仿生股骨頭生產(chǎn)方法與設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明采用高頻快速熔煉與鑄造成型模具一體化技術(shù)，設(shè)計(jì)了以低比重大塊非晶金屬合金為原料，經(jīng)高頻熔煉為粘稠合金液體，將惰性氣體通入粘稠合金液體中，在氣體膨脹力作用下，使合金液體形成中空球體，在導(dǎo)熱良好的陶瓷模具中快速膨脹成型，制造具有中空結(jié)構(gòu)仿生人體股骨頭的方法與設(shè)備。這種方技術(shù)制造的股骨頭，與現(xiàn)有金屬合金或陶瓷類材料制造的同類產(chǎn)品相比，不僅減輕了重量，而且具有更佳的耐磨損性、耐腐蝕性、及更好的剛性、彈性、韌性，從而大幅度提高了使用壽命，并且可以一次成型，既簡(jiǎn)化了制造工藝，又降低了制造成本。本發(fā)明屬于仿生醫(yī)學(xué)與金屬鑄造加工工藝交叉領(lǐng)域，適用于人造關(guān)節(jié)、人造骨骼及中空金屬制品制造行業(yè)。
【背景技術(shù)】
[0002]非晶金屬又稱為液體金屬、或玻璃金屬。熔融狀態(tài)的金屬液體在極速(百萬(wàn)分之一秒)冷卻狀況下，金屬液體中的原子來(lái)不及移動(dòng)形成有序晶格就以無(wú)序狀態(tài)凝固成固體。這種固體被稱之為非晶金屬。由于非晶金屬固體內(nèi)部原子分布具有液體的特征，也稱為玻璃態(tài)特征，所以，非晶金屬內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)與普通金屬內(nèi)部原子有序排列構(gòu)成晶格的微觀結(jié)構(gòu)迥異。這種金屬內(nèi)部原子分布狀態(tài)的改變，直接導(dǎo)致金屬性能發(fā)生了令人吃驚的變異。譬如，非晶金屬不存在晶格，也就沒(méi)有晶格之間的滑動(dòng)和晶格缺陷，因而非晶金屬?zèng)]有普通金屬的延展性。正因?yàn)榉蔷Ы饘儋|(zhì)地緊密、均勻、無(wú)結(jié)構(gòu)性缺陷的玻璃態(tài)特性，決定了非晶金屬具有普通金屬難以媲美的剛性、韌性、彈性和化學(xué)穩(wěn)定性。此外，非晶金屬在受熱融化時(shí)，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，像玻璃一樣，先軟化，再由稠變稀，經(jīng)過(guò)一個(gè)溫度上升區(qū)間后，才能完全液化。并且，非晶金屬在液化過(guò)程中具有較好的流動(dòng)性和填充性，經(jīng)冷卻固化后、因沒(méi)有晶體形成，故原子排列狀態(tài)仍然與液態(tài)時(shí)相同，所以，體積保持不變。這種特性使得非晶金屬可以在一定溫度區(qū)間內(nèi)，像玻璃、塑料材料一樣，利用模具精確成型。
[0003]由于采用極速冷卻方法獲得的非晶金屬，不但成本高昂且很難獲得大體積的非晶金屬。通常這種方法只能用于制造薄片狀或粉末狀的非晶金屬。大體積的非晶金屬又稱大塊非晶金屬合金?，F(xiàn)有的大塊非晶金屬合金制造技術(shù)是利用幾種原子體積相差較大的金屬，按照一定的配比混合，在加熱熔融為液態(tài)時(shí)，由于金屬原子體積相差較大定向移動(dòng)困難，所以在凝固時(shí)難以組合形成有序晶格。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)慕饘俳M分和配比，就可以在非極速冷卻條件下，得到原子呈無(wú)序狀態(tài)的大塊非晶金屬合金。
[0004]現(xiàn)有人造股骨頭通常采用鈦合金、不銹鋼及無(wú)機(jī)陶瓷等材料制造。金屬材料具有較好的韌性和彈性，但在化學(xué)穩(wěn)定性、生物親和性和耐磨性等方面有一定的不足。雖然無(wú)機(jī)陶瓷材料在化學(xué)穩(wěn)定性、生物親和性和耐磨性等方面優(yōu)于金屬材料，但在韌性和彈性方面不如金屬材料。并且上述材料加工過(guò)程比較復(fù)雜，比重高于人體骨骼。本發(fā)明制造的中空仿生股骨頭不但具有上述金屬材料、無(wú)機(jī)陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)，而且解決了上述金屬材料、無(wú)機(jī)陶瓷材料性能方面的缺陷和不足，還能夠一次成型，省去了硬質(zhì)合金、或陶瓷材料加工過(guò)程的復(fù)雜工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為進(jìn)一步提高仿生股骨頭力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)性能，延長(zhǎng)其使用壽命、簡(jiǎn)化加工工藝、降低制造成本，提高患者手術(shù)后的舒適度，本發(fā)明提出的生產(chǎn)方法與設(shè)備解決方案如下:
[0006]采用以鋁、鈦、鋯、鎳、銅、鋅、鉻等金屬元素為主要成分的大塊非晶金屬合金材料為原料，增強(qiáng)仿生股骨頭的抗腐蝕性和抗磨損性，提高仿生股骨頭使用性能和使用壽命。
[0007]采用導(dǎo)熱性能優(yōu)良，并具有循環(huán)熱油調(diào)控恒溫功能的的氧化鋁陶瓷模具作為高頻爐，熔融大塊非晶金屬合金原料，既方便控制大塊非晶金屬合金原料液化溫度，又可以一次成型、簡(jiǎn)化工藝。
[0008]采用陶瓷通氣管將氬氣通入大塊非晶金屬合金液體中形成中空球體，繼續(xù)增加氣壓，使金屬合金液體充滿模具空腔的內(nèi)壁后冷卻成型。這種中空產(chǎn)品即減輕重量又利于快速冷卻。此外氬氣還作為保護(hù)氣體，防止大塊非晶金屬合金原料在高溫熔融狀態(tài)下與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，避免因產(chǎn)生雜質(zhì)而影響大塊非晶金屬合金質(zhì)量。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是仿生股骨頭生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。該生產(chǎn)設(shè)備由原料熔融加熱系統(tǒng)、模具成型系統(tǒng)、模具冷卻系統(tǒng)組成。原料熔融加熱系統(tǒng)包括:高頻電源(I)，高頻加熱線圈(2)。模具成型系統(tǒng)包括:具有循環(huán)熱油通道的半圓柱體耐熱陶瓷模具(4)及具有循環(huán)熱油通道的半圓柱體耐熱陶瓷模具(5)，及二者組合而成的圓柱體模具(15)，成型腔體(16)，顆粒狀大塊非晶合金原料熔融而成的大塊非晶金屬合金液體(7)，中空液態(tài)球體(8)，惰性氣體高壓氣源(10)，耐熱陶瓷通氣插管(11)，通氣插管(11)入口(12)。模具冷卻系統(tǒng)包括:熱油恒溫控制箱(13)，熱油循環(huán)導(dǎo)管(14)。
圖2是圓柱體模具(15)結(jié)構(gòu)示意圖。半圓柱體耐熱陶瓷模具(4)及半圓柱體耐熱陶瓷模具(5)內(nèi)部分別包含有循環(huán)熱油通道(3)。由模具(4)及模具(5)的兩個(gè)半邊股骨頭凹槽完全吻合對(duì)接構(gòu)成完整的股骨頭形狀腔體(16)作為熔爐的坩禍。利用入口(12)填裝非晶合金原料(6)。
圖3是中空的仿生股骨頭外觀圖。中空的仿生股骨頭(9)外表面與模具內(nèi)部的成型腔體內(nèi)壁表面形狀完全一致。
圖4是中空的仿生股骨頭垂直剖面圖。由大塊非晶合金構(gòu)成中空的仿生股骨頭(9)完全封閉的外壁。
【具體實(shí)施方式】
[0010]本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案為:按照仿生股骨頭(9)的規(guī)格型號(hào)，設(shè)計(jì)成型腔體(16)形狀和顆粒狀大塊非晶合金原料(6)用量。在高溫高壓條件下，采用氧化鋁制作具有循環(huán)熱油通道(3)的半圓柱體耐熱陶瓷模具(4)及(5)，并將其組合為圓柱體模具(15)及成型腔體(16)。該圓柱體模具(15)頂面中心有通氣插管(11)入口(12)，在入口(12)上方安裝可調(diào)壓的惰性氣體高壓氣源(10)，將氧化鋁耐熱陶瓷制作的通氣插管(11)與惰性氣體高壓氣源(10)連接后，沿通氣插管(11)入口(12)垂直插入成型腔體(16)內(nèi)。然后，在圓柱體模具(15)外側(cè)環(huán)繞安裝高頻加熱線圈(2)并將其與高頻電源(I)連接。再將熱油恒溫控制箱(13)用熱油循環(huán)導(dǎo)管(14)與圓柱體耐熱陶瓷模具(15)內(nèi)置的熱油循環(huán)通道(3)連接。以上為仿生股骨頭生產(chǎn)設(shè)備優(yōu)選實(shí)施方案。
[0011]具體工藝流程如下:將已定量的顆粒狀大塊非晶合金原料(6)裝入圓柱體模具
(15)股骨頭(9)成型腔體(16)底部==》將通氣插管(11)沿圓柱體模具(15)入口(12)垂直插入成型腔體(16)底部，末端接近顆粒狀大塊非晶合金原料￠)==》開(kāi)啟惰性氣體高壓氣源(10)通過(guò)通氣插管(11)向成型腔體(16)通入氬氣(10)，將成型腔體(16)內(nèi)空氣全部排出==》啟動(dòng)高頻電源(I)使高頻加熱線圈(2)工作，將大塊非晶合金原料(6)熔化為黏稠狀大塊非晶金屬合金液體(7)==》關(guān)閉高頻電源(I)使高頻加熱線圈(2)停止加熱==》啟動(dòng)熱油恒溫控制箱(13)通過(guò)循環(huán)熱油導(dǎo)管(14)向圓柱體模具(15)、(4)、(5)內(nèi)置熱油循環(huán)通道⑶通入攝氏500度左右的熱油，將圓柱體模具(15)溫度迅速降低至攝氏500度左右==》將通氣插管(11)深入至大塊非晶金屬合金液體(7)液面之下，繼續(xù)通入氬氣(10)，然后緩慢提升通氣插管(11)同時(shí)迅速增加氬氣(10)氣壓、使通氣插管(11)末端形成大塊非晶金屬合金液體(7)構(gòu)成液體中空球體(8)，持續(xù)充氣使之不斷膨脹，直至完全充滿成型腔體(16)==》將通氣插管(11)提升至圓柱體模具(15)入口(12)保持氬氣(10)氣壓穩(wěn)定，迅速降低熱油(13)溫度至室溫==》關(guān)閉氬氣(10)，關(guān)閉熱油恒溫控制箱(13)，從高頻加熱線圈(2)中取出圓柱體模具(15)，打開(kāi)模具(15)、(4)、(5)，從中取出仿生股骨頭(9)，打磨毛刺，檢測(cè)、包裝。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.本發(fā)明采用高頻快速熔煉與壓鑄成型模具一體化技術(shù)，設(shè)計(jì)了以低比重大塊非晶金屬合金為原料，經(jīng)高頻熔煉為粘稠合金液體，將惰性氣體通入粘稠合金液體中，在氣體膨脹力作用下，使合金液體形成中空球體，在導(dǎo)熱良好的陶瓷模具中快速膨脹成型，制造具有中空結(jié)構(gòu)仿生人體股骨頭的方法與設(shè)備。這種技術(shù)制造的股骨頭，與現(xiàn)有金屬合金或陶瓷類材料制造的同類產(chǎn)品相比，不僅減輕了重量，而且具有更佳的耐磨損性、耐腐蝕性、及更好的剛性、彈性、韌性，從而大幅度提高了使用壽命，并且可以一次成型，既簡(jiǎn)化了制造工藝，又降低了制造成本。本發(fā)明屬于仿生醫(yī)學(xué)與金屬鑄造加工工藝交叉領(lǐng)域，適用于人造關(guān)節(jié)、人造骨骼及中空金屬制品制造行業(yè)。 本發(fā)明獨(dú)有的，與現(xiàn)有技術(shù)不同的技術(shù)特征為: .1)將高頻熔煉爐陶瓷坩禍(15)直接設(shè)計(jì)為股骨頭(9)模具(15)、(4)、(5)、(12)，使模具(15)、(4)、(5)、(12)腔體(16)同時(shí)具備高頻熔煉爐坩禍(15)功能。 . 2)將惰性氣體(10)通過(guò)陶瓷插管(11)通入模具(15)腔體(16)大塊非晶金屬合金液體(7)內(nèi)部，使通氣插管(11)末端形成大塊非晶金屬合金液體(7)構(gòu)成液體中空球體(8)，持續(xù)充氣使之不斷膨脹，直至完全充滿成型腔體(16)，實(shí)現(xiàn)一次成型精密鑄造中空仿生股骨頭(9)。 除上述獨(dú)有的，以及與現(xiàn)有技術(shù)不同的技術(shù)特征外，本發(fā)明還要求保護(hù)以下技術(shù)范圍: . 3 )包括但不限于采用以鋁、鈦、鋯、鎳、銅、鋅、鉻等金屬元素為主要成分的大塊非晶金屬合金材料(6)為原料。 . 4)包括但不限于采用循環(huán)熱油(13)、(14)、(3)裝置調(diào)控陶瓷模具(15)、(16)、(4)、(5)、(9)的恒溫功能。 . 5)包括但不限于采用惰性氣體(10)之外的不活潑氣體作為非晶金屬合金液體(7)的膨脹氣體和保護(hù)氣體。 . 6)包括但不限于采用氧化鋁陶瓷制作導(dǎo)熱性能優(yōu)良的陶瓷模具(15)、(4)、(5)及通氣插管(11)。 . 7 )包括但不限于使用本發(fā)明技術(shù)與設(shè)備生產(chǎn)制造仿生股骨頭(9)產(chǎn)品。例如利用本發(fā)明制造各種中空板材、線材或異型材，均屬于受保護(hù)的技術(shù)范圍。
【專利摘要】本發(fā)明采用高頻快速熔煉與壓鑄成型模具一體化技術(shù)，設(shè)計(jì)了以低比重大塊非晶金屬合金為原料，經(jīng)高頻熔煉為粘稠合金液體，將惰性氣體通入粘稠合金液體中，在氣體膨脹力作用下，使合金液體形成中空球體，在導(dǎo)熱良好的陶瓷模具中快速膨脹成型，制造具有中空結(jié)構(gòu)仿生人體股骨頭的方法與設(shè)備。這種技術(shù)制造的股骨頭，與現(xiàn)有金屬合金或陶瓷類材料制造的同類產(chǎn)品相比，不僅減輕了重量，而且具有更佳的耐磨損性、耐腐蝕性、及更好的剛性、彈性、韌性，從而大幅度提高了使用性能和壽命，并且可以一次成型，既簡(jiǎn)化了制造工藝，又降低了制造成本。本發(fā)明屬于仿生醫(yī)學(xué)與金屬鑄造加工工藝交叉領(lǐng)域，適用于人造關(guān)節(jié)、人造骨骼及中空金屬制品制造行業(yè)。
【IPC分類】B22D25/02, B22D35/06
【公開(kāi)號(hào)】CN105081286
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510324546
【發(fā)明人】劉南林
【申請(qǐng)人】劉南林
【公開(kāi)日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年6月5日