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显著降低髋臼杯单件生产成本!选区激光熔化3D打印实现髋臼杯生产的新思维

摘要:

   髋关节置换术是当前常见的骨科手术之一。为了满足持续增加的需求,骨科植入物制造商持续精进生产工艺,以各种创新技术为医疗机构及患者提供质量更好、价格更低的髋关节植入物。3D 打印技术能够生成创新的、具有功能性的几何结构,因而已成为骨科植入物的生产技术。髋臼杯植入物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。

   髋关节置换术是当前常见的骨科手术之一。为了满足持续增加的需求,骨科植入物制造商持续精进生产工艺,以各种创新技术为医疗机构及患者提供质量更好、价格更低的髋关节植入物。3D 打印技术能够生成创新的、具有功能性的几何结构,因而已成为骨科植入物的生产技术。髋臼杯植入物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。

        虽然,相比传统加工技术而言,增材制造技术在该领域的应用出现较晚,3D打印髋臼杯的商业化已经有十余年的历史,早在2007年,欧洲医疗机构就开始将3D打印髋臼杯植入物人体,经过十余年的发展,更多的3D打印髋臼杯成功实现商业转化。在产业化大趋势下,怎样以更低的成本、更高效的方式批量生产3D打印髋臼杯植入物成为骨科植入物制造领域面临的新问题。

       在目前已实现商业转化的3D打印髋臼杯产品中,制造技术为两种粉末床金属3D打印技术-电子束熔融(EBM)与选区激光熔化(SLM)。其中,电子束熔融技术在髋臼杯3D打印领域的应用更早,在已商业化的3D打印髋臼杯产品的生产中也占据了更多“席位”;选区激光熔化3D打印技术也在不断的优化,以提升其生产效率、降低制造成本,满足批量生产的需求。本期,分享的是GF 加工方案与骨科植入物生产企业合作优化的髋臼杯整体增材制造解决方案,从中可以清晰的感受到选区激光熔化3D打印技术在髋臼杯植入物制造领域所获得的发展。

Whitepaper_Valley_143D打印髋臼杯植入物商业转化进程。
来源:《3D打印与骨科植入物白皮书3.0》
将于8月发布

block 各具优势的粉末床工艺

     在两种3D打印髋臼杯的增材制造技术中,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,这种方式能够降低单件生产成本。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。而选区激光熔化技术能够实现更高的精度,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,成为目前医疗生产企业更广为采用的增材制造技术。而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,选区激光熔化技术的竞争力将能提升到新的层次。

block 重定义髋臼杯生产三个关键步骤

     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。

Medical_GF_1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。来源:GF 加工方案

     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。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。

Medical_GF_23D打印髋臼杯在圆形基板上的堆叠摆放。来源:GF 加工方案

  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。

此外,这一堆叠打印策略需要与GF加工方案获得专利的 System 3R 夹具系统搭配使用。其优势是,每一堆叠分支的后处理流程可以独立并自动化的完成。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。

2. 增材制造阶段

       在设计阶段所实现的堆叠打印策略,将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。

GF System 3R 夹具系统能够提供多款不同尺寸的打印基座,从而解决打印零件的定位问题。在接下来的机加工阶段,System 3R 夹具系统将继续发挥重要作用。

3. 机加工阶段

生产厂家使用 System 3R 夹具系统的自动化解决方案,将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。

Medical_GF_33D打印髋臼杯机加工流程。来源:GF 加工方案

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去除支撑结构,将髋臼杯从堆叠分支上分离。

Medical_GF_4使用车床和精密夹具加工3D打印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。来源:GF 加工方案

block 实现髋臼杯生产的全局化思维

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。

Medical_GF_5GF 整体增材制造解决方案生产的髋臼杯成品。来源:GF 加工方案

     在髋臼杯增材制造过程中,GF加工方案的堆叠髋臼杯打印方案实现的产能提升,源于对生产流程中每一阶段的创新,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。

生产流程的整合性是零件生产成本的决定性因素之一。GF 加工方案结合 DMP 金属3D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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