總投資55億元的季華實(shí)驗(yàn)室，研制出800mm超大尺寸SLM金屬3D打印設(shè)備

導(dǎo)讀：隨著航空航天等領(lǐng)域?qū)?D打印大尺寸金屬零件的需求，設(shè)備的成型尺寸也在不斷變大，有的3D打印機(jī)已經(jīng)達(dá)到幾米高，操作設(shè)備時(shí)需要先上一個(gè)梯子。南極熊在此前的文章中總結(jié)了 “18款1米級(jí)超大型金屬3D打印機(jī)，最多可配20激光器”。

2022年3月28日，南極熊獲悉，近日，季華實(shí)驗(yàn)室增材制造團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的JHL600超大幅面SLM金屬3D打印設(shè)備，取得階段性進(jìn)展，僅僅經(jīng)過一年多的不斷努力，設(shè)備開發(fā)小組完成了從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光學(xué)設(shè)計(jì)、水電氣設(shè)計(jì)，加工采購，到工控機(jī)及切片軟件的自主開發(fā)、安裝調(diào)試及一系列軟硬件聯(lián)調(diào)工作，突破了多項(xiàng)交叉學(xué)科難題，并已完成發(fā)明專利申請(qǐng)共計(jì)10余件，其中已獲得一件發(fā)明專利授權(quán)及兩件軟著授權(quán)，設(shè)備已具備打印功能。

△JHL600金屬增材制造裝備渲染圖

通過260余張機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙、100余張電氣原理設(shè)計(jì)圖紙、一整套自主開發(fā)PLC控制程序、500余種外購件選型采購記錄、9000余行切片軟件源代碼以及26000余行工控機(jī)軟件源代碼這樣復(fù)雜排列組合，完成了珠三角首臺(tái)超大尺寸金屬3D打印設(shè)備的研制，可實(shí)現(xiàn)最大成形尺寸達(dá)800x600x600mm3，一舉躋身全球大幅面激光選區(qū)熔化設(shè)備行列。

△設(shè)備開發(fā)成員同裝備實(shí)拍合影

該設(shè)備的成功研制將解決航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)大尺寸關(guān)鍵零部件增材制造的“卡脖子”問題，利用雙構(gòu)建倉可快速切換概念、多激光同步掃描、自適應(yīng)雙向鋪粉、永久過濾系統(tǒng)及閉環(huán)粉末循環(huán)系統(tǒng)等高效模塊式設(shè)計(jì)，配合自主開發(fā)的Jiva 3D（季華3D系統(tǒng)）上位機(jī)及掃描路徑規(guī)劃軟件，從而實(shí)現(xiàn)打印效率的提升，同時(shí)提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

△首版工藝測(cè)試樣件實(shí)拍圖

該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了首次近30小時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行，成功完成了第一版316L不銹鋼材料工藝測(cè)試樣件的打印任務(wù)；在設(shè)備成形性能及微觀組織一致性方面均滿足了測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。團(tuán)隊(duì)下一步將繼續(xù)開展設(shè)備微調(diào)、工藝優(yōu)化等一系列研發(fā)工作，完成多材料、大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印工藝的開發(fā)，推進(jìn)超大尺寸3D打印設(shè)備的工業(yè)化。金屬增材制造團(tuán)隊(duì)同時(shí)展開增材制造工藝及產(chǎn)品研發(fā)、金屬粉末霧化工藝及裝備開發(fā)，以科研為基礎(chǔ)，工程化及應(yīng)用化為目標(biāo)，打造覆蓋核心技術(shù)的全流程鏈研發(fā)中心，引領(lǐng)粵港澳大灣區(qū)增材制造技術(shù)的美好愿景。

關(guān)于季華實(shí)驗(yàn)室

季華實(shí)驗(yàn)室（先進(jìn)制造科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室）是廣東省委、省政府啟動(dòng)的首批4家廣東省實(shí)驗(yàn)室之一。全國政協(xié)教科衛(wèi)體委員會(huì)副主任、科技部原副部長(zhǎng)曹健林擔(dān)任首任理事長(zhǎng)和主任。  

季華實(shí)驗(yàn)室選址于佛山市三龍灣科技城核心區(qū)域，位于廣佛交界中心地區(qū)，距廣東省政府13公里，距佛山市政府12公里。整體占地1000畝，其中科研用地240畝，建筑面積30萬平方米，規(guī)劃產(chǎn)業(yè)化基地760畝。首期5年建設(shè)期投入總經(jīng)費(fèi)不低于55億元。先期確定了光學(xué)工程、機(jī)械工程、電子科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、材料科學(xué)與工程及生物醫(yī)學(xué)工程等六個(gè)學(xué)科方向，部署了機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)與裝備、高端醫(yī)療裝備、新型顯示裝備、先進(jìn)遙感裝備、增材制造、新材料新器件研究、微納制造等八個(gè)研究方向。

定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技術(shù)及醫(yī)療應(yīng)用

南極熊注意到，除了SLM 金屬3D打印機(jī)之外，季華實(shí)驗(yàn)室在研的3D打印項(xiàng)目還包括“定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技術(shù)及醫(yī)療應(yīng)用”。

一、項(xiàng)目意義

增材制造（3D打�。┘夹g(shù)在定制化植入物方面優(yōu)勢(shì)巨大，預(yù)計(jì)2024年個(gè)性化植入物的醫(yī)療市場(chǎng)規(guī)模達(dá)96.39億美元。PEEK（聚醚醚酮）材料克服了金屬材料產(chǎn)生應(yīng)力遮擋和輻射偽影等弊端，被認(rèn)為是下一代骨植入物材料。目前將PEEK材料的優(yōu)勢(shì)與3D打印技術(shù)融合，可以改變過去植入材料的不足，實(shí)現(xiàn)定制化PEEK骨植入物的快速制造。但是為了滿足更深層次的臨床應(yīng)用，如骨植入物的仿生功能需求，骨-PEEK-軟組織生物活性強(qiáng)結(jié)合需求和植入物分區(qū)力學(xué)性能、生物功能可控需求等，需要進(jìn)一步發(fā)展現(xiàn)有技術(shù)。因此，本項(xiàng)目提出定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技術(shù)及醫(yī)療應(yīng)用，旨在突破現(xiàn)有均質(zhì)PEEK植入物制造方法，發(fā)展以仿生功能驅(qū)動(dòng)的定制化植入物材料、設(shè)計(jì)制造與評(píng)價(jià)技術(shù)，為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化支撐。

二、研究?jī)?nèi)容

1、面向功能仿生PEEK骨植入物的設(shè)計(jì)研究

根據(jù)植入物的功能需求，研發(fā)集外形結(jié)構(gòu)、材料性能和功能一體化的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并建立個(gè)性化PEEK假體體內(nèi)服役性能的分析和評(píng)價(jià)方法，最終將功能梯度需求轉(zhuǎn)化成為可實(shí)施的工藝過程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模型的生物功能梯度分區(qū)設(shè)計(jì)。

圖1 功能仿生PEEK骨植入物的設(shè)計(jì)技術(shù)

2、多材料控性熔融沉積3D打印設(shè)備研制

進(jìn)行面向功能仿生植入物的多材料控性熔融沉積3D打印設(shè)備的研制，主要功能模塊包括全局成形熱環(huán)境控制系統(tǒng)，熱微環(huán)境控制系統(tǒng)，多材料在線復(fù)合改性擠出的打印頭等，并集成其他輔助系統(tǒng)，形成新型控性熔融沉積3D打印設(shè)備。

圖2 多材料控性熔融沉積3D打印設(shè)備方案

3、局部結(jié)晶調(diào)控與多材料按需分區(qū)可控工藝研究

為制造出仿生力學(xué)性能，建立溫度條件-聚集狀態(tài)（結(jié)晶狀態(tài)）-PEEK材料性能的內(nèi)在關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的分區(qū)調(diào)控，并通過控制骨植入物不同部位的增強(qiáng)相含量與分布不同，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能強(qiáng)化可控。

圖3 局部結(jié)晶調(diào)控與多材料按需分區(qū)可控工藝原理

4、定制化PEEK功能化植入物臨床應(yīng)用研究

開展力學(xué)仿生結(jié)構(gòu)的生物學(xué)問題、骨-PEEK-軟組織結(jié)合的生物學(xué)問題以及分區(qū)梯度功能的生物學(xué)問題的研究，結(jié)合PEEK功能化骨植入物動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人體臨床試驗(yàn)，建立定制化PEEK功能化植入物臨床應(yīng)用示范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

三、應(yīng)用前景

目前已經(jīng)與三十多家臨床單位緊密合作，實(shí)現(xiàn)3D打印定制化PEEK骨植入物臨床應(yīng)用數(shù)百例，應(yīng)用范圍涵蓋神經(jīng)外科、頜面外科、口腔科、胸外科、骨科等科室，占國際范圍見諸公開報(bào)道案例的98%以上，包括多項(xiàng)世界首例臨床應(yīng)用，并受邀發(fā)表《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》封面文章，受央視CCTV9《超級(jí)裝備》的專題報(bào)道。本項(xiàng)目目前已經(jīng)在持續(xù)牽引定制化醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展，在不久的未來將促進(jìn)形成一批受國家監(jiān)管部門準(zhǔn)入的3D打印定制化PEEK骨植入物醫(yī)療器械，提升骨缺損患者的修復(fù)效果和恢復(fù)狀態(tài)，進(jìn)一步促動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖4 3D打印定制化PEEK骨植入物臨床應(yīng)用

來源：季華實(shí)驗(yàn)室