面向髖臼杯量產(chǎn)的激光選擇性燒結(jié)優(yōu)化方案

來(lái)源：3D打印醫(yī)療器械專(zhuān)業(yè)委員會(huì)

髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是當(dāng)前最常見(jiàn)的手術(shù)之一，預(yù)測(cè)在未來(lái)數(shù)十年會(huì)更加普及。為了滿足持續(xù)增 加的需求，人工關(guān)節(jié)制造商持續(xù)精進(jìn)生產(chǎn)工藝，以各種創(chuàng)新技術(shù)生產(chǎn)質(zhì)量更好、價(jià)格更低 廉的髖關(guān)節(jié)。目前，金屬 3D 打印技術(shù)已經(jīng)用于生產(chǎn)許多醫(yī)療植入物及其關(guān)鍵零部件，但 為了實(shí)現(xiàn)最理想的單件生產(chǎn)成本，廠家們需要突破以往僅著眼于增材制造單一環(huán)節(jié)的思維 模式，從更高的視角考慮整體生產(chǎn)流程。

3D 打印技術(shù)能夠生成創(chuàng)新的、具有功能性的幾何結(jié)構(gòu)，因而被大量應(yīng)用于骨科植入物的 生產(chǎn)工作。髖臼杯尤其能展現(xiàn)此技術(shù)的特點(diǎn)，通過(guò)層層堆積的方式搭建起復(fù)雜的內(nèi)部幾何 特征，生成經(jīng)典的“骨小梁結(jié)構(gòu)”，即近似于人體骨骼外觀與生物功能性的多孔表面結(jié) 構(gòu)，為植入物提供了優(yōu)異的骨融合性能。

生產(chǎn)這種復(fù)雜的幾何特征，需要最精準(zhǔn)的增材技術(shù)與最好的粉末床燒結(jié)方案。目前有兩種 技術(shù)表現(xiàn)最為突出 – 電子束熔融(EBM)與激光粉床熔融(LPBF)，兩種方案用于醫(yī)療 零件生產(chǎn)各有其優(yōu)劣之處。

電子束熔融技術(shù)以電子束為能量源，其較大的光斑以及較高的功率能提高生產(chǎn)效率，換言 之降低單件生產(chǎn)成本。同時(shí)電子束熔融技術(shù)支持簡(jiǎn)易的無(wú)支撐設(shè)計(jì)，也進(jìn)一步降低了成 本。反觀激光粉床熔融技術(shù)由于更高的精度，從而為復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)提供更細(xì)致的微觀結(jié) 構(gòu)分辨率、提升彈性，更容易清除粉末，以及更廣泛的材料選擇。

電子束熔融技術(shù)憑借著其更快的搭建速度而成為目前醫(yī)療生產(chǎn)企業(yè)更廣為采用的增材制造 技術(shù)。但通過(guò)自動(dòng)化與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝整合發(fā)展更優(yōu)異的零件生產(chǎn)策略，激光粉床熔融工藝 的競(jìng)爭(zhēng)力將能提升到新的層次。

為了發(fā)展此創(chuàng)新生產(chǎn)策略，GF 加工方案和位于意大利 Monza 的重量級(jí)骨科植入物生產(chǎn) 廠家 – Hofmann Srl 合作，利用自身在硬件、軟件的優(yōu)勢(shì)以及對(duì)于工業(yè)流程的掌握，重新 定義了髖臼杯制造的三個(gè)關(guān)鍵步驟，并且為每一個(gè)步驟制定方案，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的制造工 作流程:

1. 設(shè)計(jì)階段
增材制造技術(shù)層層搭建零件的特性，使得堆疊打印策略在應(yīng)用中尤其實(shí)用，因?yàn)榭梢源蠓?提升曝光與鋪粉時(shí)間比例。換句話說(shuō)，堆疊打印策略最大程度的延長(zhǎng)了“激光有效工作時(shí) 間”，將鋪粉時(shí)間(非有效工作時(shí)間)在零件生產(chǎn)成本占比降到最低。

堆疊策略可確保最佳的曝光與鋪粉時(shí)間比例，最大化“激光有效工作”時(shí)間，從而降低了零件成本

此外，堆疊打印策略極大化單一批次打印的零件數(shù)量(例如 GF 加工方案的 DMP Flex 350 設(shè)備單次生產(chǎn)髖臼杯數(shù)量最高可達(dá) 450 件)，有效降低設(shè)備前置準(zhǔn)備與批次間轉(zhuǎn)換 工作在零件生產(chǎn)成本中占比。此堆疊打印策略擁有優(yōu)化的支撐設(shè)計(jì)，可以為多個(gè)髖臼杯提 供支撐，且使用的材料相較于單層打印并無(wú)顯著增加，有效降低材料使用成本并節(jié)省搭建 時(shí)間。

堆疊打印方案最重要的優(yōu)勢(shì)還在于實(shí)現(xiàn)支撐去除的自動(dòng)化。和 System 3R 夾具系統(tǒng)搭配 使用，每一堆疊分支的后處理流程可以獨(dú)立并自動(dòng)化完成。免去任何手動(dòng)的后加工工序， 自動(dòng)化方案可大幅減少髖臼杯因繁多的后加工而增加的成本;同時(shí)還能有效減少后加工階 段中，零件在不同設(shè)備間切換以及批次間的準(zhǔn)備工作所消耗的時(shí)間，最小化閑置時(shí)間，與 目前 3D 打印髖臼杯單個(gè)進(jìn)行機(jī)加工的后處理方式相比有較大的優(yōu)勢(shì)。

GF 加工方案推出了功能完善的設(shè)計(jì)軟件 – 3DXpert – 來(lái)設(shè)計(jì)此種支撐結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化 的增減材復(fù)合加工流程。3DXpert 提供多種優(yōu)化設(shè)計(jì)，包含晶格快速設(shè)計(jì)與編輯功能，并 可存為自定義模塊方便未來(lái)使用。


2. 增材制造階段
3DXpert 軟件助力廠家設(shè)計(jì)優(yōu)化支撐方案，免除所有的手動(dòng)后加工流程，讓髖臼杯完成打 印后直接進(jìn)入機(jī)加工環(huán)節(jié)。此支撐設(shè)計(jì)在堆疊髖臼杯打印完成后，可完全清除殘留粉末， 并且在機(jī)加工階段實(shí)現(xiàn)單個(gè)零件安全可靠的分離。事實(shí)上，這一獨(dú)特的支撐設(shè)計(jì)方案除了 在打印階段起到支撐作用，也為后續(xù)的車(chē)工提供了重要的夾持功能。

使用 System 3R 夾具系統(tǒng)的自動(dòng)化解決方案，生產(chǎn)廠家再也無(wú)需使用傳統(tǒng)方式來(lái)分離零件和底板。取而代之的是高效、低成本的車(chē)工操作，由 System 3R 夾具組合而成的底板在第一次的車(chē)銑操作中便能有效與零件分離，而分離后的底板也能在簡(jiǎn)易的打磨后重復(fù)使用。

3. 機(jī)加工階段
在生產(chǎn)計(jì)劃階段，廠家們就必須考慮到零件的最終要求。而一個(gè)精密零件的加工通常都需 要不止一種加工工藝，而是通過(guò)一系列優(yōu)化的機(jī)加工工藝來(lái)達(dá)到零件不同的交付特征要 求。舉例來(lái)說(shuō)，增材制造可以實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜的植入物與生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)，但這些零件仍需 要進(jìn)一步的機(jī)加工與后處理。這意味著提供零件后續(xù)加工流程基準(zhǔn)定位的工件夾具，通常 非常復(fù)雜并且造價(jià)高昂。

System 3R 提供多款不同尺寸的基座尺寸，完美地解決上述定位問(wèn)題。廠家可以使用傳統(tǒng)的車(chē)床直接將基座與髖臼杯分離，分離后的底板可在堆疊分支后處理的同時(shí)繼續(xù)下一次打印作業(yè)。

使用傳統(tǒng)的車(chē)床和精密夾具來(lái)加工這些髖臼杯的內(nèi)部幾何形狀，以實(shí)現(xiàn)高精度和高質(zhì)量的表面光潔度

基座分離后，為了滿足髖關(guān)節(jié)尺寸與表面粗糙度的要求，每一堆疊分支將針對(duì)不同功能性 表面，對(duì)單一髖臼杯逐次進(jìn)行機(jī)加工。首先是內(nèi)球面的加工，其次是底面和側(cè)面，最后階 段在加工外表面的同時(shí)將髖臼杯從堆疊分支上分離。

最終產(chǎn)品
為了達(dá)成生產(chǎn)流程效益最大化，必須宏觀地建立產(chǎn)品生產(chǎn)工序的全局化思維，并在設(shè)計(jì)階 段聚焦零件生產(chǎn)工藝的可實(shí)現(xiàn)性。舉例來(lái)說(shuō)，此堆疊髖臼杯方案實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)能提升，源于生 產(chǎn)流程每一階段的創(chuàng)新，從設(shè)計(jì)、打印、驗(yàn)證、后處理，再到工序間轉(zhuǎn)換時(shí)在設(shè)置與切換 端顯著優(yōu)化的時(shí)間配置。換言之，除了零件的幾何結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)流程的整合性更是零件生產(chǎn) 成本的決定性因素。GF 加工方案結(jié)合 DMP 金屬打印機(jī)、System 3R 夾具系統(tǒng)，以及 3DXpert 軟件所生成的整合流程，為醫(yī)療器械生產(chǎn)廠家提供了大幅降低單件生產(chǎn)成本的全 新思維模式。

通過(guò)增減材工藝制造出的髖臼杯成品

總結(jié)
隨著醫(yī)療器械制造商嘗試從更宏觀的角度重新審視何謂優(yōu)化的生產(chǎn)流程，他們將會(huì)發(fā)現(xiàn)在 某一生產(chǎn)環(huán)節(jié)追求最快最高效的設(shè)備，并不能為他們帶來(lái)最低的零件生產(chǎn)成本。事實(shí)上， 廠家們需要的是一個(gè)系統(tǒng)來(lái)滿足當(dāng)前市場(chǎng)上對(duì)產(chǎn)品交期與質(zhì)量的高要求，而此系統(tǒng)中的每 一生產(chǎn)環(huán)節(jié)都能夠無(wú)縫對(duì)接。以髖臼杯植入物的生產(chǎn)為例，由具備系統(tǒng)與軟件整合能力的 設(shè)備生產(chǎn)廠家 – GF 加工方案，整合了增材與減材技術(shù)所提供的交鑰匙方案，正是協(xié)助醫(yī) 療器械制造商達(dá)成此目標(biāo)的最佳選擇。