看EOS如何提高材料的疲劳性能（内附一种无支撑工艺方案）

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近期，EOS开发了新的Ti64增材制造工艺，该工艺与热等静压热处理相结合，可产生出色的疲劳性能。该项目的目的是在实际的植入物设计中突出并测试这些疲劳特性，并将结果与传统锻造的Ti64股骨柄进行比较。

此外，EOS希望尽可能地促进后期处理的可操作性，并在打印策略中考虑这一目标，其开发了一种无支撑设计方案，值得我们思考和借鉴。

疲劳测试根据ISO7206-6的要求，对股骨柄的颈部疲劳特性进行5340N负载下1000万次循环测试。在这项研究中，对2个增材制造的股骨柄进行了测试，并且都通过了1000万次循环。这表明这些3D打印的植入物在疲劳性能方面至少与传统锻造的Ti64股骨柄性能持平。这是首次在3D打印的植入物上测量到如此高的疲劳性能。

下面我们具体了解一下EOS如何实现骨科增材制造的技术飞跃。

为避免添加支撑并方便从基板上取下植入物（零件），工艺人员在股骨柄下端周围设计了“固定件”。该固定件的主要功能是对抗刮刀铺粉产生的作用力，对植入物起到保护（为了获得最高的力学性能，使用了HSS不锈钢刮刀以确保最佳的产品性能和始终如一的铺粉性能）。

固定件和股骨柄之间没有连接，留有0.2-0.3mm的间隙

该设计的重点是固定件和股骨柄之间没有连接，而是留有0.2-0.3mm的间隙。通过DOE试验确定了理想的间隙宽度。间隙的大小是在易于拆卸和牢固防止股骨柄因刮刀摩擦振动之间的权衡。由于固定件、粉末和股骨柄之间的摩擦力，股骨柄可以顺利打印。

3D打印技术参考此前曾介绍过EOS“圣诞树无支撑打印”技术，本研究就是基于此获得的灵感。在实际应用中将这些创新想法变为现实是非常有益的（可点击深色字体查看）。

在开始打印之前，研究人员首先对设计策略进行了仿真分析，包括检查刮刀的碰撞问题、可验证变形是否在公差范围内以及热应力，最终确认该设计切实可行，不会出现任何问题。

EOS采用Amphyon软件对股骨柄进行预变形仿真

在开始打印任务之前进行模拟分析可避免“试错”，确保高质量打印，从而降低成本并缩短交货时间。

股骨柄使用 EOS Titanium Ti64 Grade 23级粉末，40μm 层厚的工艺参数，在 EOS M 290 上制造。M290是是市场被认证过次数最多的工业级增材制造系统，设备的可靠性和可重复性正是具备优异疲劳性能所必须的，任何缺陷都会显著降低疲劳性能。EOS将来有可能进一步优化工艺以进行批量生产，考虑到股骨柄应用的独特要求，可能会提高制造速度和稳定性。

结合优异的增材制造工艺和优化的热等静压热处理，成品最终获得了出色的疲劳性能。常规的热等静压热处理是为了改善铸件或类似铸件的质量和显微组织的力学性能。采用3D打印制造的产品质量远高于铸件，EOS 基于增材制造的独特微观结构专门开发了一套热等静压热处理工艺。

常规的Ti64热等静压工艺为在 920°C、100 MPa 下保温 2 小时，该工艺在不同领域广泛应用。EOS 开发的处理工艺是在 800℃、140 MPa 下保温 2 小时，该工艺与 EOS SLM工艺相结合，可实现1000万次循环中 795 Mpa 的疲劳强度。

最终植入物

零件的后处理也相当简单，它采用与传统制造的股骨柄相同的后处理步骤，因为无需去支撑，可直接对股骨柄锥形部位进行机加工，对股骨柄的颈部进行抛光，以实现最佳的疲劳特性。

在增材制造实际应用中可以实现锻件力学性能这一事实，是骨科增材制造领域的巨大飞跃。

本期上传：《缺陷对增材制造Ti6Al4V疲劳性能的影响》