一种基于超声加工的人工骨骼制造方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术主要公开了一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，通过对所需加工材料进行均匀加热，在被加工合金在金属内部产生声孤子并将其聚焦在金属加工位置，在聚焦部位发生固态到液态的转化，实现液态废液与金属壁的脱离，由多个超声换能器组成的超声相控阵列产生连续变化的空间升压，利用连续变化的升压将剥落的废液从加工件腔体内排出，将金属加工成相互连通的疏松孔材料。本发明专利技术给予了系统中微结构的设计更多自由度。本发明专利技术受材料限制小，可在金属和非金属材料上进行加工。本发明专利技术能制备孔隙率高，孔径大小均匀，且孔与孔之间相互连通的人工骨骼，从而提高生长因子与药物在人工骨骼的存储率，有利于骨细胞在孔隙中再生长。

A Method and Device for Manufacturing Artificial Bone Based on Ultrasound Machining

The invention mainly discloses an artificial bone manufacturing method based on ultrasonic processing, which generates sound solitons inside the metal by uniformly heating the required processing materials and focusing them on the metal processing position, and transforms solid to liquid at the focusing position to realize the separation of liquid waste liquid from metal wall. The ultrasonic phase control consists of several ultrasonic transducers. The array generates a continuous space boost. The stripped waste liquid is discharged from the cavity of the workpiece by the continuous boost, and the metal is processed into interconnected porous materials. The invention provides more degrees of freedom for the design of microstructures in the system. The invention is limited by material and can be processed on metal and non-metal materials. The invention can prepare artificial bone with high porosity, uniform pore size, and interconnection between pore and pore, thereby improving the storage rate of growth factor and drug in artificial bone, and conducive to the regeneration and growth of bone cells in pore.

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声加工的人工骨骼制造方法及装置
本专利技术属于金属材料加工领域，具体涉及一种基于超声加工的人工骨骼制造方法及装置。
技术介绍
生物医用材料又称生物材料，它是对生物进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官进行其功能的材料。人工骨骼的制造一直作为医学生物材料的热门话题，因其作为人体硬组织替代或修复材料，需要其具有良好的生物相容性，且具有良好的疏松孔结构，以用于储存生物因子和医学药物，以及利于骨组织在材料中再生。目前人工骨骼材料制备方式很多，包括：(1)粉末冶金法：工艺简单，制造成本低，能较好的控制多孔材料的空隙结构、孔隙率、孔径大小等空隙参数，但制备出的多孔钛孔隙率太低，连通性差且空隙非球形；(2)纤维冶金法：可产生高质量的多孔金属纤维材料，但产品尺寸受限制，多孔钛材料空隙不规则；(3)自蔓延高温合成法：反应速度块，产生温度高，能产生多孔结构，但空隙率不高且具有长型空隙结构；(4)快速成型技术：当前针对金属构件快速成型方法主要包括激光烧结和电弧烧结成型方式，其生成人工骨骼孔隙结构，大小，孔率等参数得到了精确的控制，但加工时间长，容易在内部空隙黏结不易处理的金属颗粒或隆起。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，该方法能制备孔隙率高，孔径大小均匀，且孔与孔之间相互连通的人工骨骼，从而提高生长因子与药物在人工骨骼的存储率，有利于骨细胞在孔隙中再生长。为了达到上述目的，本专利技术所采取的具体技术方案为：一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，包括以下步骤：步骤一：首先，通过物理导热或者产热方式对所需加工材料进行均匀加热，获取加热中材料表面温度状况当检测到材料表面接近熔点时停止加热，降低加热装置功率对材料进行保温。利用温度传感器等设备获取加热中材料表面温度状况，根据材料的属性，对加热过程进行监控。步骤二：根据加工材料不同温度条件下脉冲光与表面弹应力场的变化，在被加工合金在金属内部产生声孤子并将其聚焦在金属加工位置，加工区域产生超声能量聚焦产生温度梯度，在聚焦部位发生固态到液态的转化；步骤三：在步骤二中，加工区域发生固液相位转，液化金属在超声作用下发生分离变形，金属液滴与金属固体表面接触角逐渐增大，同时在超声相控阵列的超声波在液化金属区域产生声场；根据现有国内外单轴驻波理论基础可知在单轴超声下，超声波产生的声压力可将液滴或固体颗粒物悬浮在驻波节点位置。在多个超声换能器协同工作时，调节每个超声换能器震动的频率以及震动功率，在加工区域产生个连续变化的声场力和声场势能。液滴在超声驻波声辐射力作用下趋于球形最后脱离壁面；液滴脱离壁面后向驻波点或超声声场势陷区域移动形成稳定悬浮。液滴在超声驻波声辐射力作用下克服自重以及与壁面的粘附力等阻力，与固态界面接触角逐渐变大液面向液滴中心移动收缩最终形成稳定悬浮。步骤四：步骤三实现液态废液与金属壁的脱离，废液分离后，由多个超声换能器组成的超声相控阵列产生连续变化的空间声压，通过控制各个超声波发生器的发出超声波长，位控制以及功率，在加工腔体内产生超声声陷势能，由物理定义物体在无外力作用下有从高势能处往低势能处运动的趋势，颗粒物体会随着超声势陷位置的变化而发生运动，通过对超声势陷的改变在声场内实现颗粒物的任意轨迹运动，利用连续变化的声压将剥落的废液从加工件腔体内排出；步骤五：持续进行步骤三、步骤四，将金属加工成相互连通的孔率均等，形成所需孔隙结构，表面性能良好的疏松孔金属材料。进一步的，步骤三中，根据声学物理公式，声场势能Uac为：其中，p和v是声场压力和物体速度，cM是媒介中的声速度，k和ρ是可压缩量和密度，M和P分别代表媒介和悬浮物，r代表悬浮颗粒的球半径，kp和kM分别为悬浮颗粒可压缩量和声介质的压缩量，ρp和ρM分别为悬浮颗粒的密度和声介质的密度。进一步的，所述物理导热或者产热方式为红外线或电磁波。进一步的，由于坯料处于固、液两相临界非常温状态，激光与合金表面弹性耦合作用条件发生新的变化。步骤二中，根据加工材料不同温度条件下不同脉冲序列激光与表面的弹性耦合性能，在被加工合金在金属内部产生声孤子并将其聚焦在金属加工位置，加工区域产生超声能量聚焦产生温度梯度，在聚焦部位发生固态到液态的转化。进一步的，步骤四中，完成加工部件前体内任意一坐标点的金属液化并通过排液口排出，通过对控制激光超声部分和换能器的协同工作，在金属材料内逐点派出在形成加工所设定的内部结构。进一步的，步骤五后，将加工好的金属卸载内部应力，强化表面刚性和韧性或通过电镀对表面进行处理。将加工好的零件按照要求热处理或表面处理，利于零件在所需应用领域获得更好效果。进一步的，一种基于超声加工的人工骨骼制造装置，包括控温设备、激光超声装置及超声阵列，所述控温设备、激光超声装置及超声阵列均匀计算机相连接，所述激光超声装置及超声阵列设于被加工金属的侧面，所述激光超声装置及超声阵列不设于同一面。进一步的，所述控温设备为电磁加热设备或红外升温设备。进一步的，所述激光超声装置包括若干个激光发射探头，所述激光发射探头用于金属内的局部加热。进一步的，所述超声阵列包括若干个超声换能器，所述超声换能器末端装设变幅杆。采用以上技术方案，本专利技术所具有的有益效果是：本专利技术方法可以在材料内部直接加工微结构，微结构分布可以是离散的也可以连续的，微结构形状可以平面的也可以是三维的，甚至可以连接两种及以上基体材料的微结构。本专利技术在工艺上可以减少制备掩膜环节，实现封闭空间内加工制造，还可以减少键合、装配环节，有利于实施内部连接、局部修复等。本专利技术给予了系统中微结构的设计更多自由度。本专利技术受材料限制小，超声加工能在激光加工无法加工的非透明材料中进行加工，且受材料形式限制少，可在金属和非金属材料上进行加工。且孔与孔之间相互连通的人工骨骼，从而提高生长因子与药物在人工骨骼的存储率，有利于骨细胞在孔隙中再生长。附图说明图1为本专利技术提供的一种基于超声加工的人工骨骼制造方法的整体系统框架示意图。图2为本专利技术提供的一种基于超声加工的人工骨骼制造方法的金属加工过程中局部示意图。具体实施方式由于材料阻抗与匹配问题，超声与材料表面作用时会产生大量超声能量的反射和散射等能量损失。本专利采用激光激发发声技术,提高光声耦合转化效率和超声的体内传播指向性。如图1所示，一种基于超声加工的人工骨骼制造装置，包括控温设备、激光超声装置10及超声阵列，所述控温设备、激光超声装置10及超声阵列均匀计算机相连接，所述激光超声装置10及超声阵列设于被加工金属的侧面，所述激光超声装置10及超声阵列不设于同一面。通过功率放大器16达到加工过程中脱附和悬浮需要的功率加。图中13为温控设备所产生的热辐射示意。图中17为超声发生器。所述控温设备为电磁加热设备或红外升温设备。所述激光超声装置包括若干个激光发射探头，如图中7、8、9所示。所述激光发射探头7、激光发射探头8、激光发射探头9用于金属内的局部加热。所述超声阵列包括若干个超声换能器12，所述超声换能器末端装设变幅杆，如图中标号1～6所示。一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，包括以下步骤：步骤一：首先，通过物理导热或者产热方式对所需加工材料进行均匀加热，获取加热中材料表面温度状况，当检测到材料表面接近熔点时停止加热，降低加热装置功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：首先，通过物理导热或者产热方式对所需加工材料进行均匀加热，获取加热中材料表面温度状况，当检测到材料表面接近熔点时停止加热，降低加热装置功率对材料进行保温；步骤二：根据加工材料不同温度条件下脉冲光与表面弹应力场的变化，在被加工合金在金属内部产生声孤子并将其聚焦在金属加工位置，加工区域产生超声能量聚焦产生温度梯度，在聚焦部位发生固态到液态的转化；步骤三：在步骤二中，加工区域发生固液相位转，液化金属在超声作用下发生分离变形，金属液滴与金属固体表面接触角逐渐增大，同时在超声相控阵列的超声波在液化金属区域产生声场；超声物理学系单轴超声声场下的声场势能Uac：调节每个超声换能器震动的频率以及震动功率，在加工区域产生个连续变化的声场力和声场势能；液滴在超声驻波声辐射力作用下趋于球形最后脱离壁面；液滴脱离壁面后向驻波点或超声声场势陷区域移动形成稳定悬浮；步骤四：步骤三实现液态废液与金属壁的脱离，废液分离后，由多个超声换能器组成的超声相控阵列产生连续变化的空间声压，通过控制各个超声波发生器的发出超声波长、位控制以及功率，在加工腔体内产生超声声陷势能，由物理定义物体在无外力作用下有从高势能处往低势能处运动的趋势，颗粒物体会随着超声势陷位置的变化而发生运动，通过对超声势陷的改变在声场内实现颗粒物的任意轨迹运动，利用连续变化的声压将剥落的废液从加工件腔体内排出；步骤五：持续进行步骤三、步骤四，将金属加工成相互连通的疏松孔材料。...

【技术特征摘要】
1.一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：首先，通过物理导热或者产热方式对所需加工材料进行均匀加热，获取加热中材料表面温度状况，当检测到材料表面接近熔点时停止加热，降低加热装置功率对材料进行保温；步骤二：根据加工材料不同温度条件下脉冲光与表面弹应力场的变化，在被加工合金在金属内部产生声孤子并将其聚焦在金属加工位置，加工区域产生超声能量聚焦产生温度梯度，在聚焦部位发生固态到液态的转化；步骤三：在步骤二中，加工区域发生固液相位转，液化金属在超声作用下发生分离变形，金属液滴与金属固体表面接触角逐渐增大，同时在超声相控阵列的超声波在液化金属区域产生声场；超声物理学系单轴超声声场下的声场势能Uac：调节每个超声换能器震动的频率以及震动功率，在加工区域产生个连续变化的声场力和声场势能；液滴在超声驻波声辐射力作用下趋于球形最后脱离壁面；液滴脱离壁面后向驻波点或超声声场势陷区域移动形成稳定悬浮；步骤四：步骤三实现液态废液与金属壁的脱离，废液分离后，由多个超声换能器组成的超声相控阵列产生连续变化的空间声压，通过控制各个超声波发生器的发出超声波长、位控制以及功率，在加工腔体内产生超声声陷势能，由物理定义物体在无外力作用下有从高势能处往低势能处运动的趋势，颗粒物体会随着超声势陷位置的变化而发生运动，通过对超声势陷的改变在声场内实现颗粒物的任意轨迹运动，利用连续变化的声压将剥落的废液从加工件腔体内排出；步骤五：持续进行步骤三、步骤四，将金属加工成相互连通的疏松孔材料。2.根据权利要求1所述的一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，其特征在于，步骤三中，声场势能Uac为：其中，p和v是声场压力和物体速度，cM是媒介中的声速度，k和ρ是可压缩量和密度，M和P分别代表媒介和悬浮物，r代表悬浮...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴立群，吴浩，睢娟，杨梦露，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33