医疗器械博览会增材制造技术大本营：无支撑打印开辟增材制造更大可能性
2023-03-31
增材制造技术可低成本、高效益地制造几何外形复杂的物体，提供了可针对特定患者的设计，具有高复杂性、按需生产和生产效率高等特点，已被广泛应用于医学的各个领域。 在增材制造（AM）技术中，无支撑成型是生产3D打印零部件的一种方式，其中零部件不包含任何支撑结构。支撑结构通常用于在成型过程中，增强和维持正在制造的零部件结构。出于各种原因，支撑结构十分必要，具体取决于成型零部件的大小和形状。医疗器械博览会Medtec China 2023 16大特色展区，包括医用3D打印,骨科加工专区，及超精密激光加工、金属材料，部件和加工设备等研发设计领域，许多展商也将来到展会现场展示企业最新的产品及设计。
巧妙地布置支撑结构可防止由热应力引发的变形、促进热量从熔化的材料中转移，并保护成型零部件免受铺粉装置刮刀的影响（如果发生冲击，刮刀可能会影响零部件成型）。支撑结构还可以在成型过程中提高零部件的刚性，例如，将零部件固定到成型台上以保持稳定。
为了以正确的形状构建增材层，由粉末制成的支撑结构可支撑打印零部件的凸出结构。无支撑打印的理念即去除支撑，实现零部件完全独立成型，并在打印完成后立即可以投入使用。
从概念上讲，无支撑打印具备多项优势，这正是该理念仍然处于行业前沿的原因。无支撑打印不仅能减少成型过程中的材料消耗，还具备其他优势。那么，最大的问题是：完全无支撑的3D打印是否切实可行？
无支撑成型的优势
通过完成无支撑3D打印转型，增材制造工艺可以在经济、环境和时间方面进行全方面改进。在成型过程中不需要构建支撑结构意味着粉末床中的材料熔化量减少，这会对增材制造工艺产生多方面积极影响。
制造速度提升诀窍 1
缩短生产时间。如果在成型过程中，打印机的激光器不需要不断添加支撑层，则会缩短打印时间。虽然对于每一构建层而言，可以节省的时间有限，但在整个成型过程中，累积效果足以显著缩短零部件生产所需的时间。如果大规模应用于制造业，能让公司大幅缩短生产时间。
制造速度提升诀窍 2
节省后处理资源。在设计之初就不考虑支撑结构意味着在后处理阶段中无需移除支撑，从而显著降低对交货时间的影响。移除支撑占据了后处理过程的大部分时间。因为支撑结构随附于最终产品上，所以需要移除并实施表面处理，才能确保零部件表面均完美匹配。要实现此种效果，公司需要投入资金和时间来获取专业技术和工具。在极端情况下，成型过程中增加耗时一分钟的处理步骤可能会导致交货时间推迟一天。
无支撑成型可以消除如此密集的后处理调整，从而提高零部件的加工速度，降低成本。无需移除附加的支撑结构，在打印完成后，即可确保打印零部件的表面光洁度更出色一致。
医疗器械博览会Medtec China 2023同期：创新技术论坛和法规峰会2023技术论坛E：3D打印材料及技术在医疗器械领域中的应用，议题覆盖超高精密3D打印在医疗行业发展现状与发展趋势、3D打印医疗器械的技术创新和应用案例、高精度3D打印技术加速医疗器械企业的创新和研发、结构心血管病转化医学与其3DP技术的当代应用等多项议题，来自中国医学科学院阜外医院、上海交通大学、通快(中国)有限公司等大咖限时开讲，点击快速预登记。
制造速度提升诀窍 3
减少材料消耗并降低环境影响。考虑到可持续性和负责任的制造，显而易见的是，不使用支撑结构，或者哪怕只是减小支撑的尺寸和数量，都有助于减少材料消耗量。从而降低材料浪费和能源消耗，削减 3D 打印的财务和环保成本。无支撑打印还缩短了初始打印过程和后处理过程（零部件加工）的总时间，从而提高了效率和易用性。
无支撑3D打印有哪些应用场景？
实际上，100%无支撑的增材制造目前无法应用于所有应用或几何形状。但这并不意味着在未来也无法实现–在 EOS Additive Minds，我们最近在迈向无支撑打印的最终目标方面取得了振奋人心的飞跃。
金属增材领域中始终存在的问题可能是在没有支撑的情况下，无法打印低于某个悬垂角度的结构。无支撑时，由于在打印过程中激光聚焦能量照射而产生残余应力，导致悬垂部分可能会发生翘曲。这通常限制了金属增材系统用户选择应用。
凭借创新思维，行业领导者一直在不断质疑和挑战解决关键的45度角问题。多款软件和参数包现已面世，使用户能够以更小的角度打印悬垂结构和牙桥，同时不会影响3D打印工艺的效果和金属零部件的质量。
案例分享｜无支撑金属3D打印髋关节柄
EOS开发了一种与热等静压（HIP）热处理工艺相结合的Ti64增材制造工艺，可实现出色的疲劳性能。这个项目的目的是在实际的植入物设计中突出并测试疲劳性能，最后将结果与传统锻造的Ti64髋关节柄进行比较。
疲劳性能测试结果
医疗器械博览会Medtec China 2023了解到疲劳测试是由加拿大温尼伯的OIC骨科创新中心完成的。根据ISO 7206-6，对颈部疲劳特性进行5340 N负载下1000万次的循环测试。在研究中，同时对多个髋关节柄进行了测试，结果都通过了1000万次的循环测试。这表明，这些增材制造植入物的疲劳性能至少与传统锻造的Ti64髋关节柄性能持平。
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打印准备
为了方便移除支撑并快速从基板上取出植入物，髋关节柄设计放置在一个“固定件”中。这个固定件的主要功能是对抗刮刀铺粉产生的作用力，为了获得最高的机械性能，使用了HSS钢刮刀以确保最佳的产品性能和始终如一的铺粉性能。关键的是，固定件和髋关节柄之间没有连接，而是大约留有0.2-0.3毫米的间隙，理想的间隙宽度是通过DoE确定的。间隙的大小是在易于拆卸和牢固地防止髋关节柄因刮刀力而振动之间的权衡。由于固定件、粉末和髋关节柄之间的摩擦力，髋关节柄得以被固定在原位。
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增材制造软件–Amphyon
开始生产之前，使用Amphyon确认设置策略切实可行，不会导致任何问题，消除了“试错”的打印策略需求。刚入门、甚至经验丰富的增材制造用户都普遍抱怨，在尝试新应用开发时，首次打印时都需要用“试错”策略。
运行仿真模拟来检查刮刀的碰撞问题，以验证变形是否在公差范围内，并检查热应力。这种分析在打印单个作业之前提供了高质量的构建，减少了成本和交货时间。
该软件通过对髋关节柄进行预变形，从而实现首次直接打印出高精度的零件。这种方法效果非常好，特别是对于打印过程中髋关节股骨柄可能发生的微小且可控的变形。
如何实现出色的疲劳性能
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优异的增材制造工艺
髋关节柄是在EOS M 290上使用EOS Titanium Ti64 Grade 23，40μm层厚的工艺参数生产的。之所以选择M 290，是因为它是市场被认证过次数最多的工业级增材制造系统。最重要的是，该设备的可靠性和可重复性正是具备优异疲劳性能所必须的，任何一个缺陷都可能会大大地降低疲劳性能。未来进一步优化工艺以进行批量生产是有意义的，鉴于髋关节柄应用的独特要求，可能会提高制造速度和稳定性。
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优化的热等静压热处理
结合了优异的增材制造工艺和优化的热等静压热处理，成品最终获得了出色的疲劳性能。常规的热等静压热处理是为了改善铸件或类似铸件的质量和显微组织的力学性能。EOS M 290制造产品的质量远高于铸件，因此EOS基于增材制造的独特微观结构开发出一种特殊的热等静压热处理工艺。
Ti64常规的热等静压工艺是920℃，100 MPa下保温2小时，并且广泛应用于不同领域。EOS开发的处理工艺则在800℃，140 MPa下保温2小时。该热等静压热工艺与EOS DMLS工艺相结合，可实现10^7次循环（N = 9）中795 Mpa的疲劳强度。
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后处理工艺
后处理相当简单，由加拿大温尼伯的 Precision ADM 执行。增材制造工艺的设置方式制造的髋关节柄与传统制造的髋关节柄可以进行相同的后处理步骤。因此，无需支撑处理。后处理与目前市场上的传统方式制造的髋关节柄类似，对髋关节柄锥形部位进行机加工，对零件颈部进行抛光，以实现最佳的疲劳特性。
文章来源：EOS
