[发明专利]医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法及应用

权利要求书

1.一种医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法，其特征在于，所述的增材制造方法包括如下步骤：

S1、对植入物使役环境进行受力分析：根据不同解剖位置植入物的使役环境要求，采用有限元模拟软件分析植入物各部位的受力状态；

S2、对基于弹性模量各向异性的工艺参数进行设计：根据植入物的受力状态构建合金中各个晶体的001取向的空间分布并逐层分解，基于U型熔池或V型熔池设计理念，完成工艺参数设计并确定植入件打印摆放位置；

所述的步骤S2中构建合金001取向的空间分布并逐层分解，过程如下：

通过步骤S1中有限元模拟软件模拟植入物受力状态，将植入物各部位受力方向等效为晶体的001取向，得出植入物在加载环境下各部位001取向的整体分布图，然后根据001取向角度变化差值小于5°的范围划分为一层，将平均取向定义为该层的001取向；

所述的步骤S2中基于U型熔池或V型熔池设计理念，完成工艺参数设计，过程如下：

调控熔池形状实现晶体生长方向的定制化，其中，晶体生长方向为001取向，工艺参数包括：50 mm/s≤扫描速度V≤8000 mm/s；激光选区熔化成形时激光器输入功率为P：50 W≤P≤360 W、激光扫描间距h介于20~150μm；电子束选区熔化成形时电子枪电流为I：3mA≤I≤120mA，电子束扫描间距h介于40~300μm；铺粉厚度为20~140μm，基板预热温度：激光选区熔化为0~550℃，电子束选区熔化为400~1200℃；

S3、增材制造成形：选用医用β型钛合金粉末，采用激光选区熔化或电子束选区熔化成形设备进行增材制造成形，得到弹性模量个性化定制的植入物。

2.根据权利要求1所述的医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法，其特征在于，所述的不同解剖位置植入物为关节植入物、脊柱植入物、肩部植入物、颅颌面植入物、足踝植入物和胸骨植入物中的一种或者多种，所述的关节植入物为髋或膝关节植入物，所述的脊柱植入物为内固定植入物或微创植入物，所述的肩部植入物为肩胛骨植入物，所述的颅颌面植入物为下颌骨植入物或颅骨植入物，所述的足踝植入物为足踝关节植入物或脚趾骨植入物。

3.根据权利要求1所述的医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法，其特征在于，所述的步骤S1中分析植入物各部位的受力状态是指植入物在人体使役环境要求下，通过有限元模拟软件分析植入物各部位的受力状态，包括力的大小、方向以及形变量，其中，所述的人体使役环境为包括站立、行走、伸展、弯曲在内的肢体动作中的一种，所述的有限元模拟软件选自ANSYS、MIMICS、ABAQUS、ADINA、MSC、NASTRAN、FENRIS、PAFEC、ASKA软件中的一种。

4.根据权利要求1所述的医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法，其特征在于，所述的步骤S2中确定打印件摆放位置是根据打印件各部位的受力状态确定的。

5.根据权利要求1所述的医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法，其特征在于，所述的步骤S3中医用β型钛合金粉末的制造方法为等离子雾化法、电极感应熔炼气体雾化法或等离子旋转电极雾化制粉法，粉末颗粒尺寸范围为：当进行激光选区熔化时，选择15~53μm；当进行电子束选区熔化时，选择45~150μm。

6.根据权利要求1所述的医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法，其特征在于，所述的步骤S3中成形设备为多激光器或者电子束打印。

7.一种任意择优取向的医用钛合金，由权利要求1-6任一所述的增材制造方法制得，其特征在于，所述的医用钛合金组织结构如下：

以柱状晶的β-Ti为基体，β-Ti晶粒生长方向与水平方向的夹角为θ，其中，β-Ti晶粒生长方向为001取向，θ取值范围为0~90°，柱状晶之间近乎相互平行，整体呈现为旋转立方织构，在θ角方向合金弹性模量最低。

8.一种根据权利要求7所述的任意择优取向的医用钛合金在人体植入物制备中的应用，所述的人体植入物为关节植入物、脊柱植入物、肩部植入物、颅颌面植入物、足踝植入物和胸骨植入物中的一种或者多种，所述的关节植入物为髋或膝关节植入物，所述的脊柱植入物为内固定植入物或微创植入物，所述的肩部植入物为肩胛骨植入物，所述的颅颌面植入物为下颌骨植入物或颅骨植入物，所述的足踝植入物为足踝关节植入物或脚趾骨植入物。