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金属3D打印技术及设备在医疗器械中的应用

近年来,制造业发展迅速,缩短产品研发及制造周期、提高市场竞争力越来越得到医疗器械生产厂家的高度重视。3D打印作为缩短产品研发周期的重要加工方式开始受到医疗器械厂商青睐。美国、德国等发达国家高度重视3D打印技术并把此技术作为战略性新兴产业积极推广。不少专家认为,以数字化、个性化、定制化为特点的3D打印技术为代表的新制造技术将推动第三次工业革命。传统的加工工艺采用“减材制造”,而3D打印则采用“增材堆积”的措施实现零件生成。即根据最终尺寸要求在一块基板上进行材料的堆积,堆积成型的零件直接使用,或者成型零件的表面进行微量加工,提高表面光洁度后即可使用。金属零件3D 打印技术作为整个3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术,是先进制造技术的重要发展方向。

金属3D打印技术简介

3D打印技术,就是在计算机中将3D CAD模型分成若干层,通过3D打印设备在一个平面上按照3D CAD层图形,将塑料、金属甚至生物组织活性细胞等材料烧结或者黏合在一起,然后再一层一层地叠加起来。通过每一层不同的图形的累积,最后形成一个三维物体金属零件。金属3D打印技术打印的主要材料是金属材料,打印材料主要包括不锈钢、钛、钴铬合金及工具钢等。

图1 金属3D打印的钛合金肩胛骨

金属3D打印厂商和设备

目前,金属3D打印实现方式主要有两种:分别是烧结式和熔覆式。采用激光烧结成型工艺的3D打印典型的国外公司包括德国的EOS、concept、SLM等公司,英国的雷尼绍公司,日本matsuura公司;中国的华中科技大学滨湖机电公司、华南理工大学。采用电子束烧结成型工艺的瑞典的ARCAM公司,中国的北京航空制造研究所(625所),这类产品主要优点是成型的精度较高,缺点是成型速度低,成型尺寸限制在300mm左右,主要应用于医疗和小型模具制造

采用激光熔覆成型工艺的3D打印典型企业包括美国POM公司和OPTOMEC公司,中国的北京航空航天大学天地激光公司、西北工业大学西安铂利特公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司,电子束熔覆成型工艺3D打印典型企业包括美国的Sciaky公司、中国的北京航空制造研究所(625所)。这类产品的主要优点是冶金质量好、成型速度快、成型尺寸大,但精度较低,需后续机加工,典型应用是航空高强度结构件、叶片制造、各种金属模具的直接成型。

金属3D打印优缺点

金属3D打印作为一种崭新的制造技术,有着传统制造业所无法比拟的优势。其优势主要体现在以下几个方面:制造复杂物品不增加成本。对于传统工艺而言,物体形状越复杂,制造成本越高,而3D打印则不存在这个问题;材料总体利用率高,基本上没有废料;无需开模,制造工序少,周期短;可制造复杂结构的零件,如内部随形流道。

但是在大规模生产上,3D打印目前仍无法获得规模经济,在成本上和效率上不具优势。因此,3D打印主要被应用于个性化、小批量和高精度的产品制造上。

在医疗器械行业的应用案例

金属零件的3D打印主要应用领域是航空、航天、军工、模具制造及医疗领域。这些领域共同特点就是个性化、小批量的快速制造。相对来说,医疗行业3D打印的应用发展速度较快,主要原因是医疗领域充分利用了3D打印个性化制造的特点,对3D打印产品的机械强度和效率等要求不是特别高。下面以牙科和骨科为例等介绍其在行业的发展。

骨科

3D打印的钛合金“骨骼”有两大优势。一是想做什么形状的“骨骼”都可以,根据每一个需要的形状不同,个性打印。二是该类植入物带有可供骨头长入的孔隙,相邻骨头在生长的过程中会进入孔隙,使真骨与假骨之间结成一体。金属3D打印工艺可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎致密金属零件,因此被广泛地应用到医疗上,用以成型具有复杂结构且与生物体具有良好相容性的植入体。包括个性化骨科手术模板、个性化股骨植入体,人工髋关节的臼杯、颈椎椎间融合器和颈椎人工椎体。

骨科植入物究竟是怎样“打印”出来的呢?第一步把采集到的骨头大小、形状等数据通过3D技术打印出完全吻合的模型。第二步根据模型设计出手术方案,在模型上标注手术的螺钉孔,实现手术精准化。最后为病人进行手术,将钛合金植入物植入患者体内。

深圳市第二人民医院利用3D打印技术制备出与患者肩胛骨完全匹配的钛合金假体,打造了一个新的“铁肩”。北京大学第三医院骨科主任刘忠军教授为近40位患者植入了3D打印出来的钛合金“骨骼”。

图2 金属3D打印牙齿

牙科

牙科,制作牙床、贴面、假牙和植入物之类的都属于定制工作。因为没有两个人的口腔是相同的。通过金属3D打印,医生将可以个性化地订制适合每个患者的牙齿,牙冠等。比如牙科医生要为患者安装一颗假牙,那么只需要通过扫描获得患者所需牙齿的数据,就可以直接通过金属3D打印设备打印出相匹配的假牙,省去了很多中间环节,这样打印出的产品会非常精确。因为钛具有良好的生物相容性,所以钛现在已经成为医疗上常用的人体骨骼替代材料。例如用作假牙等,其制作方法也与骨科植入物一致。

金属3D打印技术具有个性化,效率高等特点,在医疗行业也开始得到应用,例如骨科、牙科。随着金属3D技术的不断发展,相信更多的医疗产品采用这种新的制造工艺。这种新的制造技术也一定加快医疗器械产品的研发和制造,降低产品研发创新成本,并缩短研发周期,从而推动医疗器械整体发展。

 


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