近期，EOS開發了新的Ti64增材製造工藝，該工藝與(yu) 熱等靜壓熱處理工藝相結合，可產(chan) 生出色的疲勞性能。該項目的目的是在實際的植入物設計中突出並測試這些疲勞特性，並將結果與(yu) 傳(chuan) 統鍛造的Ti64股骨柄進行比較。此外，我們(men) 希望盡可能地促進後期處理的操作性，並在構建設置策略中考慮了這一目標。本研究中使用的髖關(guan) 節植入物設計屬於(yu) 美國得克薩斯州奧斯汀市的MonogramOrthopedics公司。

疲勞結果

疲勞測試由加拿大溫尼伯骨科創新中心OIC進行。根據ISO7206-6，對股骨柄的頸部疲勞特性進行5340N負載下1000萬(wan) 次循環測試。在這項研究中，對2個(ge) 增材製造的股骨柄進行了測試，並且都通過了1000萬(wan) 次循環測試。這表明這些增材製造植入物的疲勞性能至少與(yu) 傳(chuan) 統鍛造的Ti64股骨柄性能持平。這是首次在用增材製造的植入物上測量到如此高的疲勞性能。

為(wei) 了避免移除支撐並方便從(cong) 平台上移除植入物，股骨柄在“固定件”中製造。該固定件的主要功能是對抗刮刀鋪粉產(chan) 生的作用力，對植入物部件起到保護。（為(wei) 了獲得最高的力學性能，使用了HSS不鏽鋼刮刀以確保最佳的產(chan) 品性能和始終如一的鋪粉性能。）重點是固定件和股骨柄之間沒有連接，大約留有0.2mm-0.3mm的間隙。通過DoE試驗確定了理想的間隙寬度。間隙的大小是在易於(yu) 拆卸和牢固防止股骨柄因刮刀力而振動之間的權衡。由於(yu) 固定件、粉末和股骨柄之間的摩擦力，股骨柄得以固定。

開始生產(chan) 之前，使用Amphyon(AdditiveWorks)確認設置策略切實可行，不會(hui) 導致任何問題，消除了“試錯”的打印策略需求。剛入門、甚至經驗豐(feng) 富的增材製造用戶都普遍抱怨，在嚐試新應用開發時，首次打印時都需要用“試錯”策略。

運行仿真模擬來檢查刮刀的碰撞問題，以驗證變形是否在公差範圍內(nei) ，並檢查熱應力。模擬分析在開始打印任務之前提供了高質量的打印，從(cong) 而降低了成本並縮短了交貨時間。

該軟件可通過對股骨柄進行預變形，從(cong) 而實現首次直接打印出高精度的零件。這種方法效果非常好，特別是對於(yu) 打印過程中髖關(guan) 節股骨柄可能發生的微小且可控的變形。

如何獲得出色的疲勞性能

1.優(you) 異的增材製造工藝

▲仿真模擬

仿真模擬

股骨柄使用EOSTitaniumTi64Grade23，40μm層厚的工藝參數，在EOSM290上製造。之所以選擇M290，是因為(wei) 它是市場被認證過次數最多的工業(ye) 級增材製造係統。最重要的是，設備的可靠性和可重複性正是具備優(you) 異疲勞性能所必須的，其中一個(ge) 缺陷都會(hui) 顯著降低疲勞性能。將來有可能進一步優(you) 化工藝以進行批量生產(chan) ，考慮到股骨柄應用的獨特要求，可能會(hui) 提高製造速度和穩定性。

2.優(you) 化的熱等靜壓熱處理

結合了優(you) 異的增材製造工藝和優(you) 化的熱等靜壓熱處理，成品最終獲得了出色的疲勞性能。常規的熱等靜壓熱處理是為(wei) 了改善鑄件或類似鑄件的質量和顯微組織的力學性能。EOSM290製造產(chan) 品的質量遠高於(yu) 鑄件，因此EOS基於(yu) 增材製造的獨特微觀結構開發出一種特殊的熱等靜壓熱處理工藝。

Ti64常規的熱等靜壓工藝是920℃，100MPa下保溫2小時，並且廣泛應用於(yu) 不同領域。EOS開發的處理工藝則在800℃，140MPa下保溫2小時。該熱等靜壓熱工藝與(yu) EOSDMLS工藝相結合，可實現10^7次循環（N=9）中795Mpa的疲勞強度。

後處理相當簡單，由加拿大溫尼伯的PrecisionADM執行。增材製造工藝的設置方式製造的股骨柄與(yu) 傳(chuan) 統製造的股骨柄可以進行相同的後處理步驟。因此，無需支撐處理。後處理與(yu) 目前市場上的傳(chuan) 統方式製造的股骨柄類似，對股骨柄錐形部位進行機加工，對股骨柄的頸部進行拋光，以實現最佳的疲勞特性。

最終植入物

如今，增材製造實際應用中可以實現鍛件力學性能這一事實，是骨科增材製造領域的巨大飛躍。這一激動人心的進展促使我們(men) 能夠釋放增材製造技術的潛力。現在，由骨科公司和各個(ge) 公司的產(chan) 品設計師來推進AM與(yu) 現實的界限。AdditiveMinds增材思維期待與(yu) 您合作，探索釋放無限可能性，使下一代植入物成為(wei) 可能。