[发明专利]一种基于浆料直写的制备金属人工骨3D打印方法

说明书

本发明涉及一种基于浆料直写的制备金属人工骨3D打印方法，属于增材制造领域的金属3D打印方法。将打印金属粉末与造孔剂锰粉、粘结剂混合均匀后，通过气动打印喷头挤出成为线条，粘结剂中溶剂挥发，随着三维运动平台的移动成为具有复杂形状的三维结构。在后期烧结过程中，粘结剂中聚合物在约300℃时热解，所要制备人工骨的金属材料在高于1000℃的环境中融合在一起，而锰粉则在低于1000℃的高真空条件下蒸发，在线条内部形成微观孔隙。微观孔隙与线条之间的结构孔隙相独立，可以在保持结构孔隙率不变的同时进行微观孔隙的调整，进而调整人工骨支架的机械性能，使其结构孔隙率与机械性能可以同时与人体原有骨骼保持一致。

技术领域

本发明涉及一种增材制造领域的基于浆料直写制备金属人工骨的3D打印方法，尤其是能够加工出定制化的、几何形状复杂的、可同步调节结构孔隙率与自身机械性能的金属人工骨加工方法。

背景技术

目前主流的金属增材制造技术主要有：粉床熔融(Powder bed fusion,PBF)和直接能量沉积(Direct energy deposition,DED)。其中采用激光作为能源的粉床熔融技术(PBF)占据了90％以上的金属3D打印市场，该技术是在金属粉床上进行单层金属粉末的激光扫略，将粉末熔化形成固定形状，之后进行一层层的不断铺粉并扫略，不断重复直至样件成型。直接能量沉积技术(DED)则是在气体保护下通过送粉装置将粉末送到能量束下方，能量束将其熔化，之后逐层堆叠凝固成型。这两类技术通过密集能量将金属粉末融化后堆叠成型，不过，在加工过程中存在以下缺点：

1、高精密的能量加工系统使得加工过程成本高昂；

2、存在一定安全隐患；

3、单层的能量扫略使得上下层之间存在温差，在一定程度上会产生残余应力，影响整体性能；

浆料直写(Directinkwriting，DIW)采用的是将挤出的浆料沉积成型的技术，该技术是将聚合物溶剂或颗粒混合，形成均匀性质的可流动的浆料，其粘度可保证在一定内径的喷头内挤出线条，又会在挤出后保持一定的形状，可以保证其成型能力。被挤出的线条按照切片软件设计好的路径进行移动在基板水平面内形成一定形状，随后基板下沉一层，进行第二层的打印，随后该过程不断重复，直至整个三维结构件被加工成型。现在该技术已经用于加工金属零件，在配置浆料时，将粘稠状的粘结剂与金属颗粒进行均匀混合，保证浆料的流动性和可挤出性，随后堆积成形。但该成型件为聚合物粘接起来的金属粉末，并不具备金属的强度，不属于真正的金属件。在随后的烧结过程中，聚合物粘结剂被烧结去除，金属粉末颗粒在高温下逐步熔合，形成具有金属强度的结构件。该技术可进行微小结构孔隙人工骨加工，且成本低廉，成型样件不存在内应力。

在加工金属人工骨时，为匹配人体原有骨骼的机械特性，在加工时要将金属的机械强度，尤其是弹性模量进行降低，否则会产生应力屏蔽现象，引起人体骨骼疏松等问题。无论哪种方法加工金属人工骨，孔隙率与机械性能存在较大关联，随着孔隙率的增加，机械性能呈线性降低趋势，该线性趋势使得孔隙率与机械性能两个特征同步调节，无法在保持支架结构孔隙率特征不变的同时去降低支架的机械强度，难以实现线性规律外的参数调节。因此，孔隙率与机械强度很难两者同时匹配人体骨骼。

发明内容

本发明提供一种基于浆料直写的制备金属人工骨3D打印方法，以解决现有金属3D打印方法加工金属人工骨支架无法同时调节结构孔隙率与机械性能与人体原有骨骼匹配的问题。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

(1)、混合金属浆料前，称量聚合物与溶剂的质量比为1：3～5，将聚合物和溶剂在密封容器内溶解6～12h，制备成均匀性质的、可流动的、具有一定粘度的浆料粘结剂；