近期，EOS開發了新的Ti64增材制造工藝，該工藝與熱等靜壓熱處理工藝相結合，可產生出色的疲勞性能。該項目的目的是在實際的植入物設計中突出并測試這些疲勞特性，并將結果與傳統鍛造的Ti64股骨柄進行比較。此外，我們希望盡可能地促進后期處理的操作性，并在構建設置策略中考慮了這一目標。本研究中使用的髖關節植入物設計屬于美國得克薩斯州奧斯汀市的MonogramOrthopedics公司。
疲勞結果
疲勞測試由加拿大溫尼伯骨科創新中心OIC進行。根據ISO7206-6，對股骨柄的頸部疲勞特性進行5340N負載下1000萬次循環測試。在這項研究中，對2個增材制造的股骨柄進行了測試，并且都通過了1000萬次循環測試。這表明這些增材制造植入物的疲勞性能至少與傳統鍛造的Ti64股骨柄性能持平。這是首次在用增材制造的植入物上測量到如此高的疲勞性能。
為了避免移除支撐并方便從平臺上移除植入物，股骨柄在“固定件”中制造。該固定件的主要功能是對抗刮刀鋪粉產生的作用力，對植入物部件起到保護。（為了獲得最高的力學性能，使用了HSS不銹鋼刮刀以確保最佳的產品性能和始終如一的鋪粉性能。）重點是固定件和股骨柄之間沒有連接，大約留有0.2mm-0.3mm的間隙。通過DoE試驗確定了理想的間隙寬度。間隙的大小是在易于拆卸和牢固防止股骨柄因刮刀力而振動之間的權衡。由于固定件、粉末和股骨柄之間的摩擦力，股骨柄得以固定。
開始生產之前，使用Amphyon(AdditiveWorks)確認設置策略切實可行，不會導致任何問題，消除了“試錯”的打印策略需求。剛入門、甚至經驗豐富的增材制造用戶都普遍抱怨，在嘗試新應用開發時，首次打印時都需要用“試錯”策略。
運行仿真模擬來檢查刮刀的碰撞問題，以驗證變形是否在公差范圍內，并檢查熱應力。模擬分析在開始打印任務之前提供了高質量的打印，從而降低了成本并縮短了交貨時間。
該軟件可通過對股骨柄進行預變形，從而實現首次直接打印出高精度的零件。這種方法效果非常好，特別是對于打印過程中髖關節股骨柄可能發生的微小且可控的變形。
如何獲得出色的疲勞性能
1.優異的增材制造工藝
▲仿真模擬
仿真模擬
股骨柄使用EOSTitaniumTi64Grade23，40μm層厚的工藝參數，在EOSM290上制造。之所以選擇M290，是因為它是市場被認證過次數最多的工業級增材制造系統。最重要的是，設備的可靠性和可重復性正是具備優異疲勞性能所必須的，其中一個缺陷都會顯著降低疲勞性能。將來有可能進一步優化工藝以進行批量生產，考慮到股骨柄應用的獨特要求，可能會提高制造速度和穩定性。
2.優化的熱等靜壓熱處理
結合了優異的增材制造工藝和優化的熱等靜壓熱處理，成品最終獲得了出色的疲勞性能。常規的熱等靜壓熱處理是為了改善鑄件或類似鑄件的質量和顯微組織的力學性能。EOSM290制造產品的質量遠高于鑄件，因此EOS基于增材制造的獨特微觀結構開發出一種特殊的熱等靜壓熱處理工藝。
Ti64常規的熱等靜壓工藝是920℃，100MPa下保溫2小時，并且廣泛應用于不同領域。EOS開發的處理工藝則在800℃，140MPa下保溫2小時。該熱等靜壓熱工藝與EOSDMLS工藝相結合，可實現10^7次循環（N=9）中795Mpa的疲勞強度。
后處理相當簡單，由加拿大溫尼伯的PrecisionADM執行。增材制造工藝的設置方式制造的股骨柄與傳統制造的股骨柄可以進行相同的后處理步驟。因此，無需支撐處理。后處理與目前市場上的傳統方式制造的股骨柄類似，對股骨柄錐形部位進行機加工，對股骨柄的頸部進行拋光，以實現最佳的疲勞特性。
最終植入物
如今，增材制造實際應用中可以實現鍛件力學性能這一事實，是骨科增材制造領域的巨大飛躍。這一激動人心的進展促使我們能夠釋放增材制造技術的潛力。現在，由骨科公司和各個公司的產品設計師來推進AM與現實的界限。AdditiveMinds增材思維期待與您合作，探索釋放無限可能性，使下一代植入物成為可能。
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