骨科植入物：金属3D 打印的新可能性

2020 年 10 月 30 日 | 阅读时间：4 分钟

EOS 开发了一种 Ti64 AM 工艺，该工艺与热等静压（HIP）热处理工艺相结合，可产生出色的疲劳性能。该项目的目标是在实际植入设计中突出和测试这些疲劳特性，并将结果与传统锻造的 Ti64 髋关节柄进行比较。

开启以下可能性增材制造

下面的章节介绍了 EOS 网络提供的知识、经验和服务是如何实现骨科增材制造 这一飞跃的：

疲劳结果

疲劳测试由加拿大温尼伯的骨科创新中心（OIC）进行。根据 ISO 7206-6 标准对髋关节柄进行了颈部疲劳性能测试。它们在 1 千万次循环中承受了 5340 牛顿的载荷。在这项研究中，对 2 个增材制造髋关节柄进行了测试，均通过了 1000 万次循环的跳动测试。这表明，这些 AM 制成的植入物的疲劳性能至少与传统的锻造 Ti64 髋关节柄相当。这是首次对增材制造的植入物进行如此高的疲劳性能测量。

为了避免支撑物的移除，并方便将植入物从平台上移除，髋关节柄是在一个 "支架 "中制造的。该支架的主要功能是提供保护，抵御再包覆力。(为了获得最高的机械性能，使用了高速钢刀片，以确保最佳和一致的再涂覆行为）。然而，支架与髋关节柄之间没有连接，而是存在大约 0.2 毫米至 0.3 毫米的间隙，理想的间隙宽度是通过 DoE 确定的。间隙的大小是在方便拆卸和防止髋关节柄因重涂力而振动之间权衡的结果。由于夹具、粉末和髋杆之间的摩擦力，髋杆被固定到位。

我从同事 Michael Wohlfart 发表的 "无支撑建筑 "一文中获得了构建策略的灵感。在实际应用中将这些创新想法付诸实践是一件非常有意义的事情！ 

下一步是确保这一想法在实践中行之有效。Amphyon用于确认设置策略不会导致任何问题，从而消除了 "试错 "构建策略的必要性。新的 AM 用户，甚至是尝试新应用的经验丰富的 AM 用户经常抱怨的一个问题是，在首次构建时需要使用 "试错 "策略。

模拟运行的目的是检查重涂机是否发生碰撞，验证变形是否在公差范围内，以及检查热应力。这种分析可在完成单项工作之前提供高质量的构建，从而降低成本并缩短交付周期。

该软件可对髋关节柄进行预变形，从而在第一时间直接从打印机中创建出高精度的部件。根据我的经验，这种方法效果很好，特别是对于髋关节柄在打印 期间预期的小变形和可控变形。

实现优异的疲劳性能

最先进的 AM 工艺

髋关节柄是在EOSM 290 上使用 EOS钛 Ti64 Grade 23工艺制造的，层厚 40µm。该项目选择 EOS M 290 是因为它是市场上最合格的工业增材制造 系统。此外，该设备的可靠性和可重复性正是获得良好疲劳性能所需要的，因为单一缺陷就会大大降低疲劳性能。考虑到髋关节柄应用的特殊要求，未来有必要进一步优化批量生产的工艺，从而提高制造率和稳定性。

优化的 HIP 热处理

优异的疲劳性能得益于先进的 AM 工艺（如上所述）与优化的热等静压（HIP）热处理相结合。传统的 HIP 热处理经过优化，可提高铸件或类似铸件的质量和微观结构的机械性能。EOS M 290的质量远高于此，因此 EOS 开发了一种 HIP 热处理方法，其中考虑到了 AM 的独特微观结构。

传统的臀部处理是在 920 ℃、100 兆帕的条件下进行的，持续时间为 2 小时，在不同行业中广泛使用。EOS 开发的工艺是在 820 ℃、140 兆帕下进行 2 小时。这种 HIP 循环与 EOS DMLS 工艺相结合，可在 10^7 次循环（N=9）中获得 795 Mpa 的疲劳强度。

后处理非常简单，由加拿大温尼伯的 Precision ADM 公司完成。AM 工艺的设置方式与传统制造髋关节柄的后处理步骤相同。因此选择了无支撑方法。髋关节柄的锥度经过加工，颈部经过抛光，以获得最佳的疲劳性能，这与市场上已有的同类设备类似。结果见右图。

结论

如今能在实际应用中实现锻造机械性能，是增材制造 在骨科领域的一次巨大飞跃。这一令人兴奋的发展让我们再次释放了增材制造 在另一类植入物上的潜力。现在就看骨科公司的设备设计师和其他人员如何突破AM的界限，实现以前认为不可能实现的想法了。Additive Minds期待着与您携手合作，发掘这些可能性，让下一代植入体成为可能。

作者：戴维-奥利耶戴维-奥利耶