3D打印是一种接纳数字驱动方法将质料逐层群集成型的先进制造手艺。。。。 。近30年来 ，，，，，，，3D打印。。。 。ㄔ霾闹圃欤┦忠找殉晌泄圃煲盗⒁臁⒅氐阈幸底蜕兜闹卮蠊残孕枨笫忠铡。。。 。在生物医用领域 ，，，，，，，钛合金是最常用的植入金属之一 ，，，，，，，与其他金属质料如不锈钢和钴铬合金相比 ，，，，，，，具有高强度、强耐侵蚀性、低模量以及优异的生物相容性等多种优异性能[1-4]。。。。 。临床上骨科、牙科病人的病患体质往往具有很强的个性化及重大性 ，，，，，，，3D打印能够打印出高度定制型的重大三维植入物[5-6] ，，，，，，，能在最洪流平上减轻病人疼痛 ，，，，，，，实现改善他们生涯质量的目的[7-8]。。。。 。关于3D打印手艺而言 ，，，，，，，金属粉末的理化特征不但决议了用于加工制品单位操作的选择 ，，，，，，，并且直接决议着能否打印出具有优良性能的植入物。。。。 。因此 ，，，，，，，研究面向3D打印用钛合金粉末的差别制备要领尤为主要 ，，，，，，，也是打印出长效性莳植体的要害[9]。。。。 。现在 ，，，，，，，常用的3D打印钛合金粉末的制备要领主要有气体雾化法、等离子旋转电极法及等离子体雾化法等[10-11]。。。。 。本文主要从事情原理、工艺特点对上述制备要领举行先容 ，，，，，，，为临床上开发出性能优异的医用钛合金莳植体提供思绪。。。。 。
1、钛合金粉末制备要领
在生物医疗方面 ，，，，，，，3D打印的植入物或修复体通常陪同患者较长时间 ，，，，，，，对打印体的粉末提出了很高的要求 ，，，，，，，包括球形度高、粒径窄、流动性好、不规则颗粒和卫星颗粒比例少等[12]。。。。 。球形钛粉的要害特征包括粒径、流动性、氧含量等。。。。 。粒径漫衍的要求因应用而异 ，，，，，，，如选择性激光熔化（SLM）要求粒径漫衍为20～45μm ，，，，，，，电子束熔化（EBM）要求粒径漫衍为45～106μm[13]。。。。 。现在众多制造要领均是在包管颗粒尺寸足够小的条件下 ，，，，，，，起劲提高细粉（＜45μm）的产量 ，，，，，，，降低质料本钱。。。。 。本文主要先容了适用于生物医学方面的主流制粉要领 ，，，，，，，包括气体雾化法、等离子旋转电极法、等离子体雾化法等。。。。 。
1.1 气体雾化法
气体雾化法（GAｓａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ ，，，，，，，GA）手艺是现在应用最普遍的生产微细球形金属粉末的要领[14] ，，，，，，，原理是金属熔体被高速气流破损形成液态金属流 ，，，，，，，即高速气体的动能在液态金属被破损成小液滴时转化为液态金属的外貌能 ，，，，，，，导致形成锥形两相喷雾射流。。。。 。若是金属液体相较大 ，，，，，，，它们还会在航行中破碎成更小的碎片。。。。 。最常使用的两种喷嘴系统是自由落体式和细密耦合式（如图1所示） ，，，，，，，两者都是圆形的液体射流 ，，，，，，，液体射流通过围绕在液体射流周围的高速雾化气流实现。。。。 。在自由落体雾化器中 ，，，，，，，气体出口与熔体喷嘴出口之间坚持10～30ｃｍ的距离 ，，，，，，，当气体流动较大导致动能损失的时间 ，，，，，，，气体与熔体相互作用形成差别的球形颗粒并凝固[10] ，，，，，，，通常爆发相对较粗的粉末[14]。。。。 。在细密耦合的设置中 ，，，，，，，气体和熔体之间的相互作用点与熔体管尖端之间的距离相对较近 ，，，，，，，能很好地使用单个气体流混淆、发散和失去动量之前的气体动能 ，，，，，，，爆发很是细的粉末 ，，，，，，，这主要得益于气体和熔体流的靠近有利于能量转移 ，，，，，，，但由于气体高速的冷却效果 ，，，，，，，熔体运送管无意会冻结 ，，，，，，，导致管道梗塞[15]。。。。 。只管气体雾化法是一项非经常用的制备工艺[16-17] ，，，，，，，能够制备种种金属粉末 ，，，，，，，但仍保存一些问题。。。。 。雾化室内气体的循环 ，，，，，，，细颗粒被回流 ，，，，，，，与部分熔融的颗粒碰撞 ，，，，，，，容易形成卫星颗粒[18]（如图1所示）；；；；；；另外 ，，，，，，，用于雾化的高压气体可能被困在液态金属中 ，，，，，，，而液态金属将继续成为粉末中的气孔或气泡 ，，，，，，，这些都可能对打印出的钛合金植入器件爆发负面影响[19]。。。。 。
图 １ 气体雾化喷雾器示意图
1.2 等离子旋转电极法
等离子旋转电极法（Ｐｌａｓｍａｒｏｔａｔｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｒｏｃｅｓｓ ，，，，，，，PREP）是一种适合于制备增材制造种种金属粉体的要领。。。。 。PREP所制造出的粉末具有较高的冷却和凝固速率抗断裂性、耐侵蚀性和生物相容性 ，，，，，，，在生物医用方面是更好的选择[20]。。。。 。一种典范的非转移弧PREP雾化器的原理图如图2所示 ，，，，，，，雾化室充满Ａｒ／Ｈｅ混淆气体 ，，，，，，，旋转棒在火炬内等离子弧加热的高温气体中熔化 ，，，，，，，在高速角速率离心力作用下摆动 ，，，，，，，形成液滴后迅速冷却成球形粒子[21]。。。。 。
图 ２ 等离子旋转电极雾化器结构图 ［２１］
PREP粉末质量始终与转速、电极棒直径、熔炼速率和合金自己的物理性能有直接关系。。。。 。该要领形成卫星粉的概率很低 ，，，，，，，历程可简朴概述为熔液金属液滴在惰性气体下从电极棒边沿喷射并成为颗粒 ，，，，，，，但在金属液滴航行的历程中 ，，，，，，，可能会爆发两个金属液滴或颗粒的碰撞。。。。 。因此 ，，，，，，，要想提高粉末的可靠性 ，，，，，，，需要将惰性气体的流速、转速及电极直径坚持在一个合适的工艺参数[22-23]。。。。 。
1.3 等离子体雾化法
等离子体雾化法（Ｐｌａｓｍａａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ ，，，，，，，PA）是一种双液手艺 ，，，，，，，热源通常由三支等离子体喷枪组成 ，，，，，，，原理是金属丝从滑阀引入 ，，，，，，，经由三支等离子炬喷出的等离子体射流的交点后 ，，，，，，，形成液滴并充分固化 ，，，，，，，最后固化成金属粉末[24]（如图3所示）。。。。 。
图 ３ 等离子体雾化历程示意图 ［２４］
等离子体炬（如图4所示）是爆发等离子体射流的主要装备 ，，，，，，，雾化粉末的质量很洪流平上取决于等离子体炬在PA中爆发等离子体射流的特征。。。。 。正极性等离子体炬（NPT） ，，，，，，，一侧梗塞的后电极设置为极性 ，，，，，，，两侧翻开的前电极设置为阳性 ，，，，，，，反极性等离子体炬（RPT）为前后电极的极性交流。。。。 。关于反极性等离子体炬 ，，，，，，，受到前电极内强盛动力的影响 ，，，，，，，导致弧柱沿前电极延伸 ，，，，，，，阴极弧最终牢靠在前电极出口处 ，，，，，，，优势在于可以形成气体的一连加热 ，，，，，，，以是ＰＲＴ的效率一样平常情形下高于ＮＰＴ[25-26]。。。。 。合适等离子体雾化的等离子炬必需知足：有较高的热效率、高稳固性、提供温度尽可能高[24]。。。。 。等离子体雾化法属于一种相对较新且先进的工艺 ，，，，，，，使用金属丝不会遇到低温固体外貌 ，，，，，，，可以调理丝径、进丝速率、气体压力、丝与等离子体出口的角度和距离等因向来改善细颗粒收率[27]。。。。 。PA粉末具有高度球形状 ，，，，，，，卫星粉末比GA粉末少[18]。。。。 。这种工艺制备Ti6Al4V的优势在于细粉收率高于气体雾化工艺[28] ，，，，，，，优于GA粉末的力学性能[29] ，，，，，，，并且很洪流平能够镌汰固体质料污染[30] ，，，，，，，缺陷是初始质料无法转酿成金属丝的形态就不可被等离子体雾化[31]。。。。 。
图 ４ 等离子体炬示意图
1.4 其他要领
制备金属球形粉末是3D打印手艺的基础。。。。 。除了以上3种主流制备高质量粉末的工艺外 ，，，，，，，尚有新的适用于制备钛合金球形粉末的要领。。。。 。例如 ，，，，，，，通过气相反应合成纳米ＴｉＨ2 ，，，，，，，喷雾干燥团圆获得微米级粉末后举行热处置惩罚的制粉工艺 ，，，，，，，能够获得氧含量小于0.11％ ，，，，，，，颗粒尺寸在50mm以下 ，，，，，，，球形度高和流动性好的钛粉末[32]。。。。 。另外 ，，，，，，，高温重熔球化工艺[33]使用金属颗粒在高温区疏散和下降时 ，，，，，，，受到外貌张力的诱导 ，，，，，，，颗粒熔化 ，，，，，，，形成液滴连忙酿成球体。。。。 。该手艺在降低本钱的同时 ，，，，，，，能制备出高质量、低缺陷的球形金属钛粉末。。。。 。
2、差别工艺制作的钛合金粉末较量
在3D打印领域中 ，，，，，，，金属粉末的特征包括形态（不规则、块状或球形）、粉末巨细、物理性能（如硬度和延展性）、化学性能（如反应性和杂质）、本体性能（如流动性能、表观密度、丝光密度和压缩性）等。。。。 。在生物医用领域 ，，，，，，，钛合金粉末的制备需要思量多方面的因素[34]。。。。 。选择合适的工艺途径可以增添粉末的可靠性以及提高粉末质量。。。。 。钛合金粉末在差别制备工艺状态下 ，，，，，，，获得的粉末特点及成型件的性能如表1所示。。。。 。
气体雾化法本钱低、适用规模广、生产效率高 ，，，，，，，可是粉末的孔隙率大 ，，，，，，，氧和氮含量多 ，，，，，，，打印体性能不稳固。。。。 。GA粉末比PREP和PA粉末爆发更多的卫星粉末 ，，，，，，，球形度也低于PREP和PA粉末 ，，，，，，，如图5所示。。。。 。等离子体雾化法只管能够生产优异流动性、低孔隙率的高球形粉末 ，，，，，，，但成内情对腾贵。。。。 。与气体雾化法相比 ，，，，，，，等离子旋转电极法制备出的钛合金粉末具有更高的球形度、更好的流动性和更窄的粒径漫衍 ，，，，，，，空心粉体数目少 ，，，，，，，且本钱低于等离子体雾化法[35-40] ，，，，，，，具有较好的应用优势。。。。 。接纳超高速等离子体旋转电极工艺（ＳＳ-PREP）制备Ti6Al4V球形粉末[42] ，，，，，，，零件的综协力学性能显著高于古板PREP粉末[45]、PA粉末[43]及GA粉末[37]。。。。 。
图 ５ 差别工艺制备粉末质量比照 ［３５］
3、结 语
3D打印医用钛合金在其他制造手艺无法实现定制化制备骨科和牙科莳植体方面施展了主要作用。。。。 。本文综合了较量3种工艺（气体雾化法、等离子旋转电极法、等离子体雾化法）制备出的钛合金粉末及其打印体性能：气体雾化法制备出的钛合金粉末各方面劣于其他两种工艺 ，，，，，，，最大优势在于工艺本钱低、能够实现量产；；；；；；等离子体雾化法可以使钛合金粉末具有较高的球形形状和相对平滑的外貌结构 ，，，，，，，但本钱较高 ，，，，，，，等离子旋转电极法能制备出球形度及流动性更好的粉末且本钱适中具有较好的应用优势 ，，，，，，，只管钛合金3D打印手艺在生物医用领域已经取得重大希望 ，，，，，，，但制粉手艺尚处于起源阶段。。。。 。为了能够打印出高质量的钛合金莳植体 ，，，，，，，还需要进一步开发新型的制粉手艺 ，，，，，，，以期实现延伸钛合金莳植体使用寿命的目的。。。。 。
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[31]ＣＡＮＡＫＣＩＡ ，，，，，，，ＶＡＲＯＬＴ．Ａｎｏｖｅｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｐｏｗｄｅｒｓｗｉｔｈｏｕｔｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ[Ｊ]．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｌｅａｎｅｒＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ，，，，，，，2015 ，，，，，，，99（1）：312-319．
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[33]ＢＡＯＱ ，，，，，，，ＹＡＮＧＹ ，，，，，，，ＷＥＮＸ ，，，，，，，ｅｔａｌ．ＴｈｅPREPａｒａｔｉｏｎｏｆｓｐｈｅｒｉｃａｌｍｅｔａｌｐｏｗｄｅｒｓｕｓｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｍｅｌｔｉｎｇｓｐｈｅｒｏｉｄｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ[Ｊ]．ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ ，，，，，，，2021 ，，，，，，，199（1）：1093-1102．
[34]ＸＩＡＹ ，，，，，，，ＺＨＡＯＪ ，，，，，，，ＴＩＡＮＱ ，，，，，，，ｅｔａｌ．Ｒｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｏｘｙｇｅｎｏｎｔｉｔａｎｉｕｍａｎｄｄｅｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｒｅｃｙｃｌｉｎｇｏｆｔｉｔａｎｉｕｍｍｅｔａｌ[Ｊ]．ＪＯＭ ，，，，，，，2019 ，，，，，，，71（9）：3209-3220．
[35]ＣＨＥＮＧ ，，，，，，，ＺＨＡＯＳＹ ，，，，，，，ＴＡＮＰ ，，，，，，，ｅｔａｌ．ＡｃｏｍPAｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｏｆＴｉ6Ａ14ＶｐｏｗｄｅｒｓｆｏｒａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｂｙGAｓａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ ，，，，，，，ｐｌａｓ?ｍａｒｏｔａｔｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｐｌａｓｍａａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ[Ｊ]．ＰｏｗｄｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ，，，，，，，2018 ，，，，，，，333（1）：38-46．
[36]ＳＫＡＬＯＮＭ ，，，，，，，ＭＥＩＥＲＢ ，，，，，，，ＬＥＩＴＮＥＲＴ ，，，，，，，ｅｔａｌ．ＲｅｕｓｅｏｆＴｉ6Ａ14ＶｐｏｗｄｅｒａｎｄｉｔｓｉｍPAｃｔｏｎｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎ ，，，，，，，ｍｅｌｔｐｏｏｌｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｄｄｉｔｉｖｅｌｙｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ[Ｊ]．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ，，，，，，，2021 ，，，，，，，14（5）：1251．
[37]ＳＣＨＵＲＲ ，，，，，，，ＧＨＯＤＳＳ ，，，，，，，ＳＣＨＵＬＴＺＥ ，，，，，，，ｅｔａｌ．ＡｆｒａｃｔｏｇｒａｐｈｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｄｄｉｔｉｖｅｌｙｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄＴｉ6Ａ14Ｖｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｍｅｌｔｉｎｇ：ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐｏｗｄｅｒｒｅｕｓｅ[Ｊ]．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ，，，，，，，2020 ，，，，，，，20（3）：794-803．
[38]GAＲＢＯＣＺＩＥＪ ，，，，，，，ＨＲＡＢＥＮ．PAｒｔｉｃｌｅｓｈａｐｅａｎｄｓｉｚｅａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｍｅｔａｌｐｏｗｄｅｒｓｕｓｅｄｆｏｒａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｔｗｏGAｓ-ａｔｏｍｉｚｅｄａｎｄｐｌａｓｍａ-ａｔｏｍｉｚｅｄＴｉ64ｐｏｗｄｅｒｓ[Ｊ]．ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ，，，，，，，2020 ，，，，，，，31（1）：100-105．
[39]ＮＩＥＹ ，，，，，，，ＴＡＮＧＪＪ ，，，，，，，ＹＥＪＷ ，，，，，，，ｅｔａｌ．PAｒｔｉｃｌｅｄｅｆｅｃｔｓａｎｄｒｅｌａｔｅｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｐｏｗｄｅｒｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｐｌａｓｍａｒｏｔａｔｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｒｏｃｅｓｓ[Ｊ]．ＡｄｖａｎｃｅｄＰｏｗｄｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ，，，，，，，2020 ，，，，，，，31（7）：2912-2920．
[40]ＴＡＮＧＪ ，，，，，，，ＮＩＥＹ ，，，，，，，ＬＥＩＱ ，，，，，，，ｅｔａｌ．ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＴｉ6Ａ14Ｖｐｏｗｄｅｒｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｐｌａｓｍａｒｏｔａｔｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｒｏｃｅｓｓ[Ｊ]．ＡｄｖａｎｃｅｄＰｏｗｄｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ，，，，，，，2019 ，，，，，，，30（10）：2330-2337．
[41]ＣＵＩＹ ，，，，，，，ＺＨＡＯＹ ，，，，，，，ＮＵＭＡＴＡＨ ，，，，，，，ｅｔａｌ．ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｐｒｏｃｅｓｓPAｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｃｏｏｌｉｎｇGAｓｏｎｐｏｗｄｅｒｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｌａｓｍａｒｏｔａｔｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｒｏｃｅｓｓ[Ｊ]．ＰｏｗｄｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ，，，，，，，2021 ，，，，，，，393（1）：301-311．
[42]ＬＩＵＹ ，，，，，，，ＺＨＡＯＸＨ ，，，，，，，ＬＡＩＹＪ ，，，，，，，ｅｔａｌ．ＡｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇｏｆTi6Al4Vｐｏｗｄｅｒｓｂｙｓｕｐｒｅｍｅ-ｓｐｅｅｄｐｌａｓ?ｍａｒｏｔａｔｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｒｏｃｅｓｓ[Ｊ]．ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ ，，，，，，，2020 ，，，，，，，30（1）：94-99．
[43]ＨＡＲＫＩＮＲ ，，，，，，，ＷＵＨ ，，，，，，，ＮＩＫＡＭＳ ，，，，，，，ｅｔａｌ．Ｐｏｗｄｅｒｒｅｕｓｅｉｎｌａｓｅｒ-ｂａｓｅｄｐｏｗｄｅｒｂｅｄｆｕｓｉｏｎｏｆTi6Al4V：ｃｈａｎｇｅｓｉｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｄｕｒｉｎGAｐｏｗｄｅｒｔｏｐ-ｕｐｒｅｇｉｍｅ[Ｊ]．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ，，，，，，，2022 ，，，，，，，15（6）：2238．
[44]ＷＥＩＣ ，，，，，，，ＭＡＸ ，，，，，，，ＹＡＮＧＸ ，，，，，，，ｅｔａｌ．ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｙｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆTi6Al4Vｐｏｗｄｅｒｓｗｉｔｈｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｕｓａｇｅｉｎａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｍｅｌｔｉｎｇ[Ｊ]．ＭａｔｅｒｉａｌｓＬｅｔｔｅｒｓ ，，，，，，，2018 ，，，，，，，221（1）：111-114．
[45]ＳＴＥＲＬＩＮGAＪ ，，，，，，，ＴＯＲＲＩＥＳＢ ，，，，，，，ＳＨＡＭＳＡＥＩＮ ，，，，，，，ｅｔａｌ．ＦａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｄｉｒｅｃｔｌａｓｅｒｄｅｐｏｓｉｔｅｄＴ6Ａ4Ｖ[Ｊ]．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎGA ，，，，，，，2016 ，，，，，，，655（1）：100-112．
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