基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法技术

本发明专利技术涉及基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法，包括有三维设计、三维数据处理、陶瓷原料制备、激光烧结和零件后处理，其中在陶瓷原料制备时，先将陶瓷粉末原料在低于常规烧结温度的环境中进行预烧结，然后对陶瓷粉末进行破碎和筛分；激光选区烧结时，铺粉刮刀和打印基板均与上述的陶瓷粉末原料为相同材质；每层先用低的线能量密度激光进行多次重复扫描，再用高的线能量密度激光进行致密重熔，最后逐层叠加为零件的成型件。本发明专利技术能够大幅度减少打印材料的用量，并且明显缩短了生物陶瓷零件的制作时间，完全避免了在成型过程中可能出现的化学杂质污染。

Processing method of bioceramic parts based on laser selective sintering

The invention relates to a processing method of bio ceramic parts based on selective laser sintering, including three-dimensional design, three-dimensional data processing, ceramic raw material preparation, laser sintering parts and postprocessing, in which the ceramic raw material preparation, the ceramic powder materials were pre sintered at the sintering temperature is lower than that of the conventional environment, then broken and the screening of ceramic powder; selective laser sintering, powder scraper and print substrate and ceramic powder raw material for the same material; each layer with low energy density of the laser line of repeated scanning, line with high energy density of laser remelting of dense layer, finally forming parts for superposition. The invention can greatly reduce the dosage of printing materials, and obviously shorten the production time of bioceramic parts, and completely avoid chemical contamination that may occur in molding process.

【技术实现步骤摘要】
基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法
本专利技术涉及3D打印的方法，具体的讲是基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法。
技术介绍
3D打印(增材制造)的出现改变了传统制造模式，是技术革命发展进程中的重要产物，其通过重建设计三维数字化模型，采用离散材料逐层累加原理，可以成型传统制造技术无法成型的自由曲面、中空结构和多孔结构等形状复杂的零件，具有成型周期短、制造效率高、节约材料等优点，让整个制造过程真正实现了智能化、数字化、脱模化的现代高科技成型方式。SLS(激光选区烧结)是目前应用最为广泛的3D打印技术，它是一种基于快速激光扫描烧结粉末材料的AM(增材制造)技术，集激光技术、数字智能化控制技术、计算机辅助设计分析技术、快速成型于一体，能直接制造组织致密、力学性能良好、精度高的零部件。目前激光选区烧结材料主要包括高分子材料、金属材料、无机非金属材料和食品材料等。陶瓷是一种传统的无机材料，但是对于3D打印领域来说，却是一个新兴的材料。传统的陶瓷器物以天然粘土和各种天然矿物为主要原料经过粉碎混炼、成型，在专门的窑炉中高温烧制而成。生物陶瓷材料作为生物医学材料，从十八世纪初开始发展至今，不断涌现出各种新型材料，其应用范围也在逐步扩大，现可应用于人工骨、人工关节、人工齿根、骨充填材料、骨置换材料、骨结合材料、还可应用于人造心脏瓣膜、人工肌腱、人工血管、人工气管，经皮引线可应用于体内医学监测等。在医疗领域，陶瓷具有良好的生物相容性、生物可降解性、骨诱导性以及优良的耐腐蚀性和耐磨损性，它们在生理环境中可被逐渐地降解吸收，并随之被新生组织替代，从而达到修复或替换被损坏组织的目的。尤其，其独特的美学性能是金属材料和其它高分子材料无法比拟的，因此，诸如氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、羟基磷灰石(HAP)等生物陶瓷材料，在口腔牙体缺损修复、口腔颌面外科手术以及临床骨组织替代中被广泛应用。陶瓷3D打印是一种新型的精密制造技术，其结合计算机三维建模与计算机辅助设计，可快速成型为具有个性化、复杂化、高精度的陶瓷零件，具有工序简单、制作周期短、材料利用率高等优点。通过激光选区烧结对陶瓷材料进行3D激光打印时，通常包括有三维设计、三维数据处理、陶瓷原料制备、激光烧结、零件后处理等步骤。其中在三维设计中通常是先获取需打印的影像学数据，再使用CAD软件设计出符合需求的三维形态。然后在三维数据处理中对三维设计导出的STL数据进行数据处理，得到陶瓷3D打印成型的数据，通常包括了数据检查和修复、位置摆放、支撑添加和切片等步骤。然后经包括扫描策略规划和激光加工参数设置的激光烧结后，对打印件进行热应力去除等后处理，完成整个打印过程。目前较知名的陶瓷3D打印公司如法国的3DCeram和奥地利的Lithoz等公司，均是采用SLA(立体光固化技术)进行陶瓷打印，激光按照特定的路线对陶瓷膏料固化后，经过表面清洁、脱脂、高温烧结等工序，最后得到性能优异的陶瓷产品。但光固化技术得到的生坯强度较低，收缩率较大，难以满足高强度使用要求。中国专利CN201510614565.3公开了一种3D打印陶瓷工艺，将低温粘结剂和中温粘结剂分别预制成颗粒与粉末状的陶瓷粉混合均匀作为喷料，利用选择性激光烧结技术得到粗坯，分别进行中温烧结与高温烧结得到产品。但在打印过程中仍需要设置脱脂、排塑等处理工艺，存在后续工艺复杂，成型周期长，精度差等缺陷。并且，在对生物植入件或修复件而言，各种粘结剂等化学物质的加入，若在后续工艺中无法排除干净，将混入陶瓷产品中，使得陶瓷零件混入杂质，孔隙率增大，强度减小，在后续的临床应用中残留的粘结剂也存在安全隐患。因此，需要一种新的成型方法来解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法，不需要在陶瓷原料中加入粘接剂，以避免在成型过程中可能出现的化学杂质污染。本专利技术基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法，包括三维设计、三维数据处理、陶瓷粉末原料制备、激光选区烧结和零件后处理，陶瓷粉末原料制备时，先将陶瓷粉末原料在低于常规烧结温度的环境中进行预烧结，然后将预烧结后的陶瓷粉末进行破碎和筛分后备用；激光选区烧结时，激光3D打印设备的铺粉刮刀和打印基板均与上述的陶瓷粉末原料为相同材质；在激光加工参数设置中，在确定了每层总的线能量密度的基础上，每层先用低的线能量密度激光进行多次重复扫描，再用高的线能量密度激光进行致密重熔，最后依此逐层叠加为成型件。进一步的，在陶瓷粉末原料制备的预烧结中，预烧结的温度为1200～1300℃，保温时长为0.5～1小时。进一步的，陶瓷粉末原料的粒径为10～60μm。具体的，在激光选区烧结中，先用线能量密度为0.1～0.3J/mm的低的线能量密度激光进行4～6次重复扫描后，再用线能量密度控制在0.5～1J/mm的高的线能量密度激光进行致密重熔。进一步的，在激光选区烧结时，扫描线之间的间隔距离为0.08～0.14mm，轮廓线的偏移距离为向内偏移0.1～0.15mm。在此基础上，在三维设计时，将零件的三维模型设计为通过交错的支撑杆形成自支撑的多孔结构；所述支撑杆的直径大于0.15mm，每根支撑杆与水平面的夹角为37°～90°。可选的，在三维设计中，将三维模型的尺寸设计为比零件的实际尺寸大15％～25％。优选的，在三维数据处理的支撑添加中采用锥形支撑结构，其中锥底位于基板上。优选的，在锥形支撑结构的距离锥顶0.3～0.5mm处设有直径为0.7～1mm的断裂部。可选的，在三维数据处理的支撑添加中采用树形支撑结构，其中树干底部位于基板上。进一步的，在三维数据处理的位置摆放中，使三维模型的长边的轴线与激光3D打印设备的铺粉刮刀保持小于90°的夹角。具体的，所述生物陶瓷零件为人工义齿或人工骨组织。为了防止成型的陶瓷零件变形，并进一步提升陶瓷零件的致密度和力学性能，在切割之前需要将成型的陶瓷零件连同基板一同放入真空烧结炉中，进行退火热处理。本专利技术的基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法，能够大幅度减少打印材料的用量，并且明显缩短了生物陶瓷零件的制作时间，同时还完全避免了在成型过程中可能出现的化学杂质的污染。以下结合实施例的具体实施方式，对本专利技术的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本专利技术上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本专利技术的范围内。附图说明图1为本专利技术基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法的流程图。图2为本专利技术锥形支撑结构的示意图。图3为本专利技术三维设计中具有自支撑的多孔结构的示意图。具体实施方式本专利技术基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法，包括有三维设计、三维数据处理、陶瓷原料制备、激光烧结和零件后处理，其中：陶瓷原料制备：先将陶瓷粉末原料在低于常规的1500℃～1700℃的烧结温度的环境中进行预烧结，预烧结的温度可以是1000℃～1500℃之间，然后将预烧结后的陶瓷粉末进行机械破碎，并筛分为合适粒径大小后，得到适用于激光选区烧结的陶瓷粉末原料，陶瓷粉末原料的优选粒径为10～60μm。；激光选区烧结：激光3D打印设备的铺粉刮刀和打印基板均与所述的陶瓷粉末原料为相同材质，避免铺粉时本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法，包括三维设计、三维数据处理、陶瓷粉末原料制备、激光选区烧结和零件后处理，其特征为：陶瓷粉末原料制备时，先将陶瓷粉末原料在低于常规烧结温度的环境中进行预烧结，然后将预烧结后的陶瓷粉末进行破碎和筛分后备用；激光选区烧结时，激光3D打印设备的铺粉刮刀和打印基板均与上述的陶瓷粉末原料为相同材质；在激光加工参数设置中，在确定了每层总的线能量密度的基础上，每层先用低的线能量密度激光进行多次重复扫描，再用高的线能量密度激光进行致密重熔，最后依此逐层叠加为成型件。

【技术特征摘要】
1.基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法，包括三维设计、三维数据处理、陶瓷粉末原料制备、激光选区烧结和零件后处理，其特征为：陶瓷粉末原料制备时，先将陶瓷粉末原料在低于常规烧结温度的环境中进行预烧结，然后将预烧结后的陶瓷粉末进行破碎和筛分后备用；激光选区烧结时，激光3D打印设备的铺粉刮刀和打印基板均与上述的陶瓷粉末原料为相同材质；在激光加工参数设置中，在确定了每层总的线能量密度的基础上，每层先用低的线能量密度激光进行多次重复扫描，再用高的线能量密度激光进行致密重熔，最后依此逐层叠加为成型件。2.如权利要求1所述的基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法，其特征为：在陶瓷粉末原料制备的预烧结中，预烧结的温度为1200～1300℃，保温时长为0.5～1小时。3.如权利要求1所述的基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法，其特征为：陶瓷粉末原料的粒径为10～60μm。4.如权利要求1所述的基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法，其特征为：在激光选区烧结中，先用线能量密度为0.1～0.3J/mm的低的线能量密度激光进行4～6次重复扫描后，再用线能量密度控制在0.5～1J/mm的高的线能量密度激光进行致密重熔。5.如权利要求4所述的基于激光选区烧结的生物陶瓷零件的加工方法，其特征为：在激光选区烧结时，扫描线之间的间隔距离为0.08～0.14mm，轮廓线的偏移距离为向内偏移0.1～0...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚圳珠，刘睿诚，吴利苹，邹善方，张志霄，蒋安琪，
申请(专利权)人：成都优材科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51