激光快速成型

关键词： 投放市场 激光 成型 技术

激光快速成型（精选十篇）

激光快速成型 篇1

快速成型是20世纪80年代后期发展起来的一项快速设计及成型技术[1]。快速成型加工的核心思想是离散堆积成型[2,3]。激光固化快速成型设备是利用特定波长紫外光按照特定路径照射光敏树脂表面,使其快速固化形成所需工件的设备。一般包括紫外线光源、光束聚焦镜、振镜(光束扫描装置)、工作台装置和液面涂覆装置。

激光固化快速成型的工件是通过重复多次的分层固化堆积而成。如何将粘稠度高的光敏树脂快速地在工件已固化层的表面形成一层厚度均匀的待固化树脂层,在工件的制作中至关重要,它直接影响工件成型的尺寸精度。将光敏树脂适当加热可以降低其粘稠度[4],增加流动性,当完成一层固化后,工件下移到一个合适高度,工件已固化层浸没在经加热的光敏树脂中,再辅以负压吸附装置的刮平动作帮助,就可以在工件已固化层的表面上快速地涂覆一层厚度均匀的待固化光敏树脂层。所以树脂的加热直接影响成型工件的加工效率、尺寸精度,甚至影响整个工件的机械性能,有必要对树脂的加热工艺进行研究,以更好地保证工件的成型精度和机械性能。

1 树脂现有加热工艺

树脂的现有加热工艺主要有直接加热法和间接加热法,直接加热法主要是加热板直接加热法。间接加热法主要是通过加热导热介质,利用导热介质传热达到加热光敏树脂的目的,目前导热介质主要有导热油和空气。

1.1 加热板直接加热法

该方法是将电加热板直接贴在树脂槽的底部和四周对树脂槽加热,示意图如图1所示。温度传感器布置在树脂的液面,温控器分别与温度传感器和加热板连接,当树脂的温度达到温控器设定的温度时,加热板停止加热,当树脂的温度低于温控器设定的温度时,加热板开始加热,如此反复。

该方法结构简单,容易操作。但加热不均且恒温控制也不精确,有延迟性,树脂温度呈现区域性的梯度变化,在制作工件过程中由于温度的变化可直接影响成型精度。另外,加热板温升快,而树脂的传热效率不高,要使整槽树脂达到设定的温度需一段时间,跟加热板距离较近的树脂温度长时间偏高,容易造成树脂热分解或出现热固化现象,严重者导致整槽树脂报废。由于此方案的树脂槽的强度不高,如果长时间使用,容易发生变形,甚至出现裂缝。

1.2 导热油加热法

在此工艺中,树脂槽设计为内槽和外槽,内外槽之间是密闭的夹层,在夹层中注入导热油作为导热介质,在夹层中有加热器用于加热导热油,从而加热树脂。温度传感器布置在树脂底部,靠近加热器,温控器分别与温度传感器和加热器连接,方案如图2所示[5]。

导热油选用导热系数大、比热高、热效率高、热稳定性好的,可以在较宽的温度范围内满足不同温度加热工艺的要求,也可以大大降低高温加热系统的操作压力和安全要求。使用导热油作为导热介质,可使树脂较为均匀地加热,温度传感器布置在靠近加热器处,可即时监测树脂槽底部温度较高处树脂的温度,防止树脂由于过热产生老化,但树脂也会呈现上低下高、内低外高的梯度变化,这种梯度变化比加热板直接加热的要小。

树脂槽为夹层结构,可使树脂槽具有较高的强度,长期使用也不易发生变形,但对树脂槽的制作工艺和焊缝的强度要求较高,需保证夹层的密封性。导热油与明火相遇可能发生燃烧,对工作环境有一定要求。导热油还会对树脂槽产生一定的腐蚀,夹层也不易清洗,在更换导热油时也易造成环境污染。

1.3 空气加热法

该工艺示意图如图3所示[6],树脂槽放置在保温箱中,保温箱底部设置一个和其相通的加温箱,加温箱中布置一个风机和一个加热器,风机冷却加热器使热量快速均匀地扩散到整个保温箱中用于加热树脂,在树脂表面布置第一传感器和第一温控器,在加热器下风口布置第二传感器和第二温控器。第一温控器分别与第一传感器和加热器电连,第二温控器与第二传感器和加热器电连。两个传感器中的任何一个感应到的温度达到相应温控器设定的温度时,加热器停止加热,两个传感器中感应到的温度都低于相应温控器设定的温度时,加热器开始加热。

该方案采用空气加热的方式,能源干净,不会对环境造成污染。在加热器下风口和树脂液面两处设置温度传感器,更好地监控了树脂的温度和热风的温度。可较好地使树脂温度达到均衡,树脂内部温度梯度变化更小。但第二传感器布置在加热器的下风口,所检测到的温度有一定的误差,不能反映真实的热风温度,并且这种方法需要较长的时间才可使树脂温度达到均匀,效率低。该方案的结构较为复杂,对保温箱的强度和保温效果也有一定要求,更换树脂较为困难。另外,风机安装在温度较高的环境下,容易损坏,增加了维护的难度。

2 新型加热工艺的设计

2.1 新型加热工艺的必要性

光固化快速成型设备在制作过程中,树脂液面是紫外线固化的工作面,其温度的恒定就显得尤为重要。上述的三种加热方法最多也仅能从树脂槽的底部和四周共五个面对树脂进行加热,由于光敏树脂的热传导系数较低,上述方法都无法很好地保证紫外线固化工作面上的树脂温度维持在一个理想的设定值,工作面上的树脂由于温度不均匀会导致固化后工件尺寸变形和内应力增大,甚至导致工件报废。

树脂加热出现的树脂小分子溶剂蒸发导致激光器、振镜系统受到污染,影响到扫描镜片的使用寿命,直接造成维护成本升高与工件的制作精度达不到要求,甚至造成设备的损坏和工件的报废。光敏树脂有一定的毒性[7],可对操作者和环境造成伤害。另外,光敏树脂长期暴露在空气中极易吸收环境中水分导致树脂的性能发生改变,在南方潮湿环境中尤甚,树脂吸水后导致制作的工件发软、变形而无法使用。上述工艺均没有吸收环境中的水分子和清除树脂小分子的功能,所以需研究新的工艺,以保证树脂温度更加均匀,特别是工作面温度的稳定,同时也满足树脂固化环境的干燥,并能够清除有害的树脂小分子。

2.2 新型加热工艺的结构

针对上述方法和技术存在的问题,本文提出一种树脂的全方位空气加热和干燥控制系统。树脂槽设计为夹层结构,夹层在下方和四周共五个方向支撑、包围着树脂槽的内腔,在夹层靠底部位置设置两个进气孔,夹层上方设置均匀的排气孔,和夹层相通,如图4所示,图4(a)为三维图,图4(b)为截面图。

新型工艺的示意图如图5所示。树脂槽上方设置密封工作室,密封工作室在靠顶部设置一个出气孔,出气孔通过保温管和过滤装置连接,过滤装置通过保温管和空气加热控制装置的进风口连接,加热控制装置包括离心风机、发热装置、第一传感器、第一温控器、第二传感器、第二温控器。发热装置布置在风机的出风口处,通过保温管和树脂槽的进气孔连接,第一温控器分别与第一传感器和发热装置连接,第一传感器直接监控发热管的温度。第二温控器分别与第二传感器和发热装置连接,第二传感器监控树脂液面的温度。

过滤装置用来过滤空气中的水汽和蒸发的树脂小分子,可以使用压缩机制冷或半导体制冷方式进行除湿的除湿机,也可以使用填充吸潮材料的除湿吸附装置。

2.3 新型加热工艺的实施方式

参看图4和图5,由进气孔注入的净化的高温热风从底部和四周对树脂进行加热并由排气孔排出,进入树脂槽上方的密封工作室内,进入工作室的净化的高温热风维持工作室的环境温度在设定的范围内,对树脂槽树脂液面进行加热,实现了树脂的六个面同时加热,工作室内温度稍低的热风夹杂着水汽和蒸发的树脂小分子由出气孔抽出,经过过滤装置过滤为净化的低温空气,然后通过保温管进入离心风机,风机将净化的低温空气送至加热装置中进行加热,加热后的净化高温空气通过树脂槽的进气孔注入到树脂槽的夹层中,至此形成对树脂的干燥加热循环。

发热装置需由一个大散热面积的加热器构成,才可保证净化的低温空气得到充分的加热,发热装置上放置第一温度传感器用于直接监测加热器的发热温度,而不监测热风的温度,这样监控的更为精确。第一温控器与第一温度传感器和加热装置连接,实现发热装置的恒温发热。第二温控器分别与第二传感器和发热装置连接,当树脂温度达到某一设定值时,加热装置停止工作使树脂温度维持在设定的工作范围内。第一温控器和第二温控器实现对加热装置联动控制,使树脂槽工作面上的树脂温度维持在设定的工作范围内,精度可达±0.1℃。

在此加热工艺下成型的工件如图6所示。成型精度、机械性能都较好地达到了要求。

3 结论

本加热工艺实现了树脂六个方向的全方位均匀加热和精确的恒温控制,克服了现有技术加热不均匀的缺点,在热空气的循环回路中接入了空气过滤装置,在对树脂进行加热的同时也降低了工作室的湿度并维持在合适的范围内,也吸收了工作室内蒸发的树脂小分子,保证了光学部件的安全和性能,从而使光束扫描工作面上树脂的每一层固化时成型精度都不受温度、湿度和光学部件的影响,提高了工件的成型精度。本工艺结构紧凑合理,热风的干燥净化和加热在一个闭合的循环回路内完成,提高了热量的利用率,在实际应用中证明了此工艺更好地满足了树脂成型的需要,成型的工件在精度和性能方面都较好达到了要求。

参考文献

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[4]何勇.光固化成形树脂槽液位在线检测系统研究[D].武汉:华中科技大学,2007.

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[6]王俊,孙转转,刘钧.一种光敏固化快速成型机暖风加热系统[P].中国专利:201745179U,2011-02-16.

激光快速成型 篇2

3D打印技术之LSF（激光立体成型技术）编辑：oa161办公商城 激光立体成形技术（Laser Solid Forming，LSF）的基本原理是：首先在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后将该模型按一定的厚度分层,切片.，即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息，再采用激光熔覆的方法按照轮廓轨迹逐层堆积材料，最终形成三维实体零件或需进行少量加工的毛坯。图1显示了典型的LSF过程。LSF技术加工示意图 从LSF技术的原理来看，其成形思路与快速原型（Rapid Prototype, RP）技术完全一致，即采用全新的增材制造原理实现零件的成形。因此，它具有一些与RP技术相同的特点，如柔性好（无需专用工具和夹具）、高度集成、加工速度快等。此外，该技术还具有RP技术所不具备的一些优点： 1显著提高材料的力学和耐腐蚀性能。利用激光束与材料相互作用时的快速熔化和凝固过程，可以获得细小、均匀、致密的组织，消除成分偏析的不利影响，从而提高材料的力学和耐腐蚀性能。表1是几种材料的LSF件力学性能数据，从中可以看出，LSF件的力学性能已达到锻件标准。2制造速度快、节省材料、降低成本。LSF技术直接使用金属材料制作零件或近形件，后续的机械加工量很小，极大地节省了材料，同时省去了模具制造的周期和费用，从而大幅度缩短了零件的加工周期。尽管大功率激光加工本身的成本较高，但在航空航天领域高性能零件的制造中其综合成本仍然能够有较大幅度的降低。表2是LSF技术与传统铸造和锻造技术的综合比较，从中可以看出，该技术应用于航空用盘形零件时，其在材料利用率、研制周期、总成本等方面均优于铸造和锻造技术。3可在零件不同部位形成不同的成分和组织，合理控制零件的性能。从成形原理上讲，LSF技术是逐点堆积材料，因而可以很方便地在零件的不同部位获得不同的成分，特别是采用自动送粉熔覆的方式进行成形时，通过精确控制送粉器粉末输送流量，原则上可以在零件的任意部位获得所需要的成分，从而实现零件材质和性能的最佳搭配。这一点是传统的铸造和锻造等成形技术无法实现的。4可以很方便地加工一些高熔点、难加工的材料。由于激光束的能量密度很高，同时激光束与材料之间属于非接触加工，采用LSF技术成形制备那些熔点高、加工性能差的材料，如钨、钛、铌、钼和高温合金等，其难度与普通材料相同，因此该技术相比传统制备成形技术在这方面具有非常突出的优越性。

激光快速成型 篇3

两米多高、一米见方的大铁箱子里，细细的激光束在薄层粉末上游走，铺粉辊一次次把原料粉末均匀地平铺在工作面上，这一幕不断上演，旁边的显示屏上，显示着三维结构的制件正一点点地“生长”出来。 这是近日记者在华中科技大学材料学院的快速制造中心，探访该院副院长史玉升教授和他的团队研发的激光烧结快速制造装备时，实地见证该装备工作时的神奇一幕。这台装备工作面达1.2米×1.2米，是目前世界上最大工作面的同类装备。 专家表示，这一装备与工艺的开发表明，我国快速制造技术处于国际领先地位，这也是我国在先进制造领域的一项新突破。

随你所想 立体打印

激光烧结快速制造技术是一种集激光、机械、计算机、数控、材料于一体的新型先进制造技术。与传统成形装备不同的是，该装备可以自动地通过软件将任意复杂度的三维模型拆分成层层叠加的二维平面图形，然后利用激光选择性地将图形区域的粉末材料烧结成形，最终层层叠加生长成为所需要的具有复杂结构的制件，相当于一个“立体制造打印机”，只需要三维模型，无需刀具和模具，就可以整体成形任意复杂度的制件。

史玉升介绍到，快速制造技术与传统工艺相比具有独特的优越性和特点。一是突破了传统去除加工方法的限制，无需零件毛坯和大型锻造、铸造设备及模具，可实现材料设备与成形的一体化，显著缩短零件制造周期、降低制造成本、提高材料利用率；二是在同一套生产系统上可进行不同材料零件的制造，具有广泛的材料及设计适应性；三是整个生产过程数字化，可以方便地通过材料及工艺的调节与控制，实现多种材料在同一零件上的集成制造，满足零件不同部位的不同性能需要；四是由于采用非接触加工的方式，没有工具更换和磨损之类的问题，无切割、噪音、振动以及废水、废料等排放，符合现代绿色制造理念。

史玉升认为，快速制造技术是一种新型的数字化添加材料成形技术，对于产品的几何形状并没有约束，可以说“只要你能想得到，我就可以做出来”。因此，设计零部件时可以采用最优的结构设计，而无需顾虑加工问题。而这正是快速制造技术最大优势所在—拓展设计人员的想象空间，尤其是在航空航天、武器装备、汽车等动力装备结构复杂的高端领域。

多年攻坚 领先全球

华中科大从1991年就开始快速成形制造技术的研究，是国内最早从事此技术研究的单位之一，目前已在国际处于领先水平。 由史玉升和他的团队研发的这台装备工作面达1.2米×1.2米，也是目前世界上最大工作面的同类装备。国外该技术领域的主要装备供应商是美国的3D systems公司和德国的EOS公司，3D systems公司装备的最大工作面为0.55米×0.55米。EOS公司装备的最大工作面为0.73米×0.38米。 激光烧结快速制造装备工作面从小到大的发展，其难度就像“从小飞机到大飞机”的过程一样。当工作面大到一定程度时，必须解决“大工作面温度场均匀性”、“高效的扫描方法”及“高强度粉末材料的装备与成形工艺”等业界公认的技术难题。团队已先后申请发明专利20多项，获发明专利10多项，软件著作权多项，并在武汉滨湖机电技术产业有限公司实现了产业化。

经济快速 前景广阔

在快速制造中心的产业化基地—武汉滨湖机电技术产业有限公司，记者被摆在二楼展厅的一件铸造用大型砂芯所吸引。

激光快速成型 篇4

激光快速成型技术是近年来新出现的快速成型技术之一,它是以粉末为材料,将CAD模型转换成零件,利用激光快速成型技术可以节约新产品的开发时间70%以上,使产品投放市场时间节省90%左右[1]。所以可以极大地提高企业的市场竞争力,具有较广阔的应用前景。

激光快速成型系统主要由软件系统与硬件系统组成。而软件系统的优劣直接影响和控制着整个加工过程,直接影响零件的成型质量与加工效率,在快速成型系统中起着至关重要的作用,是激光快速成型系统的核心技术之一。

本文对激光快速成型软件系统开发过程中的关键技术进行了详细论述。

1 软件系统的功能模块

激光快速成型软件系统的总功能是:将三维CAD模型的数据转换成数控加工指令,控制数控设备和激光器完成激光加工操作。

根据软件系统功能需求,激光快速成型软件系统可以划分为四个功能模块:STL文件的读取与显示模块、切片处理模块、扫描填充模块以及加工控制模块。如图1所示。

2 软件开发中的关键技术

2.1 软件数据结构的建立

本文主要以二进制STL文件为研究对象,根据二进制STL文件的格式规定,要实现二进制STL文件的读取,应建立以下数据结构:

1)点的数据结构如下:

2)Normal向量的数据结构如下:

3)三角形的数据结构如下:

4)直线的数据结构如下:

5)其他一些重要的数据结构:

2.2 STL文件的显示技术

STL文件的显示技术主要包括以下两个方面。

2.2.1 立体模型的显示

本文采用Open GL实现STL文件的显示,因为Open GL具有强大的图形功能,且提供了VC编程环境所需的库函数及头文件,可以很方便地在VC编写的应用程序中显示图形[2]。

立体模型的显示主要分为两种:立体光照模型与立体线框模型。如图2(a)所示是义齿支架的线框模型显示,图2(b)是义齿支架的光照模型显示。

STL文件模型显示算法如下:

2.2.2 立体模型的旋转、缩放和平移

为了便于用户更好地观察立体,并选择最佳的切片方向,更利于激光快速成型加工,在立体模型显示功能中还包括立体的旋转、缩放和平移。

立体的空间坐标系与计算机屏幕坐标系是有区别的。立体对象在空间处于三维坐标系中,但计算机图形的点是生成三维对象的二维图象,所以,将立体对象的三维坐标转换到屏幕上的象素位置,要经过一定的视见变换。

三维图形的几何变换矩阵如式(1)所示。

三维图形的旋转、缩放和平移等操作都可以从(1)式矩阵变换得到。如绕Y轴进行三维旋转变换,利用此矩阵对每一个点进行旋转,具体旋转矩阵如式(2)所示。

式中θ为旋转角度。

2.3 切片技术与轮廓整理

2.3.1 切片技术

把任意一个空间三角形与切平面的关系分为下列六种情况,如图3所示。平面在截切STL文件立体时,程序对三角形与切平面的位置关系进行判断并作相应的处理,求出三角形与切平面的交线,其流程如图4所示。

2.3.2 切片轮廓的整理

对零件进行了切片处理后,再根据每一层切片的交线整理出一个或多个截面轮廓。其算法流程图如图5所示。

为了避免S T L文件不连续的缺陷,保证不论在什么情况下,都可以生成封闭的截面轮廓,当第一条线段的起点PI S与最后一条线段的终点Pn e不相同时(在一定的范围内,如坐标差≤0.001mm),则增加一条以Pne为起点,以PIS为终点的线段,从而形成封闭的截面轮廓。

一条截面轮廓整理完后,再以同样的方法在剩下的线段中搜索,得到另一截面轮廓,直到交线数组中再无线段为止。

图6就是利用此轮廓整理算法的切片结果,其中图6(a)为拉伸试样的切片结果图,图6(b)为义齿支架切片结果图。

2.4 填充方法的实现

形成截面轮廓后,要利用一定的算法生成每一截面轮廓的激光扫描路径,并生成相应的NC代码,或直接驱动激光器与数控工作台进行激光加工。激光扫描路径最常见的为直线光栅扫描法与轮廓偏移法,本文主要采用轮廓光栅扫描法进行填充。

光栅填充方式一般先判别内外环,再利用求交点的方式进行填充[3]。本文则直接利用交点来进行填充,这样可以提高计算效率。具体方法如下:

1)获取需扫描填充区域的最小包围盒,并根据激光扫描工艺参数中的单道熔覆宽度及搭接率,计算光栅扫描间隔;

2)按指定方向(如X、Y轴)生成扫描线,如图7(a)所示;

3)求出每条扫描线与当前层中所有轮廓的交点,如P1、P2、……、Pn;

4)统计交点数,并将交点按扫描线方向从小到大进行排序;

5)按点从小到大的顺序生成扫描线,扫描线为P1 P2、P3 P4、P5 P6、……。

生成的填充图如图7(b)所示。

特殊情况处理:

1)当交点数为奇数时,则应根据情况进行具体分析:

2)极值奇点[4]:如果(yi-yi-1)(yi+1-yi)≤0,则称Pi为极值奇点。此时规定按两个交点计算,如图8(a)所示。

3)非极值奇点:如果(yi-yi-1)(yi+1-yi)>0,则称Pi为非极值奇点。此时规定按一个交点计算,如图8(b)所示。

当轮廓的一条边在扫描线上时,此时不考虑它和扫描线的交点,交点数视为零。

在光栅扫描填充中,如果完全采用X轴或Y轴方向进行扫描填充,这样所制备的金属零件易形成组织结构偏析,对提高成型件的质量不利。因此在实际应用中,将每相邻两层之间的扫描相位差规定为某一特定夹角θ,通常选择的θ值有90º、105°、120º等[5,6]。在程序设计中将角度设计成变量,用户可以根据需要,自己确定。图9为利用每层相位角相差105º的方式进行填充的显示结果图。其中图9(a)为拉伸试样光栅填充图,图9(b)为可摘除局部义齿支架光栅填充图。图10为采用相位差为105º的激光快速成型加工的实物图。

3 结束语

在自行开发了一个用于金属零件激光快速成型加工的软件系统的基础上,详细论述了软件系统开发中的主要关键技术,实践证明,这些技术对于保证成型零件的质量和提高加工效率具有很大的作用。

摘要：本文详细论述了在VC.net2003环境下激光快速成型软件系统开发过程中的主要关键技术。给出了软件开发过程中所需的点、线、面、环和向量的数据结构;利用OpenGL完成立体模型的显示和控制的方法;切片与轮廓整理以及填充算法中的关键技术。实践证明:本文所述关键技术是可行的,并能提高成型件的加工质量和加工效率。

关键词：激光快速成型,软件系统,关键技术

参考文献

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[5]M,T.Ensz,M.L.Griffith,L.D.Harwell.Software Developmentfor Laser Engineered Net Shaping.Solid Freeform Fabrication Proceedings,1998:359-366.

激光快速成型 篇5

利用MALDI-TOF-MS测定了具有抗凝血活性的.水蛭素基因重组产物(rHV-2)的纯度和分子量,实验测定结果与理论计算值一致.证明此基因重组产物的一级结构是正确的,在表达、复性和纯化的过程中没有氨基酸的丢失、变异和修饰.

作 者：石磊 李娟 徐琪 刘志强 刘淑莹 作者单位：石磊(中国科学院长春应用化学研究所,长春,130022;吉林大学,长春,130021)

李娟,徐琪(吉林大学,长春,130021)

刘志强,刘淑莹(中国科学院长春应用化学研究所,长春,130022)

激光快速成型 篇6

1 粉末颗粒对铺粉效果的影响

粉末颗粒的粒径大小和颗粒形状是决定最小铺粉厚度的主要因素，而铺粉厚度对原型制件精度有很大影响，目前常见的颗粒形状主要有球形细颗粒，球形粗颗粒和角形颗粒三种。经研究对比发现球形颗粒比角形颗粒流动性好，球形细颗粒比球形粗颗粒流动性好。角形颗粒铺粉后的均匀性从宏观上看明显比球形颗粒的均匀性差，这是由于角形颗粒内摩擦角较大，颗粒与颗粒之间的相互作用力大，容易产生整体推动现象，铺粉时在平面上发生滑动；而圆形颗粒之间相互作用力小，铺粉相对较均匀[1]。

2 成型缸结构对比分析

2.1 双缸铺粉

双缸铺粉方式采用的是一个供料缸和一个成型缸，当激光器根据模型截面信息扫描烧结完一层之后，成型缸下降一个层厚，供料缸上升一个层厚，铺粉辊将粉末材料从供料缸里推向成型缸，铺粉完毕后返回到零位，完成一次铺粉需一个来回。

优缺点分析：这种铺粉方式的优点在于，铺粉机构的机构较为简单，运动的稳定性较好，但是，这种方式增大了设备整体水平方向的体积，而且铺粉辊完成一次铺粉需要运行一个来回，降低了成型效率。

2.2 三缸铺粉

三缸铺粉方式采用了两个供粉缸，一个成型缸，供粉缸位于成型缸两侧，左右各一个，同样是成型一层后，成型缸下降一个层厚，供粉缸上升一定距离，由铺粉辊完成铺粉。

优缺点分析：这种方式完成一次铺粉只需一个来回，相对双缸铺粉方式节省了一些时间，但是，该方法需要判别铺粉辊的停泊的位置，由铺粉辊的位置来决定是哪个供粉缸上升；不仅如此，由于增加了供粉缸的数量，设备的体积会进一步增加。

1.传动杆2.滚珠丝杠3.成型缸内腔4.丝杠螺母5.步进电机

2.3 单缸跟随式漏斗铺粉

对于成型大尺寸零件的双光源激光快速成型机而言，双缸铺粉方式和三缸铺粉方式都会造成设备体积过于庞大，铺粉效率相对较低的问题，而单杠跟随式漏斗铺粉则可以有效解决这一难点。

单缸铺粉方式摒弃了上述两种铺粉方式丝杠下置的传统方法，将丝杠安装于成型缸的两侧，通过丝杠螺母与成型缸内部的升降工作台连接，无需再额外的给丝杠预留升降所需的高度空间，使设备的相对高度降低了21.1%，相对宽度减小了37.5%，其平面结构图如图1所示。

此外，本方式还具有可分离性，可将已成型制件连同成型缸一起推出，更换新的成型缸，成型机可继续工作，既避免了在设备内部清粉的不便之处，又提高了设备的生产率。

缺点：密封要求较高[1]。

3 扫描方式对激光烧结的影响

3.1 分组变相扫描

采用分组变向方式时，激光束会优先按照同一方向上的轮廓扫描然后再扫另一方向，在下一切片层将优先方向顺序颠倒，依此类推。这种方式避免了激光束频繁跳跃，减少了振镜的动作时间，具有最高的扫描效率。但是，相应的也带来了表面质量问题，在其两个扫描方向的对接边界处会出现较明显的痕迹[4]。

3.2 逐行扫描

逐行扫描则是选定一个方向从轮廓一边依次扫描直到完成整个轮廓。这种方式下，如果轮廓中间有间断特征，光束会频繁跳跃，极其耗费时间，但是，另一方面由于其扫描顺序进行而不存在对接边界问题，因此表面工整、平滑[3]。

4 结束语

综上所述，对于SLS系统中粉末颗粒的形状，球形颗粒比角形颗粒流动性好，同时球形细颗粒又比球形粗颗粒流动性好，故实际打印过程中应优先选择球形细颗粒。对于打印机的铺粉系统，现存的主要分为三缸铺粉，双缸铺粉和单杠漏斗式铺粉三种形式，由于三缸铺粉系统体积较大而双缸铺粉又存在效率较低的问题，因此在双光源SLS系统中铺粉系统应优先选择单杠漏斗式铺粉结构。对于激光烧结过程中的扫描方式，分组变向扫描和逐行扫描各有优劣，实际生产过程中推荐使用根据实际工件形状将两者相互结合的扫描方式，同时满足提高关键部位表面质量和节约时间的要求[5]。

参考文献

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[4]王荣吉.选择性激光烧结工艺的试验与优化方法研究[D].湖南大学,2005.

激光快速成形钴铬合金机械性能研究 篇7

关键词：激光快速成形,钴铬合金,力学性能试验

快速制造(rapid manufacturing,RM)是近些年来新发展起来的一种先进制造工艺。RM技术是基于“离散—堆积”原理,将计算机辅助设计—计算机辅助制造技术与激光技术相结合,通过高功率激光器烧结-熔融金属粉末,直接制作出全密度、高精度的金属零件[1]。这种技术的主要特点是能够在短时间内加工出结构复杂、组织性能优异的金属物件。这与口腔修复的个性化、快速化发展要求不谋而合,因此RM技术近些年来受到了口腔修复领域学者们的广泛关注。目前,基于RM技术发展出来的新型成形技术主要有选择性激光熔融(selective laser melting, SLM)、激光近形制造技术(laser engineered net shaping,LENS)、直接光制造技术(direct light fabrication,DLF)、激光快速成形技术(laser rapid forming,LRF)等,按照成形工艺的不同,RM通常分为预置铺粉法和同步动态送粉法,其中除SLM属于预制铺粉法外,上述其它技术工艺都归为同步动态送粉法。

Bennet 等[2]在2004 年利用SLM技术制作出了不锈钢、钴铬合金及纯钛的冠桥修复体。Coulon等[3]于2005 年在Phenix系统中利用SLM制作了钴铬合金的基底冠。但是尚未见有关新型钴铬合金基本力学性能及耐腐蚀性的研究报道。国内高勃等[4,5,6]率先与西北工业大学国家重点凝固实验室合作将同步送粉式的LRF技术引入口腔金属材料领域,成功制作了纯钛全口义齿支架及纯钛和镍铬合金的烤瓷基底冠。

本文应用同步送粉式的LRF技术成形烤瓷用钴铬合金,对成形试件进行力学性能测试和显微组织观测,并与相同配比的商用口腔铸造钴铬合金进行对比,为LRF钴铬合金进一步的研究和最终应用于口腔临床提供实验依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料和LRF钴铬合金试件的制备

基底材料选用不锈钢板材(140 mm×120 mm×5 mm)。实验前对基底材料的表面用无水乙醇清洗。粉末选用粒度为-100～200目的钴铬合金粉末(配比参照德国Bego公司Wirobond® C合金)。

试件在西北工业大学凝固技术国家重点实验室的激光立体成形系统上制备。该成形系统由RS850型5 kW CO2激光器, LRF- 855数控工作台, JPSF- 1型自动送粉器和四路同轴送粉喷嘴组成。激光成形钴铬合金的工艺参数为:激光功率2 000 W,扫描速度300 mm/min,送粉速度6.5 g/min,光斑直径3 mm,单道宽度2.7 mm,搭接率50%。采用多道多层搭接Z向生长方式,进行激光熔覆堆积成形,成形过程单层高度0.4 mm, 最终形成110 mm×25 mm×15 mm的LRF钴铬合金块体。从图 1可以看出,成形件形状规则,表面无沾粉,侧壁与基材基本垂直。

1.2 测试方法

将未加工前的钴铬合金粉末及屑状的LRF钴铬合金(各2 g), 采用Axios- Advanced型X- 射线荧光光谱仪(荷兰帕纳科公司)对其进行化学元素定量分析。

将LRF钴铬合金块体和铸造钴铬合金锭经过线切割制成8 mm×8 mm×2 mm试件,用树脂镶嵌,表面用200～1 500#水砂纸依次进行打磨后抛光,将试件置于王水(硝酸∶盐酸=1∶3)中煮沸腐蚀5 min,取出试件后蒸馏水冲洗,干燥。然后用PMG3研究型倒置式金相显微镜(日本Olympus公司)对试件的微观组织进行观察。

按照GB/T 228- 2002标准经线切割制备室温拉伸试件(标距35 mm、 直径5 mm棒状),经X线探伤检查,选取3 个无气孔试件,标距部分用200～1 500#水砂纸依次进行打磨。在常温下用AG- IS型系列拉伸试验机(日本岛津公司)测定试件的抗拉强度(σ)、屈服强度(σ0.2)、延伸率(δ)并计算弹性模量(E)。拉伸速度为1 mm/min。利用扫描电镜观察拉伸断口形貌。

将LRF钴铬合金块体线切割制成20 mm×20 mm×2 mm试件。将试件用树脂镶嵌,表面用200～1 500#水砂纸依次进行打磨抛光,在HXP- 10007M数字式显微硬度计(上海泰明光学仪器有限公司)上测试试件的维氏显微硬度,测试6 个点。

将LRF钴铬合金块体经线切割制成5 mm×5 mm×25 mm试件3 个,表面用200～1 500#水砂纸依次进行打磨抛光,利用DIL 402 PC热膨胀仪(德国耐驰公司)测试合金热膨胀系数。

2 结果与分析

LRF钴铬合金与铸造钴铬烤瓷合金的金属元素成分如表 1所示,二者成分基本相同(重量百分比),但LRF钴铬合金较之加工前的合金粉末氧元素略有升高,这可能是因为在激光高温融覆过程中有金属粉末被空气中的氧气氧化造成的。

图 2和图 3为LRF钴铬合金以及铸造钴铬合金的微观组织。可以发现LRF钴铬合金的晶粒较之铸造合金更为细小,排列更为均匀、致密。

①WirobondC铸造钴铬烤瓷合金成分参考商业参数

①Wirobond® C铸造钴铬合金机械性能参考商业参数

对LRF钴铬合金与铸造钴铬合金二者的各项性能进行单样本t检验, P值均小于0.05,故认为二者的抗拉强度、屈服强度、延伸率及弹性模量均具有统计学差异,结合具体实验数据,可以看出LRF钴铬合金的抗拉强度、屈服强度和弹性模量均高于铸造钴铬合金,而延伸率则小于后者。

图 4为LRF钴铬合金拉伸断的端口形貌。100 倍电镜下观察可见LRF钴铬合金拉伸断口有典型的解离断裂形成的放射状花纹,在5 000 倍镜下可见发生塑性断裂而形成的花瓣状撕裂棱突起,因此可判断LRF钴铬合金的断裂方式为介于解离断裂和塑性断裂之间的一种过渡断裂形式,即准解离断裂。

表 3为不同位置处LRF钴铬合金的显微硬度。铸造钴铬烤瓷合金维氏硬度为310,对二者维氏硬度进行单样本t检验, P<0.05,认为二者具有统计学差异。结合表3数据,可以认为LRF钴铬合金显微硬度明显高于铸造钴铬合金。

表 4为LRF钴铬合金的热膨胀系数。铸造钴铬烤瓷合金25～500 ℃膨胀系数为14.0,二者进行单样本t检验, P>0.05,故可以认为二者无统计学差异。

3 讨 论

高勃等[7]对Rene95合金激光成形试件微观组织的研 究与 黄 卫东、 李 延民 等[8,9] 对 激 光立 体 成 形的

TC4钛合金、不锈钢等合金微观组织的研究都表明激光成形制备过程中具有较快的凝固速度,因此得到的材料组织细密,且无成分偏析。本实验对于LRF钴铬合金的微观组织观察也证明了这一改变,较之传统铸造钴铬合金,LRF钴铬合金晶粒细小,组织更为细密、均匀。一般认为传统铸造合金组织内粗大而发达的树枝晶,并在枝晶间由于溶质富集产生成分偏析,进而促使合金组织产生微裂纹,影响到合金的力学性能。激光立体成形属于一种近快速凝固技术,激光熔池在极短的时间内凝固,较快的凝固速度显著地减小了试件的晶粒尺寸,并会抑制宏观偏析的产生,因此得到的组织细密,且无成分偏析,使得制备的金属试件的力学性能和耐腐蚀性能有较大的提高[10]。

化学元素定量分析表明LRF钴铬合金金属元素的成分比例与商用烤瓷铸造钴铬合金基本相同。由于LRF技术赋予了钴铬合金更为致密的组织结构,因此其抗拉强度、屈服强度及显微硬度均明显高于铸造合金,这可以赋予烤瓷基底冠更好的抗力强度。弹性模量反映了金属弹性形变的难易程度,其数值越大,说明在相同应力下金属的形变越小[11]。如果金属基底的抗应变能力不够,将会产生较大的弯曲变形,这会导致瓷的剥脱或折裂。因此,对于单端桥,或跨度较长的烤瓷桥,金属基底的弹性模量越高越有利于避免上述问题的出现。同时弹性模量又反映了一种材料的刚性,弹性模量越高说明材料的刚性越好,其韧性就会降低,而延展性正是反映材料韧性的指标之一。LRF钴铬合金弹性模量高于铸造钴铬合金,同时其延展率低于后者,说明LRF钴铬合金刚性较好,韧性较低。但是其(5.8±0.58)%的延展率能满足ISO9693标准内规定的烤瓷用金属延展率不得小于3%的要求。

与牙科烤瓷用瓷粉在热膨胀性能方面的匹配是合金应用于烤瓷领域的基础,LRF钴铬合金与相同配比的铸造合金的热膨胀系数没有统计学差异,表明其在热膨胀系数方面与常规烤瓷用瓷粉的匹配不存在问题。

4 结 论

相同配比的激光立体成形的钴铬合金试件比传统铸造钴铬合金具有更加细密、均匀的组织结构,更为优异的力学性能,这使得这种新型合金具有广阔的临床应用前景。

参考文献

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激光快速成型 篇8

二维激光摄像式传感器由面阵式摄像机(下文简称摄像机)及激光器构成。如图1所示,激光器发射扇形激光切面,若被测目标出现在扇形激光切面范围内,则会在被测物体表面形成一条激光轮廓线,摄像机主光轴与扇形激光切面呈固定夹角,摄像机实时获取目标轮廓图像信息,采用图像处理方式对目标轮廓线进行识别,同时,基于摄像机三角测距原理,对目标轮廓进行定位并测距。

二维激光摄像式传感器采用非接触式测量方式,具有量程大、精度适中等优点,基于二维激光摄像式传感器的工业检测系统被广泛应用于工件完整性、表面平整度及设备外形尺寸的测量。

采用二维激光摄像式传感器进行视觉检测,事先需要进行摄像机标定,标定示意图如图1所示。传统摄像机线性模型包括11个未知参数[1],求解过程较为繁琐,从工程和产品化的角度出发,标定方法应该在保证测量精度的前提下,尽量做到简便易行。一般来说,建立的摄像机模型越复杂,标定难度就越大,目前的锯齿靶法、拉丝法获得的标定点的数量有限,且操作不方便;利用交比不变性原理需要高精度的三维立体靶标,且同样存在标定点数量少的问题,因此并不适合现场快速标定[2~5]。

本文充分利用摄像机内部参数已知信息、激光标定平面与摄像机坐标系之间的相对位置关系,忽略摄像机镜头畸变、CCD芯片变形及主光轴偏心带来的误差影响,提出将摄像机主光轴与激光切面交点作为世界坐标系原点,从而大大简化了摄像机模型的数学表达式。

本文从摄像机成像原理出发,建立了基于透视变换的摄像机模型,提出了一种基于最小二乘法的二维激光摄像式传感器快速标定算法,并推导了该标定方法计算公式。通过标定试验,验证了该标定方法具有标定速度快、收敛性好的优点,对于标定速度及稳定性要求较高的应用场合,具有一定使用价值。

1 摄像机模型及标定方法

如图2所示,建立图像像素坐标系ORXEYE,(单位:像素);建立图像物理坐标系O1XY,(单位:mm);建立摄像机坐标系建立世界坐标系Ocxcyczc,(单位:mm);其中,将二维激光摄像式传感器激光切面所在的平面作为世界坐标系Owxwyw参考平面,将激光切面Owxwyw与摄像机主光轴Oczc的交点作为世界参考坐标系的原点Ow,Owyw//Ocyc,Owxw、Owzw分别与Ocxc、Oczc存在a夹角;

设像元尺寸为m,(单位:mm/像素);设焦距为f,(单位:mm);图像物理坐标系O1在图像像素坐标系ORXEYE中的坐标为(Cx,Cy),(单位:像素),(Cx,Cy)作为已知参数给出,设

OwOc为摄像机坐标系Ocxcyczc原点与世界坐标系Owxwywzw原点的距离,设z0=OwOc;

将图2三维空间示意图转换为图3中的二维平面示意图,如图3中所示,Owxwyw中任意一点坐标为(xw,yw,0)其在摄像机坐标系Ocxcyczc中坐标为:

由摄像机透视投影关系可得[7]:

将公式(2)带入公式(3),可得公式(4):

将公式(4)展开可得公式(5):

将公式(5)变形可得公式(6):

将公式(6)中的方程相加,可得公式(7):

其中,(xw,yw,U,V)为已知参数为未知参数,至此,二维激光摄像式传感器标定模型建立完成。

2 数值求解

整理公式(8)可得公式(9):

设A,B为如下参数矩阵:

由公式(9)、(10)、(11)可得公式(12):

至此,摄像机参数得出,将带入公式(6),已知世界坐标系中任何一点像素坐标(U,V),即可求得其在世界参考坐标系中的坐标,计算方法如公式(15)所示:

3 标定试验

为了验证该标定方法的可行性及标定精度,在专用的棋盘格标定板上进行标定试验,摄像机采用北京微视公司MVC1000SAM_GE30摄像机,分辨率为1280×1024;采用Kowa公司型号为LM12NCL镜头,镜头焦距为12mm;

标定板实测图像如图4所示,共标定17组数据,标定数据对(U,V)、(xw,yw)如表1所示。

图5、6分别为摄像机坐标系(U,V)与(xw yw)对应曲线,采用表1中17组标定数据对,采用第2、3节中的摄像机标定及计算方法,可得:

由公式(16),可得二维激光摄像式传感器在世界参考坐标系下的模型为:

将(U,V)带入公式(17),得到(xw1,yw1),设

(xw1,yw1)分别如图7、8所示,(∆x,∆y)分别如图9、10所示,由图9、10可知,采用文中所述的二维激光摄像式传感器快速标定算法,水平方向误差基本控制在3mm以内,垂直方向误差基本控制在1mm以内。

4 结论

本文针对二维激光摄像式传感器,提出将激光切面与摄像机主光轴交点作为世界参考坐标系原点,简化了摄像机模型数学表达式。利用摄像机成像原理,推到了基于最小二乘法的二维激光摄像式传感器快速标定方法,并进行了标定试验,获取了17组标定数据对,运用上述方法,对上述摄像机模型参数进行了求解,结果表明:该标定方法简化了标定过程,具有标定速度快,收敛性好的优点,标定误差分析表明:采用文中摄像机及镜头,水平方向误差基本控制在3mm以内,垂直方向误差基本控制在1mm以内。

摘要：本文针对二维激光摄像式传感器应用环境,提出将激光切面与摄像机主光轴交点作为世界参考坐标系原点,简化了摄像机模型数学表达式,推导了基于最小二乘法的二维激光摄像式传感器快速标定方法,并进行了标定试验。试验结果表明:该方法简化了二维激光摄像式传感器标定过程,且具有标定速度快、收敛性好的优点,水平方向最大标定误差、垂直方向最大标定误差基本控制在3mm和1mm以内。

关键词：摄像机,二维激光,标定,视觉检测,最小二乘法

参考文献

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激光快速成型 篇9

接触网高度测量主要分为两大主流方向, 即接触式测量与非接触式测量[5,6]。接触式测量, 一般是在受电弓上安装角位移传感器, 受电弓弓板高度发生变化时, 主轴的角度发生变化, 根据此角度变化值即可反演出接触网的高度变化[7]。非接触式测量主要是基于光学原理, 一端由光源对准接触网发射准直光束, 另一端由探测器接收反射光束, 根据光束在探测器靶面的投影位置得出接触网高度[8]。

接触式测量一般为间接式测量, 无法真实反映出接触网高度的实际变化情况, 因而不能为受电弓提供反馈预测, 而非接触式测量则可有效规避上述问题, 同时不会对被检测受电弓的力学特性产生任何影响, 所以成为当前主流的测试手段。但是, 现有非接触式测量大多基于光学方法, 容易受到外界光线环境干扰, 特别是接触网高度测量大部分是以天空为背景, 在太阳直射的情况下, 会在一定程度上影响测量结果, 因此应在减弱非相干光源干扰等方面加以改进。本文所设计的接触网高度快速检测系统 ( 见图1) , 在现有的非接触式测量设备的基础上, 增加了GPS太阳高度角定位模块, 通过激光雷达对准角度的反向调整使其尽量避免太阳直射对测量结果的影响, 测量示意图如图2 所示。

1 系统的硬件结构

该接触网高度检测系统主要由激光雷达阵列、GPS太阳高度角定位模块、数据采集及处理模块、激光雷达对准角度调整结构、接触网高度输出模块等几部分组成 ( 见图3) , 固定在电力机车顶部受电弓装置附近。

1. 1 数据采集及处理模块

作为整个系统的数据处理及时序控制的核心部分, 采用FPGA + DSP双处理器结构。其中, FPGA用于时序信号的产生、信号采集芯片的驱动、控制命令的收发; 而DSP则主要是用于高速信号的提取与处理。

1. 2 激光雷达阵列

为了减小受电弓的单点磨损, 接触网沿导轨的水平方向呈“之”字形分布, 因此, 不同时刻接触线与受电弓接触点位置不同。要想测量其当前高度, 必须首先对其位置进行快速定位后再进行测量。在实际测量中, 接触网高度起伏在5. 3 ~ 6. 5 m, 去除车体及结构高度, 测量高度范围小于2 m。由于动车的接触网线径为12. 9 mm, 为检测出接触线高度, 要求激光雷达角分辨率不大于0. 37° 即可[9]。为此, 本系统选择UTM - 30LX - EW型2 维激光扫描雷达对机车上方接触线可能存在的位置进行快速扫描, 通过信号处理, 可计算出当前接触网位置和高度。该雷达测量范围270°, 可在100 000lx光强下工作, 且扫描角分辨率高达0. 25°。与本文数据采集及处理模块相结合, 单次扫描及高度测量时间小于30 ms。

为了进一步缩短单次测量时间, 提高检测频率, 采用了激光雷达阵列结构。该结构由若干激光雷达排列组成, 用于实现对当前接触网高度进行等间隔分时循环采样, 时序图如图4 所示, 以进一步提高测量频率。本系统采取的雷达阵列数为2。

1. 3 GPS定位模块及雷达对准角度调整结构

本系统通过GPS模块实时获取机车当前位置、时间信息, 计算出当前太阳高度角后, 根据计算的角度通过反向调整激光雷达的对准角度调整结构, 使雷达阵列背对太阳的角度进行接触网高度测量, 以避免太阳直射的影响。为了避免对准角度调整结构的频繁调整对测量速度产生影响, 仅将机车上表面以上的半球空间平分为两大部分, 如图5 所示。当太阳高度角位于空间1 范围内时, 调整雷达阵列对准1 位置;当太阳高度角位于空间2 范围内时, 调整雷达阵列对准2 位置。只有太阳高度角在空间1 和空间2 发生角度变换时, 才进行角度调整, 其他时刻雷达阵列位置保持不变, 从而避免了调整结构的频繁扰动。

1. 4 接触网高度输出模块

每次接触网高度计算结束后, 实时通过该模块的RS485 串行接口将计算结果反馈给受电弓控制器, 以便为受电弓的搭接角度提供信息参考。

2 系统的软件控制流程

结合上述硬件部分的描述, 本检测系统主要实现如下功能: GPS信息采集及太阳高度角计算、雷达阵列对准角度的调整、雷达阵列的驱动与数据采集、接触网高度的数据处理与计算、检测结果的反馈输出。系统流程图如图6 所示。

设备在运行过程中, 数据采集及处理模块首先利用GPS定位模块, 读取机车当前的位置和时间信息, 按照太阳高度角计算公式对当前位置太阳高度角进行计算。根据计算得到的太阳高度角范围, 按照图5 方式, 通过角度调整结构对激光雷达阵列的对准角度进行判断和调整。角度调整结束后, 数据采集及处理模块通过时序驱动信号, 对激光雷达阵列依次进行等间隔驱动控制, 如此循环往复。激光雷达阵列将采集到的扫描数据依次传输给数据采集及处理模块。数据处理模块将扫描数据进行提取和计算, 将计算结果实时反馈给受电弓控制器, 以实现对接触网高度的持续测量。

3 实验结果

检测精度是衡量整个系统性能的最为关键性的指标。利用该系统分别对500 mm、1 000 mm、1 500mm、2 000 mm的给定距离进行100次连续测量, 测得的误差范围分别为±14 mm、±10.5 mm、±10.5mm和±8.5 mm。

在500 ~2 000 mm测量范围内, 本系统的测量精度小于 ± 15 mm。此外, 在系统实时性方面, 通过实际测量, 平均单次采样及处理时间小于16 ms, 即测量频率小于50 Hz。

4 结论

非接触式接触网高度快速检测系统与现有常规接触网高度检测设备相比, 引入了多个激光雷达等时差并行循环测量, 大大缩短了单次扫描与测量所消耗的时间。此外, 还将太阳高度角测量模块引入系统中, 作为参考值反向调整激光雷达测量时的对准角度, 进一步降低太阳直射对测量结果造成的干扰, 增强了系统的适应性和稳定性。

参考文献

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激光快速成型 篇10

本文应用LRF来加工钴铬合金,对其生物安全性进行研究,为将来的临床应用奠定材料学基础。通过溶血实验、短期全身毒性实验、细胞毒性实验、口腔黏膜刺激实验对LRF Co- Cr合金进行生物安全性评价。

1 材料与方法

1.1 主要材料

1.1.1 实验材料

选用粒度为-100～200 目的钴铬合金粉末 (配比参照德国BEGO公司Wirobond®C合金),其成分(t%):Co:61.55、Cr:25.47、Mo:5.92、W:5.08、Si:0.93、Fe:0.52、Ce:0.47、O:0.042、C:0.022。在西北工业大学凝固技术国家重点实验室的激光立体成形系统上制备。最终形成450 mm×250 mm×300 mm的LRF钴铬合金块体[6]。将LRF钴铬合金块体材料经线切割分别制备成直径5 mm、厚1 mm的薄片;直径14.5 mm、厚1 mm的圆片(将材料按3 cm2/ml的介质比例,置于生理盐水中和DMEM培养基中, 37 ℃恒温箱中浸提3 d,过滤除菌)和直径5 mm、厚0.7 mm的圆片(圆片中央制备4 个等距离、直径小于1 mm的圆孔),SiC砂纸抛光至1200 目,边缘光滑,无锐角,清洗、干燥、常规消毒后备用。

1.1.2 实验动物

新西兰大耳兔1 只;健康大白鼠20 只(第四军医大学动物实验中心),雌雄各半,体质量为130～150 g;金色仓鼠10 只(南京生物科技中心),雌雄各半,雌性动物无孕。

1.1.3 主要试剂

2%草酸钾抗凝剂、 0.9%氯化钠溶液、三蒸水(自配)、DMEM培养基、胎牛血清、CCK- 8试剂[2-(2-甲氧基-4-硝基苯基)-3-(4-硝基苯基)-5-(2,4-二磺酸苯)-2H-四唑单钠盐]、胰蛋白酶、磷酸盐缓冲液(PBS)。

1.2 实验方法

1.2.1 溶血实验[7,8]

根据YY/T 0127.1- 1993和GB/T 16886.4- 2003抽取兔耳血进行实验。

1.2.2 短期全身毒性实验[9]

根据YY/T 0244- 1996采用实验材料浸提液大白鼠灌胃的方法进行实验。

1.2.3 体外细胞毒性实验(CCK- 8法)[10,11]

参照GB/T 16886.5- 2003,将冻存的L- 929细胞复苏传代后,制成细胞悬液。调整细胞浓度为2×104 个/ml,以每孔0.1 ml接种于96 孔培养板中(n=6),37 ℃、5%CO2细胞培养箱中预培养24 h,使细胞贴壁。舍弃原培养液,将材料浸提液按照100%、50%、10%、1%的浓度与含10%胎牛血清DMEM培养液进行配比,加入96 孔培养板中(100 μl/孔);阳性对照组为含6.4 g/L苯酚的DMEM培养液;阴性对照组为含10%胎牛血清DMEM培养液。共接种3 块相同的板,放入细胞培养箱(37 ℃、5% CO2)中继续培养。于培养后1、3、5 d各取一块培养板在倒置相差显微镜观察细胞形态并照相,然后加入CCK- 8溶液(10 μl/孔),微震荡10 min,继续培养4 h再置于倒置相差显微镜下观察结晶物密度并照相。然后在酶联免疫检测仪450 nm波长处测定各孔吸光度值(A450值)。通过下式计算细胞相对增殖率(relative growth rate,RGR)。

A1:实验组吸光度均值;A2:阴性组吸光度均值; s:标准差;细胞增殖百分率与毒性分级的对应关系为:增殖率≥100时为0 级,增殖率为75～99时为1 级、 50～74时为2 级、 25～49时为3 级、 1～24时为4 级, 增殖率为0时为5 级。0 级和1 级反应为无毒性反应。

1.2.4 口腔黏膜刺激实验[12]

根据YY/T 0279- 1995采用将实验材料缝固在金色仓鼠颊黏膜的方法进行实验。

1.3 统计学方法

使用SPSS 14.0对溶血实验、体外细胞毒性实验、短期毒性实验所得数据结果进行统计分析,两样本比较用t检验,检验标准α=0.05。

2 结 果

2.1 溶血实验

各组测定吸光度值见表 1,材料组的体外溶血率为0.8%,符合GB规定的溶血率<5%的标准。可认为LRF Co- Cr合金无溶血反应。

2.2 短期全身毒性实验

在实验过程中20 只大白鼠进食正常,体形正常,毛色光亮,反应敏捷,无死亡。第1周实验组食物利用率为20.2%,体重相对增长率为33.3%,第1周对照组食物利用率为20.6%,体重相对增长率为33.9%;第2周实验组食物利用率为20.7%,体重相对增长率为34.4%,第2周对照组食物利用率为20.4%,体重相对增长率为33.7%,通过t检验分析,实验组与对照组动物食物利用率和体质量相对增长率P>0.05,认为无明显差别。14 d处死实验组动物后进行组织器官解剖,经肉眼观察均未见充血、出血、水肿及其它异常变化。肝肾组织切片在显微镜下观察与对照组相同,均未见变性、萎缩、坏死等病理变化(图 1～2)。可认为LRF Co- Cr合金无短期全身毒性。

2.3 体外细胞毒性实验

细胞毒性实验5 d时,阳性组大部分细胞胞体变小成圆形,核固缩,贴壁细胞聚集成团,为中毒形态;阴性组和各浓度组细胞数量增多,形态正常(图 3)。表 2为用CCK- 8法检测的各组A450值。经t检验,实验组(各浓度组)与阴性组间的A450值,P>0.05,认为无明显差别。各浓度组与阳性组间P<0.05,认为有显著性差异。实验组各个浓度的细胞毒性级别均在0～1 级之间(表 2～3)。可认为LRF Co- Cr合金无明显细胞毒性。

2.4 口腔黏膜刺激实验

14 d中,动物饮食、活动正常,无不良反应。各组实验材料固定良好。肉眼观察未发现黏膜表面及其周围组织有充血、糜烂、 肿胀及溃疡等情况, 反应程度评定均为正常。实验组与对照组的组织学表现相似(图 4),上皮细胞形态正常,结缔组织内无明显充血。实验组总评分均低于4,可认为LRF Co- Cr合金对仓鼠口腔黏膜无刺激性。

A: 100%材料浸提液组; B: 阳性组; C: 阴性组

A: 100% extract group; B: Positive control group; C: Negative control group

注: 与阳性对照组比较: ① P<0.05

3 讨 论

口腔用生物材料在应用于人体之前, 除具备临床所要求的机 械及理化性能 外, 还应具有良好的生物安全性。在国际牙医联盟 (FDI) 牙科制品委员会的IS07405 技术报告的基础上,本实验根据“口腔材料生物相容性临床前评价与试验项目选择” [13]中的推荐试验项目,对激光快速成形钴铬合金进行了溶血实验、短期全身毒性实验、细胞毒性实验、口腔黏膜刺激实验,以科学评价该材料的生物安全性[14]。

A: LRF Co- Cr组; B: 对照组

A: LRF Co- Cr group; Control group

溶血实验因为能敏感地反映试样对红细胞的影响,所以多用于评价长期与骨或软组织接触的材料的体外急性溶血活性,是筛选材料的一种非常有意义的实验方法。本实验用LRF Co- Cr合金的溶血率是0.8%,符合医用生物材料溶血率<5%的标准,可认为本材料无体外溶血作用。

短期全身毒性实验,通过将材料的浸提液注入动物胃内,观察动物的反应及其体重的变化,判断材料是否具有全身毒性,是评价短期内材料对生物体有无毒性作用的一种实验[15]。实验过程中动物体型正常,体重增加,毛色光亮,反应敏捷,无中毒反应,2 周后处死动物,肉眼观察动物心、肝、脾、肺、肾、胰、消化道等重要脏器均未出现异常变化,说明LRF Co- Cr合金无短期全身毒性。

体外细胞毒性实验是用来评价牙科材料致细胞损伤的潜在性, 并预测其最终生物体应用时的组织细胞反应,通过体外细胞培养技术, 可检测材料接触细胞后细胞发生生长抑制、功能改变、溶解、死亡或其它毒性反应[16]。本实验选用的是CCK- 8试剂盒进行细胞毒性的检测,CCK- 8试剂生成的甲臢物具有高度水溶性,不需要使用裂解液溶解沉淀,同时也不需要吸取上清, 简便了实验步骤也大大提高了实验的敏感性。因此该法较其他细胞毒性检测法操作更简便,无需多次进行细胞操作,减少了实验过程中人为损伤细胞而导致细胞存活率的计算错误,同时CCK- 8试剂相当稳定,无放射性,并且对细胞没有毒性,可以长时间孵育。CCK- 8法测定细胞增殖或毒性实验中细胞活性具有独特的优势。实验结果显示LRF Co- Cr合金的4 组不同浓度的浸提液对细胞均未出现毒性反应,表明该材料无细胞毒性。

口腔黏膜刺激实验,不但是对口腔材料的生物学实验,还是模拟临床使用的动物实验。本文通过对LRF Co- Cr合金和对照试样进行肉眼及组织学观察,以评价与口腔黏膜接触的材料对黏膜产生的刺激作用。实验过程中未见明显炎症及上皮组织增生,可认为LRF Co- Cr合金对口腔黏膜无刺激性。