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作者：Wall, A. and Heffron, P.

鍛造的過程需將特定高溫的金屬以模具擠壓成型，能比其他方法產(chǎn)生較高的金屬強(qiáng)度，與鑄造(casting)需將金屬熔化注入模具中的過程迥異。鍛造產(chǎn)品化的過程需不斷的測試與檢驗(yàn)以求得最佳化的輸出。就其技術(shù)而言，設(shè)計(jì)及發(fā)展精準(zhǔn)的模具有助於植入物的成型。一般來說，鍛造品的強(qiáng)度高過鑄造品。不銹鋼首先於1900年中期被成功的鍛造成植入物。由於不銹鋼具有不錯(cuò)的強(qiáng)度與生物相容性，很早就被視為是成功的植入物材質(zhì)。於1970至1980年代，鈦金屬由於優(yōu)良的生物相容性被開始使用，從較粗大的型體（公差±0.020寸）到較精細(xì)的股骨球頭、股骨柄錐型物（公差±0.005寸）都有。如同不銹鋼的鍛造，早期鈦金屬鍛造需依賴大量的次加工，包括銑床、車床、手加工磨光等，才能達(dá)到最終所要的產(chǎn)物。到了80年代的中後期，更先進(jìn)的設(shè)備與技術(shù)提升了生產(chǎn)效率，減少許多機(jī)器與手加工的過程。

鍛造程序====================

鍛造主要包括四個(gè)程序，分別是鍛壓(forging press)、鋼模工具制作(Tooling)、壓鑄鍛胚(Forge Blow)、整修(Trimming)，以下介紹鍛造的過程∶

步驟一∶鍛壓

鍛壓能產(chǎn)生兜攏(bring together)的效果，提供鍛件力學(xué)上的強(qiáng)度，通常藉著垂直方向的擠壓。鍛壓的型態(tài)有許多種，針對(duì)植入物可使用其中三種，包括液壓鍛壓(hydraulic presses)、機(jī)械鍛壓(mechanical presses)、螺旋鍛壓(screw presses)，范圍由200至1600公噸，依不同植入物屬性選擇適用的鍛壓模式。

步驟二∶鋼模工具制作

大部分的骨科植入物鍛造品都是由一系列的鋼模沖壓成形，該些鋼模均經(jīng)過後熱處理(after heat treat)使其強(qiáng)度界於50-55 Rockwell。該些鋼模的尺寸由2D及3D的軟體設(shè)計(jì)，且已補(bǔ)償相關(guān)尺寸變因，包括材料的熱脹效應(yīng)、機(jī)械強(qiáng)度、打磨的公差等。一組(set)鋼模包括上下兩部份，分別是3D植入物的一個(gè)半邊，稱作封閉式鋼模鍛造(close die forging)，是現(xiàn)階段骨科植入物的標(biāo)準(zhǔn)鍛造法，而一個(gè)植入物依其原件的精細(xì)度不同，常須2-4組鋼模漸進(jìn)的塑至所需的型體。電腦輔助模擬(Computer Aided Simulation) 能協(xié)助整個(gè)鍛造過程的精準(zhǔn)度，協(xié)助數(shù)據(jù)的整合與驗(yàn)證，并協(xié)助鋼模工具的開發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)還包括可判定當(dāng)鋼模擠壓靠攏時(shí)材料的運(yùn)動(dòng)方向，藉著鋼模的設(shè)計(jì)來排除鍛胚中可能潛伏的應(yīng)力，排除鍛胚內(nèi)的熱效應(yīng)因素。

步驟三∶壓鑄鍛胚

在鋼模工具制作完成後，即可執(zhí)行壓鑄鍛胚。首先一組鋼模就定位，一個(gè)已經(jīng)預(yù)切割與預(yù)熱的鍛胚會(huì)落入鋼模的下半部，隨後上半部的鋼模會(huì)很快的下壓并與下半部的鋼模密合，隨即兩鋼模被分開。若尚有其他組的鋼模，則會(huì)先執(zhí)行清理工作後重復(fù)先前步驟。完成後鍛件型體已經(jīng)成型。

步驟四∶整修

當(dāng)鋼模壓印完成後，被擠出模外的料仍附著在鍛胚上，需再處理。專做整修用的模具可將植入物輪廓外多出的材料清除。

鍛造的優(yōu)勢===================================

較多的骨科植入物選擇鍛造而非其他方式，主要原因是鍛造品具有較高的降伏強(qiáng)度。當(dāng)使用鈦金屬時(shí)，鍛造的費(fèi)用通常會(huì)比鑄造(casting)便宜，典型的非骨水泥式的髖關(guān)節(jié)股骨柄元件或脛骨元件就是使用鍛造鈦。然而當(dāng)使用鈷鉻金屬時(shí)，鍛造的費(fèi)用就會(huì)比鑄造貴，此時(shí)，當(dāng)張應(yīng)力破壞強(qiáng)度不是最主要的考量因素時(shí) （例如人工膝關(guān)節(jié)的股骨元件），可采用鑄造。若強(qiáng)度是首要的考量，則推薦采用鍛造的鈷鉻合金。鍛造過程的熱處理使材料結(jié)晶重排(refine the grain flow orientation)，具預(yù)測某應(yīng)力點(diǎn)強(qiáng)度的特性，而鑄造無法具備此特性。鍛造品具有較小的結(jié)晶，因而強(qiáng)度較強(qiáng)，表面的磨耗也較少，降低疲勞破壞的機(jī)率。此外，鍛造品的尺寸較容易預(yù)測與掌握，尺寸穩(wěn)定性較鑄造為佳。鍛造品致密無孔洞，而鑄造品則較常受污染且有孔洞，造成冶金的失敗，在空氣中澆鑄的過程是造成污染的原因，為了預(yù)防之，可采用氬氣隔離或采用抽真空的方式來減少孔洞。然而，過程中難免仍產(chǎn)生微小的氣泡，這也是為什麼鑄造的植入物需要x-ray或其他非侵入式的篩檢與測試，而鍛造品不需要。