年產(chǎn)1.2萬(wàn)個(gè)陶瓷3D打印零件，Steinbach AG為達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的批產(chǎn)案例

導(dǎo)讀：Steinbach AG是使用增材制造技術(shù)批量生產(chǎn)高性能工業(yè)陶瓷零件的先驅(qū)之一，其開(kāi)發(fā)的一款具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷管路零件，被成功的應(yīng)用于達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人中。僅此單一應(yīng)用，Steinbach已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)12,000個(gè)零件的生產(chǎn)規(guī)模，并逐步確立了自己在陶瓷增材制造領(lǐng)域的先進(jìn)打印服務(wù)商地位。

2017年夏天，德國(guó)Steinbach AG公司收到一家知名手術(shù)產(chǎn)品制造商的請(qǐng)求，希望制造一批陶瓷管，通過(guò)這些陶瓷管輸送玻璃纖維。這些陶瓷管將用于一款全新開(kāi)發(fā)的達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)解決方案的導(dǎo)向元件（其中一種常見(jiàn)款式如圖1所示）。在測(cè)試過(guò)使用奧地利Lithoz公司的CeraFab增材制造設(shè)備打印的第一批原型組件后，客戶(hù)最終選擇了Steinbach來(lái)開(kāi)發(fā)和批量生產(chǎn)這些零件。

圖1 達(dá)芬奇機(jī)器人輔助手術(shù)解決方案的一種常見(jiàn)款式“The Patient Gart”(由Intuitive surgical, inc .提供)

這些復(fù)雜的陶瓷管件只能通過(guò)增材制造來(lái)生產(chǎn)，其他傳統(tǒng)制造工藝都不可能實(shí)現(xiàn)。由于此前從未有過(guò)類(lèi)似復(fù)雜程度的部件，Steinbach使用Lithoz的LCM技術(shù)（光固化陶瓷制造）開(kāi)發(fā)一種全新的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該技術(shù)被定義為增值光聚合(VPP)工藝（ISO/ ASTM 52900指南）。

制造成本和開(kāi)發(fā)周期也設(shè)定了非常具體的目標(biāo)——該產(chǎn)品僅在6個(gè)月內(nèi)就投入量產(chǎn)。雖然開(kāi)發(fā)時(shí)間緊迫，但值得稱(chēng)道的是Steinbach使用了Lithoz陶瓷增材制造技術(shù)，迅速將生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大到工業(yè)化量產(chǎn)的水平。

圖2 Steinbach AG為達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人生產(chǎn)的陶瓷打印管件之一(Steinbach AG/Lithoz GmbH提供)

項(xiàng)目和零件的主要特點(diǎn)

Steinbach的具體目標(biāo)是在保證生產(chǎn)過(guò)程可擴(kuò)展性的前提下，同時(shí)始終保持零件的高質(zhì)量交付，并能夠?qū)崿F(xiàn)既定的成本目標(biāo)。

為了滿(mǎn)足使用要求，該項(xiàng)目的彎管部分必須滿(mǎn)足兩個(gè)給定的參數(shù)。首先，管的直徑是由機(jī)械臂的設(shè)計(jì)決定的，管子必須插進(jìn)去而不能折斷。其次，玻璃纖維的質(zhì)量對(duì)確保機(jī)械臂的功能至關(guān)重要，不能低于給定的臨界值（該臨界值決定了內(nèi)部橫截面）。然而，客戶(hù)最關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)是提供盡可能低的表面粗糙度。這是為了盡量降低玻璃纖維在穿過(guò)管路時(shí)被撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。由于應(yīng)用的特殊要求，聚合物材料不能用于這些組件。

最初，人們嘗試了傳統(tǒng)的制造方法，在機(jī)械彎曲金屬管之前，將玻璃纖維引入金屬管內(nèi)。然而，在這些嘗試中，玻璃纖維在彎曲的機(jī)械應(yīng)力和內(nèi)部通道表面粗糙度的作用下撕裂成碎片。在使用陶瓷增材制造之前，客戶(hù)也曾認(rèn)為金屬已經(jīng)是合適的材料，并且嘗試制造了金屬增材制造原型件，但表面質(zhì)量無(wú)法滿(mǎn)足要求。

在客戶(hù)決定研究并驗(yàn)證陶瓷增材制造后主動(dòng)聯(lián)系了Steinbach。在第一次打樣后，成型的陶瓷打印零件即證明了能夠提供超出客戶(hù)期望的表面質(zhì)量。Steinbach生產(chǎn)的陶瓷打印管件如圖2所示。

Steinbach在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，面臨的主要挑戰(zhàn)是如何滿(mǎn)足批量化生產(chǎn)訂單中的一些具體尺寸要求�？紤]到給定的約束條件(直徑和橫截面)，結(jié)合急彎和復(fù)雜的內(nèi)部輪廓，一種全新的管路被設(shè)計(jì)出來(lái)。這同時(shí)也導(dǎo)致了所需的最小壁厚僅為200μm(圖3)。此外，粗糙度最大為Ra = 0.4的完美光滑表面，外部幾何形狀±20μm的高精度公差，以及每年生產(chǎn)12,000個(gè)零件的需求，這意味著只有發(fā)揮Lithoz陶瓷增材制造技術(shù)的全部創(chuàng)新潛力才能滿(mǎn)足該項(xiàng)目的這些所有要求。

為了滿(mǎn)足客戶(hù)的成本預(yù)期，Steinbach將第一批零件所獲得的優(yōu)異材料性能轉(zhuǎn)化為大規(guī)模的批量生產(chǎn)能力。具體實(shí)施分三個(gè)階段進(jìn)行，每個(gè)階段都有各自的挑戰(zhàn)。本文將關(guān)注討論項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn):生產(chǎn)力、過(guò)程穩(wěn)定性、質(zhì)量保證和經(jīng)濟(jì)效率。

圖3 每個(gè)陶瓷增材制造管件的最小壁厚必須達(dá)到200微米(Steinbach AG/Lithoz GmbH提供)

階段1:使用LCM技術(shù)為組件找到合適的設(shè)計(jì)

Steinbach使用增材制造設(shè)計(jì)(DFAM)方法來(lái)生產(chǎn)復(fù)雜的幾何形狀，與客戶(hù)密切合作，以確保在數(shù)千個(gè)組件的批量生產(chǎn)過(guò)程中管件的全部功能得以保障。對(duì)于客戶(hù)來(lái)說(shuō)，零件滿(mǎn)足盡可能多的要求以確保完美的功能和精度是至關(guān)重要的。

本研究階段有三個(gè)主要特點(diǎn):

●確保最小壁厚為200μm
●批量生產(chǎn)的排膠和燒結(jié)工藝優(yōu)化
●能夠建立并保持100%的質(zhì)量控制

與客戶(hù)就流程達(dá)成一致之后，項(xiàng)目就進(jìn)入概念驗(yàn)證階段。在這一環(huán)節(jié)，應(yīng)用驗(yàn)證需要兩種不同長(zhǎng)度的管件。

LCM的技術(shù)特點(diǎn)決定了幾乎不需要調(diào)整原來(lái)的零件設(shè)計(jì)。因此，Steinbach只需要專(zhuān)注于優(yōu)化高效批量生產(chǎn)的工作流程，而不是增材制造工藝本身。

原則上，彎曲組件本身的設(shè)計(jì)在這個(gè)階段對(duì)LCM技術(shù)來(lái)說(shuō)只是一個(gè)小挑戰(zhàn)，并且相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。無(wú)論是該設(shè)計(jì)的彎曲部分、通道以及角度都無(wú)需為打印過(guò)程進(jìn)行額外調(diào)整。在此類(lèi)項(xiàng)目中，一個(gè)常見(jiàn)的難點(diǎn)是如何非常小心地處理如此精細(xì)和超薄的陶瓷部件，但是得益于增材制造的快速定制化生產(chǎn)特性，這一挑戰(zhàn)可以通過(guò)一些微小的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更改來(lái)克服。

圖4  Lithoz陶瓷打印設(shè)備的打印平臺(tái)視圖(Steinbach AG/Lithoz GmbH提供)

Steinbach遇到的最大挑戰(zhàn)是，必須在彎管內(nèi)填充精確數(shù)量的玻璃纖維，且玻纖材料或陶瓷管本身不能有任何破損——也就是說(shuō)，客戶(hù)需要將整個(gè)彎管安裝到已經(jīng)定型的手術(shù)機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)給定的尺寸中，并保證其橫截面與玻璃纖維的質(zhì)量完全匹配。經(jīng)過(guò)大量研究測(cè)試，最終確定了最小橫截面，從而得出了0.2 mm壁厚的設(shè)計(jì)要求。這些參數(shù)限制將產(chǎn)品設(shè)計(jì)重點(diǎn)集中在管壁的優(yōu)化上，即找到一種方法來(lái)減少管壁的厚度且不破壞管壁，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程。因此，壁厚是該應(yīng)用最大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，也最終成為其概念驗(yàn)證階段的重點(diǎn)。

盡管Steinbach已經(jīng)在增材制造陶瓷部件的熱處理方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但在保障經(jīng)濟(jì)性的前提下，要擴(kuò)大產(chǎn)量，就必須對(duì)整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行大幅度的改良。例如，彎管的精確平衡位置和數(shù)量必須得以保證，以確保零件的最低廢品率，因?yàn)槿绻�它們�(cè)谛螤罨蜷L(zhǎng)度上出現(xiàn)即使最輕微的偏差，就無(wú)法投入使用。圖4、圖5為打印平臺(tái)上按照批次生產(chǎn)的陶瓷零件。

Steinbach利用優(yōu)化的加熱工藝和曲線(xiàn)進(jìn)行了多次測(cè)試后，最終找到了最佳的熱處理方式。在嘗試過(guò)將陶瓷彎管進(jìn)行直立或水平的不同放置方式后，最優(yōu)的放置方式為：將較短的零件進(jìn)行“俯臥”放置，而較長(zhǎng)的零件進(jìn)行“仰臥”放置。最優(yōu)的燒結(jié)批次為每8版打印后進(jìn)行一次燒結(jié)。

圖5整版待處理的打印完成零件(Steinbach AG/Lithoz GmbH提供)

即使是概念驗(yàn)證階段的原型件，也總是會(huì)保證在接近量產(chǎn)條件下對(duì)其各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試，以確保零件的質(zhì)量從第一次迭代開(kāi)始就為后期批量生產(chǎn)模式做好準(zhǔn)備。在生產(chǎn)過(guò)程中必須保證極小的公差，以保持零件尺寸盡可能完全一致。

Steinbach同樣密切關(guān)注質(zhì)量管理并嚴(yán)格遵循相關(guān)要求。他們建立了一個(gè)三步質(zhì)量檢查流程，應(yīng)用于每一個(gè)生產(chǎn)的陶瓷彎管:

●顯微鏡檢查零件表面缺陷
●游標(biāo)卡尺測(cè)量準(zhǔn)確的長(zhǎng)度
●由客戶(hù)提供的定制儀器檢查形變

在原型概念驗(yàn)證階段，Steinbach對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行了多次更改，得益于增材制造的數(shù)字化生產(chǎn)流程，這些設(shè)計(jì)更改可以輕松快速的實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證。在每次收到原型產(chǎn)品后，客戶(hù)也能夠給出準(zhǔn)確的反饋。每一次驗(yàn)證打印生產(chǎn)的原型件包含6根彎管，所有彎管都必須承受7周的使用周期。因此，整個(gè)迭代的測(cè)試周期相對(duì)較長(zhǎng)，完成后才能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)調(diào)整，以及制造更新后的新版原型零件。

第一階段的迭代優(yōu)化進(jìn)行了大約一年時(shí)間，并最終在客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了最終原型的驗(yàn)證通過(guò)，認(rèn)可該增材制造零件的幾何形狀設(shè)計(jì)方案。

階段2:工業(yè)化批量生產(chǎn)

隨后，Steinbach的陶瓷增材制造團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于優(yōu)化工藝細(xì)節(jié)，以確保批量生產(chǎn)中零件性能的可重復(fù)性，并且不會(huì)出現(xiàn)任何質(zhì)量問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須充分探索和發(fā)揮LCM技術(shù)的巨大潛力。這一階段主要關(guān)注兩個(gè)特點(diǎn):

●設(shè)置適合的打印底板涂料以便于從打印平臺(tái)上移除零件
●優(yōu)化后處理清潔過(guò)程

軟件功能部分的優(yōu)化是在與Lithoz密切合作下進(jìn)行的。優(yōu)化后的軟件功能提供的高精度和穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)能力也顯著減少了次品數(shù)量，從而節(jié)省了大量材料，時(shí)間和成本。

圖6 Steinbach陶瓷增材制造團(tuán)隊(duì)，公司運(yùn)營(yíng)著4臺(tái)Lithoz 陶瓷打印設(shè)備(Steinbach AG/Lithoz GmbH提供)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，Steinbach需要找到一種更高效、更安全地從打印平臺(tái)上移除打印零件的方式。在試用了Lithoz提供的兩種標(biāo)準(zhǔn)底板涂料后，一種新的特定的兩種混合涂料被開(kāi)發(fā)出來(lái)，該成分在滿(mǎn)足產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)格要求的前提下，能夠大幅改良零件后處理效率。除此之外，還進(jìn)行了系統(tǒng)性探索以尋求制造過(guò)程中的最優(yōu)設(shè)置條件 (例如，后處理時(shí)間被適當(dāng)延長(zhǎng)，以確保最終零件在每次熱處理后都不發(fā)生任何變形)。

與其他工序一樣，陶瓷彎管的清洗也必須滿(mǎn)足該項(xiàng)目整體的成本控制水平。從最初只能用鑷子純手工處理清洗過(guò)程開(kāi)始嘗試，逐步測(cè)試了各種清洗劑。Steinbach很快開(kāi)始嘗試使用超聲波清洗零件，并對(duì)超聲水浴的溫度和處理時(shí)間進(jìn)行了調(diào)整，以獲得最佳的擬合參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了更經(jīng)濟(jì)有效的清洗工藝。

在第二階段尾聲，整個(gè)過(guò)程能夠得到精確的管理和控制——不論是陶瓷漿料還是料盤(pán)批次管理，從增材制造設(shè)計(jì)，到環(huán)境濕度和溫度水平，再到后道熱處理工藝�；�于使用Lithoz CeraFab的軟件系統(tǒng)，每個(gè)生產(chǎn)步驟的工藝參數(shù)都能夠被詳細(xì)記錄下來(lái)，在整個(gè)過(guò)程優(yōu)化中獲得的數(shù)據(jù)也可以作為未來(lái)改進(jìn)和質(zhì)量保證的分析基礎(chǔ)，以及在后續(xù)項(xiàng)目中作為合理決策的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。整個(gè)體系建立起來(lái)之后，此類(lèi)文件會(huì)被歸檔為Steinbach的制造服務(wù)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。

最終，第二階段的工藝優(yōu)化使制造成本又降低了40%。在這一階段達(dá)到了最高的效率和優(yōu)化水平后，客戶(hù)被帶到Steinbach工廠體驗(yàn)了為期兩天的生產(chǎn)全流程，零件產(chǎn)品在這兩天內(nèi)進(jìn)行完整流程的打印制造和后道處理。在這次成功通過(guò)客戶(hù)認(rèn)證的生產(chǎn)流程之后，客戶(hù)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的最終產(chǎn)品質(zhì)量和價(jià)格都表示滿(mǎn)意，這也標(biāo)志著第二階段的圓滿(mǎn)完成。

階段3:連續(xù)生產(chǎn)的持續(xù)優(yōu)化

在接到訂單六個(gè)月后，Steinbach按時(shí)交付了第一批批量生產(chǎn)的零件。一旦該工藝被設(shè)置為批量生產(chǎn)模式，根據(jù)客戶(hù)對(duì)手術(shù)機(jī)器人的需求，生產(chǎn)批次的數(shù)量就會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，而不是分批次增量。到2019年7月，隨著銷(xiāo)售數(shù)字的增長(zhǎng)，達(dá)到了每年12,000件的產(chǎn)量水平。

從第一次批量生產(chǎn)運(yùn)行到實(shí)現(xiàn)完整產(chǎn)能，通過(guò)進(jìn)一步逐步優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)一步減少?gòu)U品率，Steinbach實(shí)現(xiàn)了將單件制造成本再降低40%，在滿(mǎn)足技術(shù)要求的框架范圍內(nèi)進(jìn)一步提升了產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比。

在批量生產(chǎn)過(guò)程中，Steinbach堅(jiān)持嚴(yán)格的100%測(cè)試政策，從原型到批量生產(chǎn)，對(duì)每一根陶瓷彎管都進(jìn)行了完整的測(cè)試，以確保完美的質(zhì)量交付，包括前文提到的特定長(zhǎng)度的各項(xiàng)檢測(cè)以識(shí)別潛在形變。每次新的設(shè)計(jì)調(diào)整都會(huì)經(jīng)過(guò)客戶(hù)對(duì)最終樣品實(shí)物的認(rèn)可，任何后續(xù)的反饋都會(huì)由Steinbach陶瓷增材制造團(tuán)隊(duì)及時(shí)解決。

為了完整交付整個(gè)產(chǎn)品流程，Steinbach甚至在內(nèi)部開(kāi)發(fā)了自己的包裝解決方案，以統(tǒng)籌處理這些高度敏感部件的物流問(wèn)題。專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的載具能夠確保包裝步驟簡(jiǎn)易快速，并確保運(yùn)輸安全。

項(xiàng)目圓滿(mǎn)完成

通過(guò)建立以利潤(rùn)為導(dǎo)向的陶瓷增材制造部件生產(chǎn)，Steinbach邁出了從理論到商業(yè)實(shí)踐的決定性一步。由于其對(duì)整個(gè)制造工藝的持續(xù)優(yōu)化-從概念驗(yàn)證的原型制造到LCM技術(shù)對(duì)工業(yè)化量產(chǎn)的適配調(diào)整，再到對(duì)批量生產(chǎn)中參數(shù)的持續(xù)改進(jìn)——Steinbach不僅開(kāi)創(chuàng)性地探索了增材制造高性能陶瓷部件的批量生產(chǎn)模式，而且成功地實(shí)現(xiàn)了整個(gè)價(jià)值鏈的預(yù)期投資回報(bào)率(ROI)。

由于該項(xiàng)目的成功完成所涉及的密集研究和開(kāi)發(fā)，Steinbach的這個(gè)項(xiàng)目可以作為高性能陶瓷增材制造工業(yè)應(yīng)用的絕佳商業(yè)化案例之一。在這個(gè)項(xiàng)目之后，Steinbach又獲得了幾個(gè)新客戶(hù)的訂單，除了一些小規(guī)模的試生產(chǎn)之外，這些訂單的零件數(shù)量都在每年10,000- 15,000個(gè)范圍。

在該項(xiàng)目過(guò)程中，Steinbach陶瓷增材制造團(tuán)隊(duì)在生產(chǎn)過(guò)程中也獲得了完備的能力——從零件設(shè)計(jì)到后處理再到成品燒結(jié)部件的運(yùn)輸規(guī)劃。后來(lái)的客戶(hù)同樣從Steinbach的豐富項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)以及質(zhì)量管理和性能交付水平中獲益良多。后續(xù)各類(lèi)批量生產(chǎn)的陶瓷增材制造部件如圖7所示。

圖7本文提到的陶瓷彎管，連同其他陶瓷打印零件，均由Steinbach(由Steinbach AG提供)進(jìn)行批量化增材制造而成

這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的探索非常成功，它不僅僅幫助實(shí)現(xiàn)了外科手術(shù)中的一項(xiàng)技術(shù)升級(jí)，更有助于在整個(gè)陶瓷增材制造工藝鏈上建立一個(gè)重要的陶瓷增材制造知識(shí)庫(kù)。Steinbach每年生產(chǎn)12,000個(gè)零件的成就同時(shí)也證明了Lithoz CeraFab陶瓷打印設(shè)備的優(yōu)異性能，目前同類(lèi)設(shè)備也被全球眾多客戶(hù)用于批量生產(chǎn)不同應(yīng)用產(chǎn)品。