基于3D打印模具设计制备镍钛合金及钴铬钼合金医学植入材料的工艺和材料学研究

摘要

背景:近年来3D打印技术飞速发展并日趋成熟，并且初步运用于临床，NiTi合金和Co-Cr-Mo合金是两种十分安全的医学植入材料，已经应用于临床数十年。但目前直接使用3D打印制造植入件器材，成本高、效率低并且实际效果一般，只适用于科研。
　　目的:将3D打印与自蔓延技术及3D打印与精密铸造相融合，开发一套低成本、高效率的植入零件数字化制造工艺。包括人体图像采集、三维图像处理、模具设计、聚乙烯模具3D打印成形，以及植入件的自蔓延反应烧结和精密铸造成形方法，并研究用此种方法制备的医学植入合金的材料性能，为用3D打印技术制备医用植入零件探索新的途径。
　　方法:1、用湘雅医院Aquilion One TSX-301A型号CT机扫描人体CT图像文件，通过mimics10.0软件合成设计截取部分骨关节的电脑3D文件，并设计相应的模具3D打印文件，并摸索设计流程、打印流程等相关的适宜工艺参数。
　　2、根据此文件制作出高精度的聚乙烯模具，用其翻模后，用不同压力，将按一定比例混匀的Ni粉和Ti粉末压制成坯。然后，用NiTi自蔓延反应工艺烧结成多孔材料。系统地研究了其弹性模量、强度、空隙大小和孔隙率等各指标与压坯压力、烧结方法之间的关系。
　　3、用三维打印的聚乙烯醇模具作为消失模，同时运用三维打印模具翻模制备传统石蜡消失模，运用硅酸乙酯制壳法在高频真空感应炉中浇铸制备Co-Cr-Mo合金植入件，对比两者从外观到机械性能等一些列参数。
　　结果:1、运用本研究设计并总结出的从CT及一些列电脑软件的后处理方法可以较为简便的采集、处理并设计临床实际工作所需要的定制化材料的三维打印电脑模型文件，摸索了一套较为可行简便的操作方法。
　　2、运用三维打印模具（规则圆柱体）压制镍钛粉末，采用热爆式自蔓延法备出的镍钛合金的弹性模量、拉伸压缩强度等一些列指标基本满足骨科替代材料要求，适用于制备较为规则形状的定制化植入金属。
　　3、运用3D打印的聚乙烯醇模具作为消失模与传统石蜡消失模所铸造的钴铬钼合金试件在力学性能和微观结构上无明显差异，且工艺更为简单。可以制备各种复杂形状的医学植入器材。满足医学植入材料特别是骨替代材料的要求。
　　结论:摸索出了从设计到最终成型一整套基于3D打印技术的低成本、高效率的医用NiTi合金和Co-Cr-Mo合金植入件制造工艺方法。实验表明，其制件可满足医学植入材料特别是骨替代材料的要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及选题意义

1．2 医用NiTi合金的研究进展

1．2．1 医用镍钛合金的发展和要求

1．2．2 医用镍钛合金的各种制备加工方法及特点

1．3 医用Co-Cr-Mo合金的特点和制备方法现状

1．4 三维打印国内外发展及医疗应用现状

1．5 本课题的主要研究内容

2 基于医学影像和软件处理制作3D打印模具

2．1 医学影像数据的采集和医用3D打印软件处理再设计

2．1．1 材料

2．1．2 器材与设备

2．1．3 实验步骤与方法

2．2 实验结果与讨论

2．2．1 三维图像数据处理实验讨论

2．2．2 本研究三维打印机的基本原理及对实验的结果影响分析

2．3 本章小结

3 3D打印制模自蔓延烧结成形多孔NiTi合金工艺及组织性能研究

3．1 实验材料

3．2 实验设备

3．3 实验方法

3．3．1 配料

3．3．2 翻模压坯

3．3．3 自蔓延热爆合成

3．4 实验结果

3．4．1 热爆合成的NiTi合金宏观形貌

3．4．2 孔隙特性

3．4．3 合金的组织观察

3．4．4 XRD衍射物相分析

3．4．5 相变点的测量

3．4．6 力学性能

3．4．7 硬度测定

3．4．8 复杂形态粉末压制应用模拟实验

3．5 实验讨论

3．6 本章小结

4 基于3D打印模具铸造法制备植入金属的工艺及材料学测试研究

4．1 实验材料与设备

4．2 实验步骤与方法

4．3 实验结果

4．4 实验讨论

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 课题主要结论

5．2 课题主要创新点

5．3 未来展望

参考文献

附录

攻读学位期间主要学术成果

致谢