医用镁合金金属零件的选区激光熔化成型装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种医用镁合金金属零件的选区激光熔化成型装置，包括控制装置、送铺粉装置、激光传输机构、气体净化装置和封闭的成型室，送铺粉装置包括料斗和安装于料斗下方两侧的铺粉刷，料斗上方与成型室上方的填料口对应设置，铺粉刷的下方与成型缸的上表面水平对应；激光传输机构设于成型室的外上方，且对应成型缸设置；成型室的侧壁上设有便于气体进出的进气口和出气口，气体净化装置分别与进气口和出气口连接；控制装置分别连接送铺粉装置、激光传输机构、成型缸和气体净化装置。本发明专利技术还提供了由上述装置实现的医用镁合金金属零件的选区激光熔化成型方法。本发明专利技术能够直接制造出满足医学领域复杂形状零件，具有成型效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于镁合金零件制造
，特别涉及一种医用镁合金金属零件的选区 激光熔化成型装置及方法。
技术介绍
目前，在临床上普遍使用的金属生物材料包括不锈钢、钛及钛合金、钴铬合金等， 这些金属生物材料虽然制造容易，但具有使用不足之处即可能在腐蚀或者在磨损过程中 释放有毒的金属离子或金属颗粒，从而导致组织缺损以及降低生物相容性。而且，这些金属 生物材料的弹性模量与正常骨组织并不十分相称，导致应力遮挡效应，使内植入体的稳定 性下降，且必须在患者充分痊愈后二次手术将其取出。镁是一种特殊的金属材料，密度是1. 74g/cm3，铝和钢的密度是镁的1. 6和4. 5倍。 镁的断裂韧性比包括羟基磷灰石在内的陶瓷材料强，相比于现有的金属生物材料(不锈 钢、钛及钛合金、钴铬合金等)，具有如下优点(1)镁的弹性模量和压力屈服强度更接近正 常骨组织；(2)镁是一种轻金属、可降解的、可承重骨科内植入物，让其在体内保持机械完 整性12 18周的作用时间，待骨组织正常愈合后可被正常组织代替，不需二次手术取出；镁合金可在人体内降解，是因为镁合金具有较低的腐蚀电位，在含有氯离子的体内环境 下易发生腐蚀，并以缓慢腐蚀的方式在体内完全降解，其腐蚀产物对生物体无毒害作用，且 能参与人体正常代谢。因此，随着科学技术的发展，在医学领域使用的金属生物材料经常优 先考虑使用镁。虽然，镁和镁合金在医学领域的应用具有重大意义，但由于镁的制造存在着以下 缺陷镁的化学活性很强，在空气中易氧化，在高温情况下可以发生燃烧，因此熔炼过程中 须采用复杂的保护措施，而工业中主要采用熔剂保护法和气体保护法，目前工业上应用镁 合金零件一般采用压铸生产工艺，这种生产方式虽然能制得镁合金零件，但是在医学领域， 由于需要的零件一般用作针对病人个体信息获得定制化的内植入物件或者外科手术辅助 工具，即，医用的镁合金零件需要是要求获得高自由度的复杂空间形状零件，如果采用压铸 的方法则很难达到要求。因此，镁合金在医学领域的应用则受到很大的限制，只能用于简单 形状的零件，不能广泛应用，所以针对医用的镁合金零件，需要寻求一种满足其复杂形状生 产的技术。选区激光熔化技术(SLM，Selective laser melting)是近几年在国内外迅速发展 起来的快速制造技术，原理上能够成型任意的可焊金属材料，能够成型任意复杂几何形状 的零件。而目前，选区激光熔化技术还没见用于加工生产医用的镁合金零件。而且，现有的选区激光熔化成型装置中，一般采用粉末缸和成型缸组成的双缸式 结构，这种结构存在着以下缺陷(1)大大增加了整套设备的体积(2)即使成型非常细小的 零件，也需要倒入大量粉末，造成大量的浪费现象；(3)送铺粉装置需在双缸上来回运行， 成型效率低下。而且，现有的技术中，一般都没有预加热装置和结构，往往容易产生成型过 程中的翘曲与裂纹，粉末完全熔化对激光能量的输入要求也比较高，需要消耗较大的能量；同时用于加工镁合金零件，若没有预加热装置，则无法满足镁合金粉末的成型温度和条件。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种能够直接制造出满 足医学领域复杂形状零件的医用镁合金金属零件的选区激光熔化成型装置。本专利技术的另一目的在于提供由上述装置实现的医用镁合金金属零件的选区激光 熔化成型方法。本专利技术的目的通过下述技术方案实现医用镁合金金属零件的选区激光熔化成型装置，包括控制装置、送铺粉装置、激光 传输机构、气体净化装置和封闭的成型室，所述成型室内设有成型缸和回收缸，回收缸设于 成型缸的一侧；所述送铺粉装置设于成型室内，包括料斗和安装于料斗下方两侧的铺粉刷， 所述料斗上方与成型室上方的填料口对应设置，铺粉刷的下方与成型缸的上表面水平对 应；所述激光传输机构设于成型室的外上方，且对应成型缸设置；所述成型室的侧壁上设 有便于气体进出的进气口和出气口，所述气体净化装置分别与进气口和出气口连接；所述 控制装置分别连接送铺粉装置、激光传输机构、成型缸和气体净化装置。所述铺粉刷为若干个叠加的刷片，每个刷片均由若干个刷片单元构成，各刷片的 刷片单元之间错开设置；铺粉刷的刷片优选30 100 i! m厚度的316L或者304不锈钢片， 各刷片的刷片单元通过光纤光纤激光器或紫外光纤激光器切割的方式切割而成，刷片单元 之间的间隙为激光切割的缝宽。所述料斗下方前侧的刷片前还安装有刮板，其作用是将金属粉末较厚的先预置在 成型缸上，避免粉末过多时刷片不能推动这些粉末前行，甚至导致刷片过度弯折的情况发 生，使得刷片损坏；刮板的低端比刷片的低端高。所述各刷片的刷片单元之间的间隙为0.05 0. 15mm，每个刷片单元的宽度为 3mm 5mm ；所述刮板的低端比刷片的低端高50 200 u m。所述激光传输机构包括依次光路连接的光纤激光器、光路传输元件、扫描振镜、聚 焦镜片和透光镜，所述聚焦镜片和透光镜设置于成型室的上方，并对应成型缸设置；所述光 纤激光器和扫描振镜均与控制装置连接。所述聚焦镜片优选场聚焦镜片或远心透镜，场聚 焦镜片或远心透镜可以选用100mm、163mm或254mm的焦距镜片，同时扫描振镜的耦合垫片 和透光镜的的焦距均分别与聚焦镜片的焦距匹配，以满足激光的扫描范围。所述聚焦镜片 采用远心透镜，其作用不仅保证了不同位置的激光功率密度相等，也能够保证激光聚焦后 的光束垂直入射到粉末表面，保证熔池的稳定成型，提高镁合金成型件的表面质量。本专利技术 装置在加工时，能够获得不同的扫描范围与聚焦光斑尺寸，以满足镁合金成型件体积变化 较大要求。当镁合金成型零件小，且要求镁合金成型件表面质量与成型精度要求高时，聚焦 镜片使用100mm焦距，同时调整扫描振镜的耦合垫片和透光镜的的焦距使其与聚焦镜片的 焦距匹配，以获得较小的扫描范围和精细的聚焦光斑尺寸；而当镁合金成型零件较大，聚焦 镜片使用254mm焦距，同时调整扫描振镜的耦合垫片和透光镜的的焦距使其与聚焦镜片的 焦距匹配，此时虽伴随扫描范围的增大，激光聚焦光斑直径相应变大。所述光纤激光器的功率优选50 400W，光束质量M2 < 1. 1，激光能量呈现高斯分 布，光纤激光器的功率能够满足聚焦光斑的直径要求，使得聚焦到成型面上的功率密度足够熔化任何金属粉末，其长期稳定使用几乎免维护，所述激光为连续模式激光。所述光路传输元件包括光纤传输线路以及依次安装在光纤传输线路上的准直扩 束镜、光隔离器和光纤耦合头，在光纤传输线路的外套上设有水冷结构；所述扫描振镜上设有风冷结构；所述聚焦镜片和透光镜的一侧设有气刀，所述气刀为0. 15Mpa 0. 2Mpa的氩气。光路传输元件的质量对成型过程稳定性及成型件质量影响大，不但要保证光路传 输元件中的各光学器件处于完全密封的环境中，以防止外界灰尘对镜片表面的污染。所述气体净化装置包括相互连接的真空泵和过滤器，真空泵分别与控制装置、成 型室的进气口连接，过滤器与成型室的出气口连接；所述真空泵外接惰性气体供应装置。 在成型室的出气口处设有氧含量监测仪。所述送铺粉装置的料斗内设有加热丝；或者，所述成型缸的下方设有加热丝。所述成型室外侧还设有成型罩。因镁合金的预热的理想温度接近为固态相变点， 镁合金的固态相变点为565摄氏度本文档来自技高网...

【技术保护点】
医用镁合金金属零件的选区激光熔化成型装置，其特征在于：包括控制装置、送铺粉装置、激光传输机构、气体净化装置和封闭的成型室，所述成型室内设有成型缸和回收缸，回收缸设于成型缸的一侧；所述送铺粉装置设于成型室内，包括料斗和安装于料斗下方两侧的铺粉刷，所述料斗上方与成型室上方的填料口对应设置，铺粉刷的下方与成型缸的上表面水平对应；所述激光传输机构设于成型室的外上方，且对应成型缸设置；所述成型室的侧壁上设有便于气体进出的进气口和出气口，所述气体净化装置分别与进气口和出气口连接；所述控制装置分别连接送铺粉装置、激光传输机构、成型缸和气体净化装置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨永强，王迪，苏旭彬，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]