面向髋臼杯量产的激光选择性烧结优化方案

国际金属加工网 2020年08月11日

髋关节置换术是当前最常见的手术之一,预测在未来数十年会更加普及。为了满足持续增 加的需求,人工关节制造商持续精进生产工艺,以各种创新技术生产质量更好、价格更低 廉的髋关节。目前,金属 3D 打印技术已经用于生产许多医疗植入物及其关键零部,但 为了实现最理想的单件生产成本,厂家们需要突破以往仅着眼于增材制造单一环节的思维 模式,从更高的视角考虑整体生产流程。

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3D 打印技术能够生成创新的、具有功能性的几何结构,因而被大量应用于骨科植入物的 生产工作。髋臼杯尤其能展现此技术的特点,通过层层堆积的方式搭建起复杂的内部几何 特征,生成经典的“骨小梁结构”,即近似于人体骨骼外观与生物功能性的多孔表面结 构,为植入物提供了优异的骨融合性能。

生产这种复杂的几何特征,需要最精准的增材技术与最好的粉末床烧结方案。目前有两种 技术表现最为突出 – 电子束熔融(EBM)与激光粉床熔融(LPBF),两种方案用于医疗 零件生产各有其优劣之处。

电子束熔融技术以电子束为能量源,其较大的光斑以及较高的功率能提高生产效率,换言 之降低单件生产成本。同时电子束熔融技术支持简易的无支撑设计,也进一步降低了成 本。反观激光粉床熔融技术由于更高的精度,从而为复杂的晶格结构提供更细致的微观结 构分辨率、提升弹性,更容易清除粉末,以及更广泛的材料选择。

电子束熔融技术凭借着其更快的搭建速度而成为目前医疗生产企业更广为采用的增材制造 技术。但通过自动化与传统生产工艺整合发展更优异的零件生产策略,激光粉床熔融工艺 的竞争力将能提升到新的层次。

为了发展此创新生产策略,GF 加工方案和位于意大利 Monza 的重量级骨科植入物生产 厂家 – Hofmann Srl 合作,利用自身在硬件、软件的优势以及对于工业流程的掌握,重新 定义了髋臼杯制造的三个关键步骤,并且为每一个步骤制定方案,最终实现优化的制造工 作流程:

1. 设计阶段
增材制造技术层层搭建零件的特性,使得堆叠打印策略在应用中尤其实用,因为可以大幅 提升曝光与铺粉时间比例。换句话说,堆叠打印策略最大程度的延长了“激光有效工作时 间”,将铺粉时间(非有效工作时间)在零件生产成本占比降到最低。

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堆叠策略可确保最佳的曝光与铺粉时间比例,最大化“激光有效工作”时间,从而降低了零件成本

此外,堆叠打印策略极大化单一批次打印的零件数量(例如 GF 加工方案的 DMP Flex 350 设备单次生产髋臼杯数量最高可达 450 件),有效降低设备前置准备与批次间转换 工作在零件生产成本中占比。此堆叠打印策略拥有优化的支撑设计,可以为多个髋臼杯提 供支撑,且使用的材料相较于单层打印并无显著增加,有效降低材料使用成本并节省搭建 时间。

堆叠打印方案最重要的优势还在于实现支撑去除的自动化。和 System 3R 夹具系统搭配 使用,每一堆叠分支的后处理流程可以独立并自动化完成。免去任何手动的后加工工序, 自动化方案可大幅减少髋臼杯因繁多的后加工而增加的成本;同时还能有效减少后加工阶 段中,零件在不同设备间切换以及批次间的准备工作所消耗的时间,最小化闲置时间,与 目前 3D 打印髋臼杯单个进行机加工的后处理方式相比有较大的优势。

GF 加工方案推出了功能完善的设计软件 – 3DXpert – 来设计此种支撑结构,以实现优化 的增减材复合加工流程。3DXpert 提供多种优化设计,包含晶格快速设计与编辑功能,并 可存为自定义模块方便未来使用。

2. 增材制造阶段
3DXpert 软件助力厂家设计优化支撑方案,免除所有的手动后加工流程,让髋臼杯完成打 印后直接进入机加工环节。此支撑设计在堆叠髋臼杯打印完成后,可完全清除残留粉末, 并且在机加工阶段实现单个零件安全可靠的分离。事实上,这一独特的支撑设计方案除了 在打印阶段起到支撑作用,也为后续的车工提供了重要的夹持功能。

使用 System 3R 夹具系统的自动化解决方案,生产厂家再也无需使用传统方式来分离零件和底板。取而代之的是高效、低成本的车工操作,由 System 3R 夹具组合而成的底板在第一次的车铣操作中便能有效与零件分离,而分离后的底板也能在简易的打磨后重复使用。

3. 机加工阶段
在生产计划阶段,厂家们就必须考虑到零件的最终要求。而一个精密零件的加工通常都需 要不止一种加工工艺,而是通过一系列优化的机加工工艺来达到零件不同的交付特征要 求。举例来说,增材制造可以实现最复杂的植入物与生物医学产品生产,但这些零件仍需 要进一步的机加工与后处理。这意味着提供零件后续加工流程基准定位的工件夹具,通常 非常复杂并且造价高昂。

System 3R 提供多款不同尺寸的基座尺寸,完美地解决上述定位问题。厂家可以使用传统的车床直接将基座与髋臼杯分离,分离后的底板可在堆叠分支后处理的同时继续下一次打印作业。

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使用传统的车床和精密夹具来加工这些髋臼杯的内部几何形状,以实现高精度和高质量的表面光洁度

基座分离后,为了满足髋关节尺寸与表面粗糙度的要求,每一堆叠分支将针对不同功能性 表面,对单一髋臼杯逐次进行机加工。首先是内球面的加工,其次是底面和侧面,最后阶 段在加工外表面的同时将髋臼杯从堆叠分支上分离。

最终产品
为了达成生产流程效益最大化,必须宏观地建立产品生产工序的全局化思维,并在设计阶 段聚焦零件生产工艺的可实现性。举例来说,此堆叠髋臼杯方案实现的产能提升,源于生 产流程每一阶段的创新,从设计、打印、验证、后处理,再到工序间转换时在设置与切换 端显著优化的时间配置。换言之,除了零件的几何结构,生产流程的整合性更是零件生产 成本的决定性因素。GF 加工方案结合 DMP 金属打印机、System 3R 夹具系统,以及 3DXpert 软件所生成的整合流程,为医疗器械生产厂家提供了大幅降低单件生产成本的全 新思维模式。

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通过增减材工艺制造出的髋臼杯成品

总结
随着医疗器械制造商尝试从更宏观的角度重新审视何谓优化的生产流程,他们将会发现在 某一生产环节追求最快最高效的设备,并不能为他们带来最低的零件生产成本。事实上, 厂家们需要的是一个系统来满足当前市场上对产品交期与质量的高要求,而此系统中的每 一生产环节都能够无缝对接。以髋臼杯植入物的生产为例,由具备系统与软件整合能力的 设备生产厂家 – GF 加工方案,整合了增材与减材技术所提供的交钥匙方案,正是协助医 疗器械制造商达成此目标的最佳选择。


(3D打印医疗器械专业委员会)

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