多材料的一体化增材制造技术：以人体植入骨为例

激光天地导读：

增材制造技术在制造多材料部件上具有显著的优点，尤其是在以设计为驱动的前提下更具有灵活性、可定制和轻质的特点。然而，这一技术的工业化进程发展却受到了一定的阻碍，其原因是该技术在实际生产过程中的工艺流程的一体化设计问世较晚，尤其是从概念内含到生产制造、到检验的环节。

图1 多材料一体化增材制造设计示意图（以SLM为例）

相应地，本文的贡献在于探讨了对增材制造技术进行一体化设计的理念的重视并给出了案例，指出了存在的问题。作者同时对个性化定制的产品的设计步骤，如发展的方法、有效的制造工艺、后处理和质量检验、基于无损测试的寿命评估等均给予了高度重视并以骨植入物为例作了介绍。

图2 用于人体骨替代物的多材料多功能增材制造

在目前的产品制造过程中，人人们已经有了强烈的意识，如何将多材料的一体化增材制造技术不断的进行发展和创造。这一创造不仅在技术上提供了巨大的潜力，同时还伴随着关于可持续制造的思考，如通过个性的解决方案来对资源进行有效的利用。不管如何，从基本原来来说，都是基于层层堆积的制造模式来生产的，而且这一模式为设计的灵活性提供了广阔的空间。这不仅仅指可以设计形状复杂的产品，同时还有各种各样的优化方案，并且这些优化的方案在早期发展的时候就会被考虑进来。尽管这一革命性的工艺已经在工业中逐步的得到应用，其产品可靠性的检验和验证还非常缺乏。这是因为该产品在制造工艺的影响上也同传统工艺极为不同。如扭曲结构和形状截面不一致部件的制造，其传热的影响就非常特殊。而且，误差的不可预测性、加上形状的复杂性，促使功能部件和具有美感部件的安全可靠性变得更加不确定，尤其是对其后期高精度的处理变得更加不确定，甚至有可能是不可能的。考虑以上因素的话，我们提出多材料的一体化增材制造对发展多材料和多工艺部件的设计制造具有非常重要的历史意义。为实现这一目标，需要同时考虑设计和工艺相关的影响因素以及高精度的后处理技术，如电化学加工（ECM）、基于无损检验的表征和验证等。而且，为了能够让读者对此技术看的更加清楚明晰，采用一个实际案例来对一体化增材制造进行举例来说明。

图3 人体骨的解剖

如图1所示为多材料一体化增材制造的示意图，该图可以帮助有经验的乃至无经验的人们在产品开发的概念阶段就可以轻松的应对设计、制造、后处理工艺、质量检验评估的方方面面。因此，设计的限制或调整以及后处理能力、质量检验以及回收利用等在不成熟的设计阶段就可以得到全盘的考虑。

图4 增材制造的人体骨替代物的Ti基生物材料

用于人体的多功能植入物的旺盛需求对当前的增材制造技术提出了巨大的挑战。可以预见，金属生物材料的多材料打印的先进性不仅仅在于该技术可以生产出形状及其复杂的产品来，而且还可以满足人体植入物的多功能的需求。从而为临床人体植入物的设计与制造创造了前所未有的可能性。目前增材制造技术并没有广泛的应用于制造多功能的金属植入物，尤其是人体骨的替代物的制造上。目前对于临床应用的多材料增材制造的Ti-、 Mg-、和Fe-基生物材料已经开始在临床有所应用。本综述从人体组织工程开始、到人体骨的设计要求、生物金属材料的制造技术以及增材制造技术同传统工艺的优点均做了介绍。对Ti-、 Mg-、和Fe-基的多材料增材制造也进行了综述。

图5 增材制造的人体骨替代物的Mg基生物材料

图6 增材制造的人体骨替代物的Fe基生物材料