距使其與聚焦鏡片的 焦距匹配，以獲得較小的掃描范圍和精細的聚焦光斑尺寸；而當鎂合金成型零件較大，聚焦 鏡片使用254mm焦距，同時調整掃描振鏡的耦合墊片和透光鏡的的焦距使其與聚焦鏡片的 焦距匹配，此時雖伴隨掃描范圍的增大，激光聚焦光斑直徑相應變大。所述光纖激光器的功率優選50 400W，光束質量M2 < 1. 1，激光能量呈現高斯分 布，光纖激光器的功率能夠滿足聚焦光斑的直徑要求，使得聚焦到成型面上的功率密度足夠熔化任何金屬粉末，其長期穩定使用幾乎免維護，所述激光為連續模式激光。所述光路傳輸元件包括光纖傳輸線路以及依次安裝在光纖傳輸線路上的準直擴 束鏡、光隔離器和光纖耦合頭，在光纖傳輸線路的外套上設有水冷結構；所述掃描振鏡上設有風冷結構；所述聚焦鏡片和透光鏡的一側設有氣刀，所述氣刀為0. 15Mpa 0. 2Mpa的氬氣。光路傳輸元件的質量對成型過程穩定性及成型件質量影響大，不但要保證光路傳 輸元件中的各光學器件處于完全密封的環境中，以防止外界灰塵對鏡片表面的污染。所述氣體凈化裝置包括相互連接的真空泵和過濾器，真空泵分別與控制裝置、成 型室的進氣口連接，過濾器與成型室的出氣口連接；所述真空泵外接惰性氣體供應裝置。 在成型室的出氣口處設有氧含量監測儀。所述送鋪粉裝置的料斗內設有加熱絲；或者，所述成型缸的下方設有加熱絲。所述成型室外側還設有成型罩。因鎂合金的預熱的理想溫度接近為固態相變點， 鎂合金的固態相變點為565攝氏度本文檔來自技高網...

【技術保護點】
醫用鎂合金金屬零件的選區激光熔化成型裝置，其特征在于：包括控制裝置、送鋪粉裝置、激光傳輸機構、氣體凈化裝置和封閉的成型室，所述成型室內設有成型缸和回收缸，回收缸設于成型缸的一側；所述送鋪粉裝置設于成型室內，包括料斗和安裝于料斗下方兩側的鋪粉刷，所述料斗上方與成型室上方的填料口對應設置，鋪粉刷的下方與成型缸的上表面水平對應；所述激光傳輸機構設于成型室的外上方，且對應成型缸設置；所述成型室的側壁上設有便于氣體進出的進氣口和出氣口，所述氣體凈化裝置分別與進氣口和出氣口連接；所述控制裝置分別連接送鋪粉裝置、激光傳輸機構、成型缸和氣體凈化裝置。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊永強，王迪，蘇旭彬，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：81[中國|廣州]