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髋关节置换的增材制造

2020-10-15 17:41:42 来源:

髋关节置换术是表现最出色的择期手术之一,预计在未来几十年内将越来越普遍。制造商已经开发出创新技术,以改善假体植入物的质量,同时降低每个零件的成本。

许多关键的植入物组件都是使用金属3D打印技术生产的,但是要实现最佳的单件成本,车间必须超越增材制造(AM)技术,并考虑整个制造过程链。

由于AM具有创建新型功能几何的能力,因此在整形外科植入物生产中通常至关重要。对于髋臼杯来说,这是特别的事实,髋臼杯是圆顶形的部件,可安装在髋臼中。通过逐层构建零件,能够产生复杂的内部零件几何形状,3D打印可以构建小梁结构-模仿骨骼外观和生物学功能的多孔表面,从而实现出色的骨整合。

几何复杂性需要精确的AM技术,而最佳解决方案是使用粉末床融合。在当今的3D金属打印解决方案中,两项技术脱颖而出-电子束熔化(EBM)和激光粉末床熔合(LPBF),这两种技术在医疗部件方面都具有明显的优缺点。

具有大光点尺寸和高功率的电子束使EBM的生产效率和零件成本降低。EBM还允许轻松且几乎没有支撑的堆叠。

LPBF为复杂的晶格设计提供了精细的细节分辨率,提高了灵活性,更容易去除粉末,并提供了更多的材料选择。

尽管EBM更快的制造速度使其在许多医疗车间变得越来越普遍,但当制造商通过集成自动化和传统制造策略来优化零件可制造性时,LBPF可以更具竞争力。

为了开发这种方法,硬件和软件解决方案提供商GF机械加工解决方案与总部位于意大利蒙扎的Hofmann Srl(专门从事骨科植入物的医疗设备制造商)合作。他们一起重新考虑了髋臼杯制造过程的三个阶段,并找到了优化工作流程的解决方案。

设计阶段

堆叠策略在AM中特别有用,因为逐层构建零件可以获得更有效的曝光/重涂比率。这样可以最大程度地延长激光照射(激活)时间,并使重涂(非激活)时间对零件成本的影响最小。

堆叠式战略使制造商能够在每个工作中制造更多零件-GF机械加工解决方案的DMP Flex 350最多可生产450个零件-减少了机器设置和周转时间对零件成本的影响。堆叠式方法还可以使设计针对多个零件进行优化,而无需使用比单层零件所需数量更多的材料。

可以使用堆叠策略通过自动化轻松处理支持。与System 3R BuildPal结合使用时,该设计可对每个零件堆栈执行自动后处理操作,而无需人工完成。与传统的自动精加工每个零件的精加工设置相比,这还减少了精加工阶段的机器设置和转换时间,从而最大限度地减少了空闲时间。

GF机械加工解决方案提供了全面的软件,以通过AM工作流程功能来支持这些支持结构。3DXpert提供了几种优化设计结构的方法,包括快速设计和编辑可保存以备后用的晶格结构的能力。

AM舞台

3DXpert软件允许制造商设计支持,从而消除了对零件堆栈进行手动后处理的需要,而可以直接进行AM构建后进入加工阶段。这种支持策略允许在构建周期结束后对堆栈进行脱粉,并在加工阶段适当且安全地分离各个单元。这些支撑可以在构建室外部使用,而不必以通常的方式丢弃。它们的几何形状还可用于在车削操作中夹紧零件。

System 3R BuildPal自动化解决方案消除了将零件与构建板分开的需要,这种操作通常会增加零件成本。在这种方法中,它被具有成本效益的车削操作所取代。在AM加工之后的第一个机加工操作中,System 3R BuildPal与零件堆栈分离,并且可以轻松翻新板以重复使用。

加工阶段

虽然AM为复杂的植入物和生物医学产品提供了新的令人兴奋的可能性,但组件仍需要进一步的加工和精加工。这通常需要昂贵的工件固定装置,以在随后的过程中夹紧和参照这些部件。

System 3R提供了一系列托盘尺寸作为此问题的解决方案。制造商可以使用传统的车床直接从堆叠中切割出每个托盘,从而使分离的BuildPal可以用于后续的AM工作,同时继续进行后处理。

托盘分离后,对每个堆叠进行机械加工以精加工零件的功能表面,以满足高精度和表面光洁度的要求。对于堆叠的每个部分,先完成内部凹入的几何形状,然后加工底面和侧面,然后将单元从堆叠中分离出来。最后,加工外部接口。

最后部分

为了实现最具成本效益的过程,请全面考虑零件生产周期,并从设计过程开始就着重于零件的可制造性。最低的拥有成本和零件成本不是来自单个过程中最快的机器,而是源于可在较短的交货时间和高质量的零件之间无缝协作的系统。

最好将交钥匙系统结合使用,这些系统将加法和减法技术与工艺专业知识和可从原始设备制造商(OEM)获得的软件(例如GF机械加工解决方案)相结合。这种堆叠式髋臼杯工艺提高的生产率来自于生产的每个阶段的创新-设计,印刷,验证和精加工-以及优化的设置和零件更换。通过将包括DMP金属打印机,System 3R工具和3DXpert软件在内的各种制造技术整合到一个完全集成的工作流程中,GF机械加工解决方案使车间可以节省大量的零件成本。