鈦合金3D打印骨科植入工廠探秘：后加工很難、也很重要

南極熊導(dǎo)讀：金屬3D打印技術(shù)在骨科植入物領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)開始用于批量生產(chǎn)了。

△RMS 的3D打印工廠，已經(jīng)部署了 30 臺(tái)粉末床融合金屬3D打印機(jī)，每月生產(chǎn)多達(dá) 20,000 個(gè) 3D 打印鈦植入物，例如這些脊柱植入物。所有這些零件都需要在公司專門為增材零件設(shè)立的機(jī)械車間進(jìn)行精加工。

南極熊了解到，國(guó)外一家醫(yī)療器械制造商RMS的增材制造部門，目標(biāo)是提供從“粉末材料到產(chǎn)品包裝”的金屬3D打印制造植入物所需的所有服務(wù)。其中重要流程是后期加工。

每個(gè)鈦合金3D打印植入物都需要后期加工

“我們制造的每一個(gè)3D打印部件，都需要后期加工，”該公司增材部門的運(yùn)營(yíng)總監(jiān) Troy Olson 說。

在開始3D打印之前，RMS 在減材CNC制造方面擁有扎實(shí)的背景，從事零件加工已有 50 多年的歷史，目前擁有 650 多臺(tái)機(jī)床，運(yùn)行從瑞士式車削到五軸銑削的各種操作。然而，RMS 了解到，這種經(jīng)驗(yàn)并不總是適用于 3D 打印部件。事實(shí)上，節(jié)奏和工作流程與減材零件大不相同，以至于增材部門需要一個(gè)單獨(dú)的、專門的機(jī)械車間，并配備自己的員工。“我們不希望3D打印搞砸了已經(jīng)是行業(yè)領(lǐng)先的機(jī)加工車間，”高級(jí)增材制造工程師 Ryan Kircher 解釋說。

△專門為3D打印零件配套的增材加工車間，部署了 12 臺(tái) FANUC Robodrill ，流程作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，并且具有較高的調(diào)度靈活性

傳統(tǒng)制造的零件需要加工掉多達(dá) 90% 的體積，而增材零件已經(jīng)接近最終形狀，只需要進(jìn)行基本操作，例如鉆孔、攻絲和機(jī)加工儀表槽，周期時(shí)間要快得多。根據(jù)零件加工特征的數(shù)量，員工每小時(shí)可以加工 6 到 20 個(gè)零件，并且機(jī)器一天可以打印多達(dá) 2 到 3 批。除了不同的工作流程外，精加工的增材零件需要以不同的方式處理，因?yàn)樗鼈兊膱?bào)廢成本更高，需要減少浪費(fèi)，提高良品率。


3D打印+機(jī)加工是更優(yōu)方案

傳統(tǒng)車間的五軸機(jī)床、多軸車床等先進(jìn)機(jī)床，可以生產(chǎn)完整的成套零件。而增材部件僅靠 3D 打印是不夠的。事實(shí)上，RMS 的所有增材制造零件都需要精加工。

“當(dāng)我們研究增材制造時(shí)，我們將它視為一種補(bǔ)充技術(shù)，而不是一種單一的技術(shù)，”O(jiān)lson說，在他之前使用增材制造植入物的經(jīng)驗(yàn)中，他已經(jīng)看到了將 3D打印視為獨(dú)立技術(shù)的許多陷阱。“你必須在設(shè)計(jì)中做出妥協(xié)，來適應(yīng)增材制造或設(shè)置這些可怕的手動(dòng)后處理步驟，例如去毛刺、去除支撐和手動(dòng)攻絲幾乎打印正確的螺紋?！?通過兩種工藝的結(jié)合，RMS 可以在不影響設(shè)計(jì)的情況下，高效且經(jīng)濟(jì)地制造植入物。


為增材零件配套專門加工車間

針對(duì)增材零件的加工車間由 Aaron Glanz 領(lǐng)導(dǎo)，由 8 名第一班機(jī)械師、7名第二班機(jī)械師和兩名周末班的機(jī)械師組成，并計(jì)劃增加人員。與公司其他部門一樣，3D打印件加工車間的設(shè)備是標(biāo)準(zhǔn)化的，可以實(shí)現(xiàn)最大的靈活性。目前，這個(gè)車間已經(jīng)有 12臺(tái)FANUC Robodrill 和 3 臺(tái)CUT AM 500，由GF Machining Solutions專門設(shè)計(jì)，用于從構(gòu)建板上移除 3D 打印金屬部件。增材部門還擁有一臺(tái)專用于重修構(gòu)建板的Haas VMC，以及一臺(tái)用于加工 增材試樣的 Haas 車床。


增材零件的減材工作流程
但是，增材制造零件的加工過程在它們到達(dá)車間的這個(gè)區(qū)域之前就開始了。負(fù)責(zé)運(yùn)行打印機(jī)的員工還負(fù)責(zé)分離零件，然后重修構(gòu)建板。

△從打印平臺(tái)上切下來的所有部件一起放置，每個(gè)批次都需要在機(jī)加工車間進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置，包括首件和末件檢查以及全線檢測(cè)

與構(gòu)建板分離后，零件被送出進(jìn)行熱等靜壓 (HIP)，然后返回 RMS 進(jìn)行加工。在3D打印到 HIP 之間，零件價(jià)值已經(jīng)提高很多，因此機(jī)械師需要非常小心，不要將它們損壞。“Aaron 圍繞零廢料建立了他的加工團(tuán)隊(duì)——夾具、探測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)化工具、標(biāo)準(zhǔn)化編程——這樣我們就不會(huì)在設(shè)置加工操作中傷害打印零件，”O(jiān)lson 說。盡管在加工過程中，從這些零件中去除的材料量相對(duì)較少，但正確處理是至關(guān)重要的，不能有差錯(cuò)。南極熊3D打印網(wǎng)頁曾經(jīng)探訪過中國(guó)愛康醫(yī)療的金屬3D打印鈦合金骨科植入物車間，也看到大量的機(jī)加工設(shè)備做后處理。

根據(jù)他自己的經(jīng)驗(yàn)，Glanz 表示，在 RMS 的減材部門工作后，要求零報(bào)廢的心態(tài)可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)?！皺C(jī)械師習(xí)慣于使用棒材從地板上帶走，”他說?！叭绻麢C(jī)床操作員犯了錯(cuò)誤，你可以直接跑回庫房重新拿。您必須向操作員說明，3D打印零件無法做到這一點(diǎn)。整個(gè)流程需要3個(gè)星期?！?br />
增材制造車間的機(jī)械師也必須適應(yīng)增加的處理零件數(shù)量。附加部件的打印被分解為構(gòu)建板參數(shù)。例如，1,000 個(gè)零件的制造可能需要 10 到 15 個(gè)構(gòu)建板。每個(gè)構(gòu)建板通常包含 75 到 100 個(gè)零件，這些零件通過包括機(jī)加工在內(nèi)的后處理操作一起移動(dòng)。但是，這意味著每個(gè)構(gòu)建板都有自己的參數(shù)。“Aaron 不能一次設(shè)置就運(yùn)行 制造1,000 個(gè)零件，而是將這項(xiàng)工作設(shè)置為 10 到 15 次以運(yùn)行相同的 1,000 個(gè)零件，需要做更多事情，”O(jiān)lson說。“至少，每個(gè)批次都必須有首件、檢驗(yàn)、最后一件檢驗(yàn)和全線檢測(cè)。”


工件夾具

加工增材制造零件的最大挑戰(zhàn)之一是工件夾持。“加工增材零件很復(fù)雜，因?yàn)樗皇且粔K棒料，您可以有很好的基準(zhǔn)并且可以將加工掉，”Kircher 說。“您必須弄清楚零件在空間中的位置，并確保你在零件上加工的這些特征位于正確的位置。當(dāng)它的完成度達(dá) 90% 時(shí)，這些就變得非常重要?！?br />
△所有 3D 打印的植入物都有專門設(shè)計(jì)的骨長(zhǎng)入表面，非常復(fù)雜，不能被損壞或污染。為這些零件設(shè)計(jì)工作夾具是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)

更復(fù)雜的是，RMS 3D 打印的所有部件都是植入物，具有為骨長(zhǎng)入而設(shè)計(jì)的特征，而這些特征無法通過傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)?！拔覀兊目蛻粽跒樗麄兊闹踩胛镌O(shè)計(jì)，避免遭受損壞或污染，”Glanz 指出。這些表面非常復(fù)雜，“我們必須圍繞所有這些進(jìn)行固定工作，并確保不損傷表面，”他補(bǔ)充道。例如，為一個(gè)脊柱植入物設(shè)計(jì)了一個(gè)工件固定裝置，位于零件中間的一個(gè)孔周圍。夾具抓住了這一特點(diǎn)，并在不損壞表面的情況下保持零件穩(wěn)定，同時(shí)從末端加工出額外的余量。


△3D 打印植入物只需要加工掉少量材料。然而，如果一旦產(chǎn)生廢品，成本可能就很高，因?yàn)檫@些零件在到達(dá)機(jī)加工車間時(shí)已經(jīng)增加了很多價(jià)值

理想情況下，RMS 可以在設(shè)計(jì)階段就避免這些問題的挑戰(zhàn)?！爱?dāng)我們與客戶接觸的早期，我們實(shí)際上會(huì)圍繞工件夾持和基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)零件，利于進(jìn)行后期加工，”O(jiān)lson 說。

盡管加工增材零件和加工傳統(tǒng)零件之間存在差異，但該團(tuán)隊(duì)一致認(rèn)為，鑒于加工這些零件的挑戰(zhàn)，在傳統(tǒng)制造方面的經(jīng)驗(yàn)是使用3D打印技術(shù)取得成就的關(guān)鍵?！拔艺J(rèn)為需要一個(gè)非常有經(jīng)驗(yàn)的減材制造團(tuán)隊(duì)，來補(bǔ)充增材制造，才能取得成功，”Kircher 說。