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骨缺失或缺损是临床医学的常见病,研究符合人骨特性的梯度多孔金属材料骨支架是人骨修复和替代材料研究的热门话题。激光选区烧结快速成型技术可以有效的成型出具有与个体人骨外型和内部微孔结构相一致的人骨支架制品,是实现人个体承力骨修复或替换的最基础的工作之一。本文借助三坐标激光扫描仪对人体牙齿完成三维外型仿生建模。采用选择性激光烧结技术成型具有与人骨支架结构较为一致的多孔金属人工骨支架试样,研究了成型工艺对试样结构特性的影响规律,为个体化人工骨仿生制造技术的研究奠定了良好的基础。
鉴于人体牙齿的结构和力学性能在人体骨骼中的代表性,针对病牙特征,首次提出借助三坐标激光扫描仪对患者所换牙齿进行外观数据采集的方法,利用逆向和建模软件对试件进行了外型仿生建模,获得了具有与所采集的点云数据对比精度较高的外观模型。该方法可以迅速、便捷的建立具有复杂外观结构的牙齿表观模型,探索了一种快速个性化牙齿仿生设计建模的新方法。
采用正交实验法,设计了选择性激光烧结的实验方案,进行了选择性激光烧结成型实验研究。以316L不锈钢为试验原料,采用优化出的多孔模型,使用自制的选择性激光烧结成型实验装置,成功制备出不锈钢多孔人骨支架试样。研究了不锈钢人骨微孔模型烧制过程中的切片处理与工艺加工等难点问题,并借助电子显微图像,进一步研究了激光功率、扫描速度、扫描路径、铺粉厚度和扫描间距工艺参数对试样孔隙率、孔径大小等微结构的影响规律,初步探讨了选择性激光烧结多孔材料的成型机制,获得了烧结多孔模型的最优烧结工艺参数。为选择性激光烧结成型具有微组织梯度孔结构的仿生人工骨支架的深入研究打下了良好的基础。
研究结果表明:制品性能随烧结工艺参数的有效控制连续变化。在对孔隙率的影响因素中,激光功率对其影响最大,扫描路径、扫描速度、铺粉层厚和扫描间距对其影响率逐步降低。其参数的优化组合为激光功率80W、扫描速度25mm/s、扫描路径3、扫描间距0.150mm和铺粉厚度0.125mm。各参数对平均孔径的影响次序为扫描速度影响力最大,铺粉层厚次之,扫描路径、激光功率和扫描间距递减。最优组合为激光功率80W、扫描速度15mm/s、扫描路径1、扫描间距0.150mm和铺粉厚度0.125mm。