面向髖臼杯量產的激光選擇性燒結優(yōu)化方案

來源：3D打印醫(yī)療器械專業(yè)委員會

髖關節(jié)置換術是當前最常見的手術之一，預測在未來數十年會更加普及。為了滿足持續(xù)增 加的需求，人工關節(jié)制造商持續(xù)精進生產工藝，以各種創(chuàng)新技術生產質量更好、價格更低 廉的髖關節(jié)。目前，金屬 3D 打印技術已經用于生產許多醫(yī)療植入物及其關鍵零部件，但 為了實現最理想的單件生產成本，廠家們需要突破以往僅著眼于增材制造單一環(huán)節(jié)的思維 模式，從更高的視角考慮整體生產流程。

3D 打印技術能夠生成創(chuàng)新的、具有功能性的幾何結構，因而被大量應用于骨科植入物的 生產工作。髖臼杯尤其能展現此技術的特點，通過層層堆積的方式搭建起復雜的內部幾何 特征，生成經典的“骨小梁結構”，即近似于人體骨骼外觀與生物功能性的多孔表面結 構，為植入物提供了優(yōu)異的骨融合性能。

生產這種復雜的幾何特征，需要最精準的增材技術與最好的粉末床燒結方案。目前有兩種 技術表現最為突出 – 電子束熔融(EBM)與激光粉床熔融(LPBF)，兩種方案用于醫(yī)療 零件生產各有其優(yōu)劣之處。

電子束熔融技術以電子束為能量源，其較大的光斑以及較高的功率能提高生產效率，換言 之降低單件生產成本。同時電子束熔融技術支持簡易的無支撐設計，也進一步降低了成 本。反觀激光粉床熔融技術由于更高的精度，從而為復雜的晶格結構提供更細致的微觀結 構分辨率、提升彈性，更容易清除粉末，以及更廣泛的材料選擇。

電子束熔融技術憑借著其更快的搭建速度而成為目前醫(yī)療生產企業(yè)更廣為采用的增材制造 技術。但通過自動化與傳統(tǒng)生產工藝整合發(fā)展更優(yōu)異的零件生產策略，激光粉床熔融工藝 的競爭力將能提升到新的層次。

為了發(fā)展此創(chuàng)新生產策略，GF 加工方案和位于意大利 Monza 的重量級骨科植入物生產 廠家 – Hofmann Srl 合作，利用自身在硬件、軟件的優(yōu)勢以及對于工業(yè)流程的掌握，重新 定義了髖臼杯制造的三個關鍵步驟，并且為每一個步驟制定方案，最終實現優(yōu)化的制造工 作流程:

1. 設計階段
增材制造技術層層搭建零件的特性，使得堆疊打印策略在應用中尤其實用，因為可以大幅 提升曝光與鋪粉時間比例。換句話說，堆疊打印策略最大程度的延長了“激光有效工作時 間”，將鋪粉時間(非有效工作時間)在零件生產成本占比降到最低。

堆疊策略可確保最佳的曝光與鋪粉時間比例，最大化“激光有效工作”時間，從而降低了零件成本

此外，堆疊打印策略極大化單一批次打印的零件數量(例如 GF 加工方案的 DMP Flex 350 設備單次生產髖臼杯數量最高可達 450 件)，有效降低設備前置準備與批次間轉換 工作在零件生產成本中占比。此堆疊打印策略擁有優(yōu)化的支撐設計，可以為多個髖臼杯提 供支撐，且使用的材料相較于單層打印并無顯著增加，有效降低材料使用成本并節(jié)省搭建 時間。

堆疊打印方案最重要的優(yōu)勢還在于實現支撐去除的自動化。和 System 3R 夾具系統(tǒng)搭配 使用，每一堆疊分支的后處理流程可以獨立并自動化完成。免去任何手動的后加工工序， 自動化方案可大幅減少髖臼杯因繁多的后加工而增加的成本;同時還能有效減少后加工階 段中，零件在不同設備間切換以及批次間的準備工作所消耗的時間，最小化閑置時間，與 目前 3D 打印髖臼杯單個進行機加工的后處理方式相比有較大的優(yōu)勢。

GF 加工方案推出了功能完善的設計軟件 – 3DXpert – 來設計此種支撐結構，以實現優(yōu)化 的增減材復合加工流程。3DXpert 提供多種優(yōu)化設計，包含晶格快速設計與編輯功能，并 可存為自定義模塊方便未來使用。


2. 增材制造階段
3DXpert 軟件助力廠家設計優(yōu)化支撐方案，免除所有的手動后加工流程，讓髖臼杯完成打 印后直接進入機加工環(huán)節(jié)。此支撐設計在堆疊髖臼杯打印完成后，可完全清除殘留粉末， 并且在機加工階段實現單個零件安全可靠的分離。事實上，這一獨特的支撐設計方案除了 在打印階段起到支撐作用，也為后續(xù)的車工提供了重要的夾持功能。

使用 System 3R 夾具系統(tǒng)的自動化解決方案，生產廠家再也無需使用傳統(tǒng)方式來分離零件和底板。取而代之的是高效、低成本的車工操作，由 System 3R 夾具組合而成的底板在第一次的車銑操作中便能有效與零件分離，而分離后的底板也能在簡易的打磨后重復使用。

3. 機加工階段
在生產計劃階段，廠家們就必須考慮到零件的最終要求。而一個精密零件的加工通常都需 要不止一種加工工藝，而是通過一系列優(yōu)化的機加工工藝來達到零件不同的交付特征要 求。舉例來說，增材制造可以實現最復雜的植入物與生物醫(yī)學產品生產，但這些零件仍需 要進一步的機加工與后處理。這意味著提供零件后續(xù)加工流程基準定位的工件夾具，通常 非常復雜并且造價高昂。

System 3R 提供多款不同尺寸的基座尺寸，完美地解決上述定位問題。廠家可以使用傳統(tǒng)的車床直接將基座與髖臼杯分離，分離后的底板可在堆疊分支后處理的同時繼續(xù)下一次打印作業(yè)。

使用傳統(tǒng)的車床和精密夾具來加工這些髖臼杯的內部幾何形狀，以實現高精度和高質量的表面光潔度

基座分離后，為了滿足髖關節(jié)尺寸與表面粗糙度的要求，每一堆疊分支將針對不同功能性 表面，對單一髖臼杯逐次進行機加工。首先是內球面的加工，其次是底面和側面，最后階 段在加工外表面的同時將髖臼杯從堆疊分支上分離。

最終產品
為了達成生產流程效益最大化，必須宏觀地建立產品生產工序的全局化思維，并在設計階 段聚焦零件生產工藝的可實現性。舉例來說，此堆疊髖臼杯方案實現的產能提升，源于生 產流程每一階段的創(chuàng)新，從設計、打印、驗證、后處理，再到工序間轉換時在設置與切換 端顯著優(yōu)化的時間配置。換言之，除了零件的幾何結構，生產流程的整合性更是零件生產 成本的決定性因素。GF 加工方案結合 DMP 金屬打印機、System 3R 夾具系統(tǒng)，以及 3DXpert 軟件所生成的整合流程，為醫(yī)療器械生產廠家提供了大幅降低單件生產成本的全 新思維模式。

通過增減材工藝制造出的髖臼杯成品

總結
隨著醫(yī)療器械制造商嘗試從更宏觀的角度重新審視何謂優(yōu)化的生產流程，他們將會發(fā)現在 某一生產環(huán)節(jié)追求最快最高效的設備，并不能為他們帶來最低的零件生產成本。事實上， 廠家們需要的是一個系統(tǒng)來滿足當前市場上對產品交期與質量的高要求，而此系統(tǒng)中的每 一生產環(huán)節(jié)都能夠無縫對接。以髖臼杯植入物的生產為例，由具備系統(tǒng)與軟件整合能力的 設備生產廠家 – GF 加工方案，整合了增材與減材技術所提供的交鑰匙方案，正是協(xié)助醫(yī) 療器械制造商達成此目標的最佳選擇。