[發(fā)明專利]一種Ti-6Al-4V合金點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110382491.0
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號(hào): CN113231644B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鐘豪章;王淑俠;顧劍鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 上海醫(yī)鈦科技有限公司
• 主分類號(hào): B22F10/28
• 分類號(hào): B22F10/28;B22F10/85;B22F10/38;B33Y10/00;B33Y50/02;B33Y80/00;B33Y70/00;A61F2/44
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31227
• 代理人: 周一新

本發(fā)明公開了一種Ti?6Al?4V合金點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用，在三維坐標(biāo)系中，以Z方向?yàn)橹饕芰Ψ较颍撐⒔Y(jié)構(gòu)滿足X方向和Y方向的力學(xué)性能相同，且微結(jié)構(gòu)相對密度維持不變；設(shè)計(jì)方法包括：判斷常規(guī)Ti?6Al?4V合金材質(zhì)的點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)服役時(shí)的主要受力方向，通過增加平行于常規(guī)Ti?6Al?4V合金材質(zhì)的點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)主要受力方向的梁厚度或直徑，同時(shí)減少垂直于其主要受力方向的梁厚度或直徑使其滿足服役時(shí)主要受力方向的強(qiáng)度和各向異性得到。本發(fā)明基于伍爾夫定律設(shè)計(jì)的Ti?6Al?4V合金點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)密度與人體皮質(zhì)骨力學(xué)適配，可以應(yīng)用于醫(yī)用植入體。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于點(diǎn)陣材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種密度與人體皮質(zhì)骨力學(xué)適配的Ti-6Al-4V合金點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

點(diǎn)陣材料是一種多孔結(jié)構(gòu)，由微結(jié)構(gòu)單元在三維空間有規(guī)律地重復(fù)排列得到。自2005年首次采用3D打印技術(shù)制備出不銹鋼基體的點(diǎn)陣材料以來，3D打印技術(shù)的發(fā)展給了微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造很大的空間。點(diǎn)陣材料通過在實(shí)體材料中引入多孔結(jié)構(gòu)來減小密度，其模量或強(qiáng)度的降低速度大于相對密度的降低速度，比強(qiáng)度低于實(shí)體材料，使得點(diǎn)陣材料作為結(jié)構(gòu)材料在工程應(yīng)用中面臨重要挑戰(zhàn)。作為醫(yī)用植入體的點(diǎn)陣材料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一般是和人體骨骼匹配的相對密度、更低的楊氏模量和更高的靜態(tài)壓縮強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，現(xiàn)有技術(shù)中制備的Ti-6Al-4V合金點(diǎn)陣材料在相對密度和皮質(zhì)骨密度接近時(shí)(196g/cm³)的最大壓縮強(qiáng)度為196MPa，低于皮質(zhì)骨的最大壓縮強(qiáng)度(250MPa)。另外，現(xiàn)有的點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)單元均是正交各向同性，而人體骨骼在遵循伍爾夫定律的情況下有很明顯的正交各向異性(如平行于股骨的方向模量是垂直方向的2倍左右)，作為植入體時(shí)可能會(huì)造成骨骼在模量低的方向上應(yīng)力屏蔽。

針對以上問題，常用的方法有增大相對密度或者通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)新的微結(jié)構(gòu)，但是增大相對密度設(shè)計(jì)得到的點(diǎn)陣材料相對密度增加，孔隙率減小，不利于人體成骨細(xì)胞的增殖和分化，導(dǎo)致植入體的融合效果變差；通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)新的微結(jié)構(gòu)，其程序冗雜、效率低、時(shí)間周期長，有時(shí)出現(xiàn)棋盤現(xiàn)象無法收斂。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中點(diǎn)陣材料強(qiáng)度較差和存在各向異性不匹配的問題，本發(fā)明的第一目的是一種Ti-6Al-4V合金點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)，密度與人體皮質(zhì)骨力學(xué)適配。

本發(fā)明的第二目的是，提供上述Ti-6Al-4V合金點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，基于人體骨骼中的伍爾夫定律設(shè)計(jì)得到。

本發(fā)明的第三目的是，提供上述Ti-6Al-4V合金點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)在融合器和人工椎體的應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述第一目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種Ti-6Al-4V合金點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)，在三維坐標(biāo)系中，以Z方向即[001]方向?yàn)橹饕芰Ψ较颍瑵M足X方向即[100]方向和Y方向即[010]方向的力學(xué)性能相同，且其相對密度維持不變。

為實(shí)現(xiàn)上述第二目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：上述Ti-6Al-4V合金點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟一：選取常規(guī)Ti-6Al-4V合金材質(zhì)的點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)；

步驟二：判斷步驟一中點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)服役時(shí)的主要受力方向；

步驟三：增加步驟一中點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)平行于其主要受力方向的梁厚度或直徑，同時(shí)減少垂直于其主要受力方向的梁厚度或直徑，維持其相對密度不變；

步驟四：按照步驟三對步驟一中點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)繼續(xù)進(jìn)行修正設(shè)計(jì)，直至該微結(jié)構(gòu)滿足服役時(shí)的主要受力方向強(qiáng)度和各向異性。

一些實(shí)施例中，所述Ti-6Al-4V合金點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，步驟如下：

步驟1：從點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)庫中任意選取某一常規(guī)Ti-6Al-4V合金材質(zhì)的點(diǎn)陣材料微結(jié)構(gòu)；