CN114147237A - 一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法，该方法包括：一、对增材制造技术成形的多孔钽材料进行喷吹；二、对喷吹清理多孔钽材料进行超声清理；三、将超声清洗多孔钽材料中通入清洗溶液进行清洗，得到孔道洁净的多孔钽材料。本发明通过依次进行喷吹、超声和通入清洗溶液，选择了最为合适的流体运动路线，在通入清洗溶液时，选用对多孔钽材料进行腐蚀的氢氧化钠溶液，充分利用流体通过多孔材料孔道时的冲刷作用，腐蚀和破坏粉末颗粒间形成的烧结颈，对增材制造多孔钽材料孔道内残余粉末进行了有效的清理，确保了多孔结构的完整性，从而有效保证了多孔钽材料在后期服役过程中的安全可靠，可大规模生产利用。

Description

一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法
技术领域
本发明属于增材制造零件的后处理技术领域，具体涉及一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法。
背景技术
多孔钽是一种泡沫状的多孔金属，弹性模量约为3GPa，介于人体松质骨(0.1～1.5GPa)和皮质骨(12～18GPa)之间，远低于钛合金和钴铬钼合金。早在1997年，美国食品药品管理局就批准多孔钽可以作为生物医用材料进行人工髋臼的临床治疗。与其他生物医用金属材料相比，多孔钽具有高容积孔隙率、低弹性模量及高表面摩擦系数的典型特性，是一种比较理想的骨替代材料。在生物性能方面，多孔钽表现出良好的生物相容性、耐腐蚀性、骨诱导特性，其应用前景有望赶超目前临床应用最广泛的钛合金材料，从而成为医用植入材料研究的新方向。
近年来，随着精准医疗理念的普及，临床对植入物提出了定制化的需求，如何根据个体需求制备成分复合标准、性能与宿主匹配的多孔钽植入体，成为材料届、医学界和工程界共同关心的话题和研究热点。而市场上应用最广泛的美国Zimmer公司的标准化多孔钽，采用的是传统的化学气相沉积技术，无法实现定制化多孔钽植入材料的制备。
金属3D打印技术即增材制造是实现多孔材料定制化制造的有效手段，可有效控制孔径大小、孔隙率和孔隙分布，典型代表有激光选区熔化技术和电子束选区熔化技术，并已经应用于金属医用植入材料的制备。授权公告号为CN102796910B和CN107598166B专利分别采用激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)和电子束熔化技术选区电子熔覆技术(Selective electron beam metling,SEBM)实现了多孔钽材料的制备。由于电子束可以对粉末床进行预热(最高可达1200℃)，大幅消减了高熔点金属钽在成形过程中的应力，使得SEBM技术制备的个性化多孔钽植入体已经在临床获得了应用，并且被认为有望取代Zimmer公司的相关产品。
但在SEBM等增材制造技术成形多孔钽材料的过程中，粉末床预热(约1000℃)以及熔化区域的热量传导会导致临近熔化区的粉末产生微弱“烧结”，成形完成后多孔结构内部粉末的清除成为目前限制增材制造多孔钽材料在临床应用的关键。
前期研究发现，增材制造成形后多孔钽内部残余粉末主要包括两种：1)没有发生熔化，只是在孔道内部滞留的残余粉末。2)由于热影响作用，与熔化区发生冶金结合的粉末。为了解决上述难题，国内外相继开发出了超声振动法以及高压气体喷吹法，对增材制造技术成形多孔结构内部残余粉末进行清理。实际效果表面，现有工艺方法近能实现对上述第1种残余粉末的有效清理。对于第2种残余粉末没有效果，由于残余粉末已产生了表面扩散烧结，具备了一定的强度，高压气体以及超声波振动均难以对表面烧结颈产生破坏。
因此需要一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法。该方法通过依次进行喷吹、超声清洗和通入清洗溶液，对增材制造多孔钽材料孔道残余粉末进行了有效的清理，在通入清洗溶液时，充分利用流体通过多孔材料孔道时的冲刷作用，腐蚀和破坏粉末颗粒间形成的烧结颈，确保了多孔结构的完整性，从而有效保证了多孔钽材料在后期服役过程中的安全可靠，简单高效，可大规模生产利用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将采用增材制造技术成形的多孔钽材料放入粉末回收***中，采用气体进行喷吹，得到喷吹清理多孔钽材料；
步骤二、将步骤一中得到的喷吹清理多孔钽材料依次进行超声清洗和烘干，得到超声清洗多孔钽材料；
步骤三、将步骤二中得到的超声清洗多孔钽材料中通入清洗溶液进行清洗，然后在去离子水中进行超声清洗，再进行烘干，得到孔道洁净的多孔钽材料；所述清洗从多孔钽材料中最大开口方向通入清洗溶液，所述清洗溶液通入的压力为50kPa～200kPa，所述清洗溶液为质量分数30％～80％的氢氧化钠溶液，所述清洗溶液的温度为90℃～110℃，所述通入清洗溶液的时间为20min～60min。
本发明通过在粉末回收***中采用气体进行喷吹，将并未有效连接的残余粉末进行回收，提高粉末的利用率，节约成本，其中的粉末回收***为增材制造成形设备配套，可以将粉末床的钽粉在***内循环，并可以通过喷枪依托高压气体并携带金属粉末对样品进行高压喷吹的装备，实现了初步清理；通过超声清洗，去除无法吹掉但又没有未发生熔化的粉末；通过通入清洗溶液进行清洗，以氢氧化钠溶液作为载体工具，利用液体流过多孔材料后产生的强力冲刷腐蚀作用，有效破坏多孔钽内部残余粉末颗粒之间形成的烧结颈，实现了增材制造技术成形过程中未熔化的粉末完全清理，确保了多孔结构的完整性，从而有效保证了多孔钽材料在后期服役过程中的安全可靠；本发明清洗从多孔钽材料中最大开口方向通入清洗溶液，多孔钽材料中最大开口方向为密排指数最小的方向，从该方向通入流阻最小，具有最优的去除效果；本发明通过控制清洗溶液通入的压力，保证了对残余粉末颗粒之间形成的烧结颈进行有效破坏，实现了对残余粉末颗粒的有效清理，防止了压力过小不能有效破坏烧结颈，造成清洗时间增加，降低效率的不足，防止了压力过大对多孔钽材料造成破坏的不足；本发明通过控制氢氧化钠溶液的质量分数，保证了对残余粉末颗粒之间形成的烧结颈进行有效破坏，实现了对残余粉末颗粒的有效清理，防止了质量分数过小不能有效破坏烧结颈，造成清洗时间增加，降低效率的不足，防止了质量分数过大对多孔钽材料造成破坏的不足；本发明通过控制清洗溶液的温度，保证了清洗溶液达到对烧结颈破坏的最低温度，实现了对残余粉末颗粒的有效清理；本发明通过控制通入清洗溶液的时间保证了残余粉末颗粒的充分清理。
上述的一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法，其特征在于，步骤一中所述喷吹的压力为0.2MPa～0.4MPa，所述喷吹重复3～5次，所述气体为干燥空气，所述喷吹采用的喷枪与多孔钽材料表面的距离小于10mm。本发明通过控制喷吹的压力将点阵型多孔钽材料上并未有效连接的残余粉末吹掉；本发明通过重复进行喷吹将未有效连接的残余粉末充分回收；本发明通过采用干燥空气，廉价易得，也不会对点阵型多孔钽材料造成影响；本发明通过控制喷枪与多孔钽材料表面的距离保证了喷吹的效果。
上述的一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法，其特征在于，步骤一中所述喷吹从多孔点阵结构中最大开口方向进行。
上述的一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法，其特征在于，步骤二中所述超声清洗在乙醇溶液中进行，所述超声清洗的时间为2h～4h，所述干燥的温度为100℃。本发明通过在乙醇溶液中进行超声，去除无法吹掉但又没有未发生熔化的粉末。
上述的一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法，其特征在于，步骤三中所述最大开口方向为多孔点阵结构中密排指数最小的方向。本发明通入清洗溶液从多孔点阵结构中最大开口方向进行流阻最小，具有最优的去除效果，有效提高了清理效率。
上述的一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法，其特征在于，步骤三中所述超声清洗重复进行3次，每次30min，在每次超声清洗后应更换干净的去离子水进行下一次超声清洗，所述烘干的温度为100℃。本发明通过超声清洗，将残留的氢氧化钠溶液充分去除，将多孔钽材料表面杂质进行清理。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过依次进行喷吹、超声清洗和通入清洗溶液，对增材制造多孔钽材料孔道残余粉末进行了有效的清理，在通入清洗溶液时，充分利用流体通过多孔材料孔道时的冲刷作用，腐蚀和破坏粉末颗粒间形成的烧结颈，实现了对残余粉末颗粒的有效清理，简单高效，可大规模生产利用。
2、本发明在通入清洗溶液进行清理时，从从多孔钽材料中最大开口方向输入清除介质，确保了高压气体和清洗溶液以最小的流阻通过，从而实现对孔道内部残余粉末的高效清除。
3、本发明当清洗溶液通过多孔材料时，由于多孔结构的毛细效应，腐蚀会优先发生在粉末颗粒间形成的微小孔隙，同时，当清理介质通过多孔钽材料时，还会对增材制造成形多孔钽材料表面进行修饰，降低其表面粗糙度，提升多孔钽材料的力学性能和后期在人体内的稳定性。
4、本发明通过气体进行喷吹、超声清洗、清洗溶液清洗，并未破坏点阵型多孔钽材料的孔道的结构，孔道洁净的多孔钽材料的孔隙率与模型设计孔隙率的偏差在4.9％以下，偏差越小表明最终获得的零件与设计值越接近，成形精度越高。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例1中得到的喷吹清理多孔钽材料的微观形貌图。
图2是本发明实施例1中得到的孔道洁净的多孔钽材料的微观形貌图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将采用增材制造技术成形的多孔钽材料放入粉末回收***中，采用气体进行喷吹，得到喷吹清理多孔钽材料；所述多孔钽材料为多孔点阵结构；所述喷吹的压力为0.2MPa，所述喷吹重复5次，所述气体为干燥空气，所述喷吹采用的喷枪与多孔钽材料表面的距离小于10mm；所述喷吹从多孔点阵结构中X轴、Y轴以及Z轴方向最大开口方向分别进行；所述多孔钽材料的点阵结构单位为菱形十二面体结构；
步骤二、将步骤一中得到的初步清理多孔钽材料依次进行超声清洗和烘干，得到超声清洗多孔钽材料；所述超声清洗在乙醇溶液中进行，所述超声清洗的时间为2h，所述干燥的温度为100℃；
步骤三、将步骤二中得到的超声清洗多孔钽材料中通入清洗溶液进行清洗，然后在去离子水中进行超声清洗，再进行烘干，得到孔道洁净的多孔钽材料；所述清洗从多孔点阵结构中X轴、Y轴以及Z轴方向最大开口方向分别通入清洗溶液，所述多孔结构单元的最大开口方向为多孔点阵结构中密排指数最小的方向，所述清洗溶液通入的压力为50kPa，所述清洗溶液为质量分数30％的氢氧化钠溶液，所述清洗溶液的温度为100℃，所述通入清洗溶液的时间为20min；所述超声清洗重复进行3次，每次30min，在每次超声清洗后应更换干净的去离子水进行下一次超声清洗，所述烘干的温度为100℃。
图1是本实施例中得到的喷吹清理多孔钽材料的微观形貌图，从图1中可以看出，经过喷吹后孔道内部依然残留了大量未微熔化的金属粉末。
图2是本发明实施例1中得到的孔道洁净的多孔钽材料的微观形貌图，从图2中可以看出，经过清洗溶液清洗后，孔道内部残余的粉末完全得到了清除，实测孔隙率与设计孔隙率的偏差仅为3.2％。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将采用增材制造技术成形的多孔钽材料放入粉末回收***中，采用气体进行喷吹，得到喷吹清理多孔钽材料；所述多孔钽材料为多孔点阵结构；所述喷吹的压力为0.3MPa，所述喷吹重复3次，所述气体为干燥空气，所述喷吹采用的喷枪与多孔钽材料表面的距离小于10mm；所述喷吹从多孔点阵结构中X轴、Y轴以及Z轴方向最大开口方向分别进行；所述多孔钽材料的点阵结构为简单立方结构；
步骤二、将步骤一中得到的初步清理多孔钽材料依次进行超声清洗和烘干，得到超声清洗多孔钽材料；所述超声清洗在乙醇溶液中进行，所述超声清洗的时间为3h，所述干燥的温度为100℃；
步骤三、将步骤二中得到的超声清洗多孔钽材料中通入清洗溶液进行清洗，然后在去离子水中进行超声清洗，再进行烘干，得到孔道洁净的多孔钽材料；所述清洗从多孔点阵结构中X轴、Y轴以及Z轴方向最大开口方向分别通入清洗溶液，所述多孔结构单元的最大开口方向为多孔点阵结构中密排指数最小的方向，所述清洗溶液通入的压力为100kPa，所述清洗溶液为质量分数50％的氢氧化钠溶液，所述清洗溶液的温度为100℃，所述通入清洗溶液的时间为40min；所述超声清洗重复进行3次，每次30min，在每次超声清洗后应更换干净的去离子水进行下一次超声清洗，所述烘干的温度为100℃。
经检测，本实施例得到的孔道洁净的多孔钽材料的孔隙率与模型设计孔隙率的偏差仅为4.28％。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将采用增材制造技术成形的多孔钽材料放入粉末回收***中，采用气体进行喷吹，得到喷吹清理多孔钽材料；所述多孔钽材料为多孔点阵结构；所述喷吹的压力为0.3MPa，所述喷吹重复3次，所述气体为干燥空气，所述喷吹采用的喷枪与多孔钽材料表面的距离小于10mm；所述喷吹从多孔点阵结构中X轴、Y轴以及Z轴斜向45°方向最大开口方向分别进行；所述多孔钽材料的点阵结构为Octet-truss结构，其中Octet-truss表示八隅体；
步骤二、将步骤一中得到的初步清理多孔钽材料依次进行超声清洗和烘干，得到超声清洗多孔钽材料；所述超声清洗在乙醇溶液中进行，所述超声清洗的时间为4h，所述干燥的温度为100℃；
步骤三、将步骤二中得到的超声清洗多孔钽材料中通入清洗溶液进行清洗，然后在去离子水中进行超声清洗，再进行烘干，得到孔道洁净的多孔钽材料；所述清洗从多孔点阵结构中X轴、Y轴以及Z轴斜向45°方向最大开口方向分别通入清洗溶液，所述多孔结构单元的最大开口方向为多孔点阵结构中密排指数最小的方向，所述清洗溶液通入的压力为200kPa，所述清洗溶液为质量分数80％的氢氧化钠溶液，所述清洗溶液的温度为100℃，所述通入清洗溶液的时间为60min；所述超声清洗重复进行3次，每次30min，在每次超声清洗后应更换干净的去离子水进行下一次超声清洗，所述烘干的温度为100℃。
经检测，本实施例得到的孔道洁净的多孔钽材料的孔隙率与模型设计孔隙率的偏差仅为4.87％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将采用增材制造技术成形的多孔钽材料放入粉末回收***中，采用气体进行喷吹，得到喷吹清理多孔钽材料；
步骤二、将步骤一中得到的喷吹清理多孔钽材料依次进行超声清洗和烘干，得到超声清洗多孔钽材料；
步骤三、将步骤二中得到的超声清洗多孔钽材料中通入清洗溶液进行清洗，然后在去离子水中进行超声清洗，再进行烘干，得到孔道洁净的多孔钽材料；所述清洗从多孔钽材料中最大开口方向通入清洗溶液，所述清洗溶液通入的压力为50kPa～200kPa，所述清洗溶液为质量分数30％～80％的氢氧化钠溶液，所述清洗溶液的温度为90℃～110℃，所述通入清洗溶液的时间为20min～60min。
2.根据权利要求1所述的一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法，其特征在于，步骤一中所述喷吹的压力为0.2MPa～0.4MPa，所述喷吹重复3～5次，所述气体为干燥空气，所述喷吹采用的喷枪与多孔钽材料表面的距离小于10mm。
3.根据权利要求1所述的一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法，其特征在于，步骤一中所述多孔钽材料为多孔点阵结构。
4.根据权利要求1所述的一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法，其特征在于，步骤二中所述超声清洗在乙醇溶液中进行，所述超声清洗的时间为2h～4h，所述干燥的温度为100℃。
5.根据权利要求3所述的一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法，其特征在于，步骤三中所述最大开口方向为多孔点阵结构中密排指数最小的方向。
6.根据权利要求1所述的一种增材制造多孔钽材料孔道残余粉末的清理方法，其特征在于，步骤三中所述超声清洗重复进行3次，每次30min，在每次超声清洗后应更换干净的去离子水进行下一次超声清洗，所述烘干的温度为100℃。
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