替代金属材料的PEEK 3D打印植入物

l 头颅重建手术

人的颅骨由23块骨组成，是保护脑组织的重要器官， 一旦颅骨遭遇外力或病理因素导致缺损，便需要借助颅骨植入术进行治疗。传统的颅骨植入手术通常使用硬度高、质量轻的钛合金网片来修复损伤或填补空隙。与此同时，医学界也在不断探寻新型医疗植入材料，更好地提升手术效果及患者术后体验。

那么，是否有一种技术能最大程度满足手术需求？

空军军医大学唐都医院某患者患有头部肿瘤，需要进行颅骨植入手术来修复损伤区域。根据患者的CT扫描数据，医生使用CAD软件设计了一套“量身定做”的颅骨片结构。通过3D打印技术，利用高性能PEEK材料进行FDM（熔融沉积建模）打印定制化颅骨片。手术中，医生根据设计方案精确植入颅骨片，成功修复了患者头颅的损伤区域。术后复查显示，颅骨片与患者的自然骨骼完美嵌合，无伪影问题，且患者术后恢复顺利。

l 多样化的手术植入物应用

在2018年，唐都医院泌尿外科与空军军医大学3D打印研究中心共同实施了世界上首次采用3D打印技术，使用PEEK人体仿生材料制造人体植入物的手术，开创胡桃夹综合征治疗的又一先例。迄今为止借助该项技术已完成上百例植入手术，患者术后均有所好转。在过去,该手术的植入体多以钛合金为主，随着3D打印应用的深入，PEEK得到了越来越多的关注，PEEK作为一种热塑性特种工程塑料,具有优良的机械性能、良好的生物相容性、耐化学性、易加工及可重复消毒等优异特性，成为钛合金的替代品。

INTAMSYS 远铸智能设备3D打印的PEEK植入体 ©远铸智能

空军军医大学3D打印研究中心打破传统，借助INTAMSYS 远铸智能的FDM/FFF 3D打印技术制作新式植入物，完成了多例PEEK胸肋骨置换手术。

左图为3D打印的PEEK胸肋骨植入物示意

 PEEK 为什么成为骨替代材料？

PEEK的全名是聚醚醚酮(Polyetheretherketone)，具备耐磨损、耐腐蚀、耐高温和轻量化特性,其减震缓冲性具有极强的保护作用。作为仿人体骨骼的生物材料，植入级医用PEEK材料目前已完整通过了的生物相容性测试。此外，与不锈钢、钛合金和超高分子量聚乙烯植入物相比，PEEK 及其复合材料具有良好的耐磨性能，可有效避免由于磨损颗粒引发的植入体周围炎症和骨溶化等问题。

PEEK(聚醚醚酮)材料克服了金属材料产生应力遮挡和辐射伪影等弊端，被认为是下一代骨植入物的候选材料之一。PEEK材料的X射线穿透性使其具备了良好的可视性,能够实现在CT扫描或核磁共振成像辅助下进行手术，便于术后对治疗效果进行有效监控。

PEEK已广泛用于多种临床应用：用于骨折固定、颅颌面缺损修复、脊柱植入物、全关节置换术(TJA)，甚至在软组织修复中用作缝合锚。在牙科领域的应用非常广泛，包括牙种植体、种植体支撑杆、假牙、基台和夹具。PEEK具有许多特性，使其成为替代骨科和重建手术中涉及的金属植入物的合适替代材料。

 与3D打印结合激发PEEK材料新潜力

随着医疗植入物从旧式标准型大规模生产向患者匹配型及定制化植入物生产的转变，3D打印在医疗植入物制造行业中占据了重要地位，3D打印技术为批量生产患者匹配型与小规模定制化PEEK 植入物生产带来了可行性。

©3D科学谷白皮书

基于材料挤出工艺的FDM/FFF 3D打印技术，是其中一种相对传统制造方式而言经济、高效的小批量生产方式。例如，在上述唐都医院的头颅重建手术应用中，医疗团队通过远铸智能的FDM/FFF 3D打印技术制造为患者“量身设计”的PEEK 植入物，颅骨片与患者的自然骨骼完美嵌合，有助于患者的术后恢复。

此外，PEEK是一种生物惰性材料，植入人体内时不会发生不良反应。但是，当需要在植入物和宿主组织之间直接进行骨整合时，PEEK表面较低的润湿性限制了细胞粘附和蛋白质吸收，这会降低骨整合中的伤口愈合能力。因此，通常可以通过改性来改善PEEK材料的生物惰性问题。例如，可通过PDA包覆等方法来提高PEEK材料的亲水性和细胞粘附性。

而借助增材制造-3D打印技术在制造复杂设计结构的优势，为从设计层面上改善PEEK 材料的生物活性具有积极作用。例如，3D打印技术能够成就具有互连和集成的多孔结构，促进PEEK 植入物的骨整合，改进X射线检查效果，实现与人体松质骨紧密匹配的弹性模量。骨科医疗器械企业Curiteva开发的首款获得FDA 510(k)许可的3D打印PEEK颈椎融合器植入物，即具有采用FDM/FFF 3D打印所实现的完全互连和集成的多孔结构，孔径分布在100–600微米之间，促进骨传导，其微米级表面粗糙度呈现亲水表面，促进骨附着和增强骨整合。

 PEEK FDM/FFF 3D打印的挑战

制造装备和工艺的稳定性是PEEK 3D打印医疗植入物走向产业化应用的必要条件之一。2022年，国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心发布了《增材制造聚醚醚酮植入物注册审查指导原则》。该指导原则的附录指出，注册人需证明制备聚醚醚酮植入物所使用的所有增材制造设备和工艺的稳定性，确保增材制造过程中的杂质控制。

基于材料挤出工艺的FDM/FFF 3D打印技术，这类技术因使用相对简单且设备成本较低，设备紧凑，已被广泛用于工业产品开发与小批量制造，该技术已逐渐被应用到PEEK 材料增材制造领域。

PEEK 是一种半结晶热塑性塑料，与聚乳酸 (PLA) 和丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 等常规聚合物相比，具有出色的机械性能和熔点。例如，该材料的杨氏模量约为3GPa，拉伸强度约为103MPa，熔点为343 °C。由于PEEK的高熔点，而需要高的热处理条件。升高的加工温度与PEEK的高结晶速度相结合会导致过大的热应力（打印层之间分布不均匀），并可能导致热裂纹，3D打印PEEK部件中的层间附着力差和部件翘曲。因此，PEEK FDM/FFF 3D打印远比很多工程塑料、通用塑料的过程复杂和具有挑战性，需要通过专业的制造技术，以及适合PEEK 材料的FDM 3D打印设备，来开发高质量的PEEK 3D打印零件。

在上述唐都医院的3D打印案例中，医疗团队使用了远铸智能基于材料挤出工艺的FDM/FFF 3D打印设备。远铸智能是国内最早从事工业FDM/FFF技术创新研发的公司之一，在2016年推出高端的PEEK材料3D打印解决方案切入市场，成为当时全球为数不多的可以提供PEEK材料3D打印完整解决方案的公司之一。远铸智能已经研发了覆盖工程塑料到高端工程塑料的全系列工业FDM/FFF产品线，推出核心产品包含FUNMAT PRO 610HT、FUNMAT PRO 410和FUNMAT PRO 310等多款机型。

高性能材料3D打印本质上是对高分子材料的热加工，3D打印设备的腔室热设计及适合的腔室温度将增强高分子材料层间结合强度，并减少因为冷却以及残余应力而导致的收缩和变形。不同材料在材料挤出3D打印过程中对于腔室温度要求不一，3D打印PEEK高性能材料所需的腔室温度需要达到150-250℃。

深入了解PEEK 3D打印解决方案，前往“这里”，远铸智能专业工程师将为您服务。

以远铸智能的FUNMAT PRO 610HT 高性能材料3D打印设备为例，该设备具有全封闭式成型腔室，3D打印平台与腔室温度控制范围为室温至300℃，设备通过双侧循环热风道控制腔室加温，同步加热打印床温度，外部搭配加厚保温层减少热量散失，达到预设温度并经过一段时间稳定后，整个腔室内部温度场高度均一，温控精度在300℃±2.5%范围内。正因其出色的高温性能,远铸智能的FUNMAT PRO 610HT 3D打印设备主要被用于PEEK、ULTEM、PPSU等高附加值材料的增材制造，并能够满足市面上绝大多数FDM/FFF材料的3D打印需求。相比在普通3D打印机仅通过打印平台加热的方式，FUNMAT PRO 610HT 可以进一步保证3D打印部件第一层与打印平台有高强度粘接力，且使材料在3D打印过程中各部位受热温度均匀，有利于大尺寸样品成型，避免翘曲等情况，为PEEK材料的高质量3D打印提供了良好保障。

 产业化与技术的双向进化

聚醚醚酮3D打印技术在医疗领域有着多样化的应用场景。就FDM/FFF 3D打印技术而言，目前已在PEEK 3D打印及脊椎植入物细分赛道中进入到了商业化阶段，这为PEEK 3D打印在骨替代领域的产业化发展带来了积极意义。在PEEK 3D打印技术层面上，医疗与增材制造界对于PEEK 3D打印植入物进行了极为细分的应用探究，例如对PEEK 3D打印表面粗糙度与成骨性的研究；PEEK 3D打印与特殊涂层结合如何用于骨癌治疗与相关修复……3D科学谷将对这一细分领域的发展保持长期关注。

参考资料：

《3D打印-增材制造新材料医疗器械及相关监管科学研究进展概况》

《聚醚醚酮PEEK的3种改性方法：表面改性、填充改性和共混改性》

《生物材料：具有三重功能的PEEK表面改性 》

《增材制造聚醚醚酮植入物注册审查指导原则》

《3D打印PEEK颅颌面植入物成骨细胞反应》

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在这样的条件下，想要将这两种高性能材料打印应用于制造工业零部件，能够耐受高温的支撑材料是必不可少的。经过长期的研究和验证，INTAMSYS 远铸智能即将推出适用于ULTEM™ 9085的支撑材料SP5040，和ULTEM™1010的专属支撑材料SP5080。

© Intamsys 远铸智能

为何需要支撑材料

重力是影响任何3D打印零件成功的关键因素之一。支撑材料和结构的存在能够确保丝材在铺层打印和冷却过程中保持预期的形状。因此想要通过FDM/FFF 3D打印制技术造形状结构复杂的工业零部件，必须辅以相应的支撑材料，在打印完成后将支撑材料去除即可得到理想的成品。

CC：3DHub

此前市面上可供客户选择的针对ULTEM™ 9085的材料特性的支撑材料，在高温下的耐受能力有限，为了保证足够的支撑强度，因此在打印过程中通常采用三角形支撑的方式，所以在打印后处理的环节，剥离支撑的难度就会比较高。为了完善整个打印工艺的流程，INTAMSYS 远铸智能研发了剥离型支撑材料SP5040，它的耐高温能力更强，可以采用Zigzag的支撑方式进行打印，不仅兼顾了支撑强度，也保留了易剥离的特性。

ULTEM™ 9085和SP5040

视频解锁剥离过程

ULTEM™ 1010的玻璃化转变温度高达215°C，这意味着需要很高的腔温（约220°C），才能获得很好打印效果，因为材料本身对于高温的要求，故与之相匹配的支撑材料一直是一个难点，行业内一直缺乏完美的解决方案。

INTAMSYS 远铸智能凭借在高温打印领域积累的经验和优势，开发了ULTEM™ 1010的专属支撑材料SP5080，这种支撑材料具备极强的耐高温性，能够有效地支撑ULTEM™ 1010，填补了市场上的空白。

ULTEM™ 1010和SP5080

视频解锁剥离过程

温度的控制对于成功打印ULTEM™ 9085, ULTEM™ 1010来说至关重要，INTAMSYS 远铸智能FUNMAT PRO 610 HT工业级3D打印设备，几乎可以打印市场上所有的高性能热塑性材料，它配备有300℃的恒温腔室，能够解决打印零件的翘曲问题，提供高质量的打印效果。延伸阅读：高性能材料3D打印如何应用于终端部件的小批量生产

《3D打印与航天研发与制造业白皮书》第二版

©3D科学谷

相较于传统的打印使用自支撑的方式，使用SP5040以及SP5080支撑材料，将使得从打印过程到后处理工艺的流程得到极大的提升。SP5040和SP5080具有良好的耐热性，不仅确保了3D打印PEI 材料有足够的支撑强度，手动拆卸方便，并且可用于打印结构复杂的零件，为工程师的设计提供极大的灵活性。

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根据3D科学谷的市场观察，在新材料与新工艺的结合方面，德国Schunk不仅使用普通材料实现了这项未来技术，而且还使用陶瓷、特殊粉末金属、纤维增强复合材料和多组分材料 3D 打印等高性能材料实现了增材制造。

© Schunk

面向量产

 3D打印陶瓷

© Schunk

多年来，技术陶瓷的 3D 打印只是工程界的一个梦想。很难想象这个过程会使用如此坚硬的材料。尤其是考虑到陶瓷在烧结过程中会收缩。长期以来，可制造零件的最大尺寸限制在几立方厘米。然而，3D打印陶瓷技术正在获得不断的突破……

根据3D科学谷的市场观察，Schunk从 2014 年开始进行渗硅反应结合碳化硅 (RBSiC) 的 3D 打印，当时Schunk投资了一台粉末床打印机，随着时间的推移，Schunk已经取得了进展。从那时起，Schunk就专注于这种材料的 3D 打印，因为：RBSiC 注定用于 3D 打印。主要是因为它在烧结过程中不收缩。这使Schunk能够生产大规格和高密度部件。在Schunk的 3D 打印过程中创建的材料称为 IntrinSiC©。

基本上，Schunk可以使用所有传统的成型技术。然而，3D 打印毛坯零件是Schunk实现前所未有的设计自由度的好方法。对于零件的烧制，Schunk仍然使用Schunk传统的高温工艺，这样可以控制成本。

为什么RBSiC在烧结过程中不收缩？RBSiC 收缩率低的原因是部分硅与碳反应形成碳化硅，并与初级碳化硅一起形成三维陶瓷基体。另一方面，其余的硅填充所有剩余的空隙。

目前Schunk能够生产长 1.8 m、宽 1 m 和高 0.7 m 的零件。根据3D科学谷的了解，当前Schunk每天可以处理超过两吨的碳化硅。这使得Schunk不仅是第一家为这种尺寸的 RBSiC 产品开发合格且可重复的 3D 打印工艺的公司，而且也是第一家将该技术带入批量生产规模的公司。

不过一开始的时候，Schunk意识到3D打印陶瓷并不是一件容易的事。材料的硬度、强度、密度和弹性模量等特性最初无法跟上Schunk传统材料的水平，那时候时不时遇到裂缝问题。

但现在这些问题都被克服了，Schunk的 3D 打印材料与Schunk传统的 RBSiC 处于同一水平。Schunk现在可以为客户提供他们想要的任何零件的最佳工艺。

碳化硅几乎和金刚石一样硬。因此，对其进行加工非常昂贵且耗时。另一方面，Schunk的 3D 打印工艺，Schunk可以生产近净形状的零件并最大限度地减少硬加工。此外，3D打印技术提供了几乎无限的设计自由，Schunk能够实现使用传统方法无法想象的复杂几何形状。

与此同时，Schunk与客户一起开发了多种产品，例如，用于间接加热的优化辐射管。使用传统的成型工艺，可行的内部结构是有限的。另一方面，借助 3D 打印，Schunk可以生产出表面积更大的复杂结构，从而提高整个系统的效率。

另一个例子是全新开发的 IntrinSiC© 换热式燃烧器或 IRecu，用于间接加热热处理炉。该产品利用了 3D 打印的所有灵活性。凭借 3D 打印的陀螺结构，它将能源效率最大化到前所未有的水平。

此外，Schunk制造需要刚性和重量轻的机器部件。与传统的模制和后加工零件相比，Schunk的 3D 打印工艺在这方面要经济得多。Schunk开发的零件与原始结构相比重量减轻了 30%，而不会影响刚度。

 烧结金属的3D打印

金属的增材制造一直是一个挑战。由于它们的高熔点，必须开发特殊工艺。这些包括直接激光熔化，其中激光或其他小型热源将粉末熔化到表面上并立即熔化。一些机器制造商和服务提供商在此过程中取得了成功。然而，雄克采取了不同的方法……

Schunk采取的是粘结剂喷射3D打印技术，这种粘结剂喷射方法的一大优点是不需要粉末床中的支撑结构，因此可以在彼此的顶部打印许多零件。除了粘接剂喷射成型技术外，Schunk还使用与金属粉末注射成型MIM相同的工艺和设备，这些工艺和设备已在数十年的大规模生产中得到证明。

作为汽车零件供应商，Schunk需要一种不仅适用于原型制作，而且适用于批量生产的 3D 打印技术。金属粘结剂喷射使Schunk每天可以一次打印数千个零件。然后在Schunk的连续炉中进行脱脂和烧结。这使得每个零件的平均周期时间可与所有其他高效的批量生产过程相媲美。这就是使这个过程如此有吸引力的原因。

根据3D科学谷的了解，Schunk目前与一家机器制造商一起开发了一个 3D 打印的铜部件来优化他的机器的性能。在这里，3D 打印的设计自由度使Schunk能够在组件内部创建不可见的冷却通道。在这里，Schunk利用了铜非常好的导热性以及电子元件传统上所需的导电性。

铜金属的3D打印技术© 3D科学谷《铜金属3D打印白皮书》

Schunk还为MIM系列生产制作了许多测试样品，以减少加工和测量的项目时间。例如，通常使用 MIM 工艺生产的基板。同样，客户可以从最大的设计自由度中受益，无需模具成本，可实现快速交付。

© Schunk

在此期间，Schunk已经能够使用 3D 打印来实现与传统工艺相同的材料特性。这一成功引起了Schunk汽车和航空航天行业客户的极大兴趣，他们希望使用Schunk的技术用于每年约 10,000 至 50,000 件的中型批量生产。

 纤维增强复合材料的 3D 打印

纤维增强材料的增材制造具有挑战性。有多种不同的方法，每种方法都有自己的应用。为了使用 3D 打印生产连续纤维增强材料，Schunk 希望更进一步。

基本上，塑料的 3D 打印与“熔融沉积建模”或“熔融长丝制造”一起工作。在这些过程中，打印头将熔化的塑料细丝按路径逐层施加到选定区域。纤维增强是通过将短纤维（<1 毫米，约 300 微米）混合到长丝或复合物中获得的。

更大的挑战是用连续纤维打印。在此，在打印过程中将纤维插入塑料长丝中或将连续长丝渗入。在每个打印层或线的末端，纤维被切断。也可以使用具有连续纤维的热固性树脂，例如通过紫外线照射使树脂固化。

所有这些技术都令人着迷，并为碳纤维增强塑料开辟了新的应用领域，但Schunk想更进一步。

这Schunk的目标是使用碳纤维增强碳 (CFC) 的连续纤维增强材料进行 3D 打印。在这种材料中，树脂在至少 1,000 摄氏度的高温工艺步骤中转化为碳。此类具有多种变体的材料系列广泛用于高端应用，是 Schunk 的专长。为此，Schunk与初创企业和研究机构合作，开发正确的加工工艺，并将增材制造的新设计自由度用于连续纤维增强碳。

不过要充分利用新的自由度来塑造和开发用于 3D 打印的零件，还有很长的路要走。Schunk已经开始批量生产零件，销售额也在稳步增长。Schunk今年将推出 IntrinSiC-B4C陶瓷材料，是航空航天、车辆保护和身体保护等复杂保护应用的完美选择。严格的公差是Schunk目前正在探索的另一个领域。

新材料与新工艺的结合，将诞生全新的市场机遇，3D打印-增材制造正在向多维度的深化层面发展。

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在热交换器和散热器的3D打印领域，国际和国内企业都颇为积极，3D科学谷判断，这些前沿性的研究将推动下一代热交换器和散热器的出现，尤其是在消费电子、航空航天和汽车应用领域。

汽车及交通领域冷却能源系统开发领域的知名企业PWR公司与中国3D打印企业易加三维正式建立了深度合作关系，双方基于面向增材制造的设计以及易加三维增材制造技术，共同开发下一代铝合金3D打印热交换产品。

3D打印铝合金散热器样件©易加三维

设计、制造、材料的全面合作

金属增材制造技术在散热、冷却产品上的应用价值近几年开始受到关注，增材制造热交换器/散热器，具有密封性更好、更加轻量化、散热效率提升等方面的优势，可以在不增加体积的情况下尽可能增加散热器的表面积，或者在改善散热效果的同时缩减散热器的尺寸。

基于技术的可行性和应用端客户的迫切需求这样双重因素的推动，PWR公司先后与多家行业内的金属增材公司有过接触，开始尝试用金属增材制造的方式生产铝合金散热器。

PWR公司是汽车与交通领域冷却能源系统开发的世界知名企业，在欧洲和美国设有分公司，并于2015年在澳大利亚本土上市（股票代码代码PWH）。公司专业提供冷却系统设计、制造和测试服务，为F1、NASCAR、V8超级汽车、德国Tourenwagen大师赛和世界拉力锦标赛等车队或品牌汽车提供散热器、冷凝器等设计制造。PWR在高性能冷却方面被公认为世界领先。

3D打印铝合金散热器样件效果图©易加三维

PWR与易加三维于2019年开始建立联系，并提供了散热器的设计，要求做金属3D打印散热器的测试。测试件是一种方形散热器，PWR 通过检测壁厚、表面光洁度、散热性能等数据，来测试多家金属增材制造设备的性能，从而决定购买哪个品牌的3D打印机。

基于易加三维在金属增材制造领域的技术积累和工艺经验，易加三维快速完成了测试件的打印和寄送工作。仅10天，PWR公司就收到了首批打样的测试件。

 挑战与解决方案

PWR 设计的3D打印铝合金散热器外部结构与内部结构具有不同的壁厚，零件内部的散热片壁厚较薄，在进行打印时内部散热片易产生变形弯曲现象。

制造散热器的EP-M250 Pro双激光金属3D打印机，配备自主开发的工艺参数软件-EPHatch，易加三维通过该软件优化打印参数，对内部薄壁部分采用不同的优化打印参数，并针对内部散热片变形弯曲现象，优化改变打印策略和协调优化打印参数。此外，易加三维通过优化散热器下表面打印参数，在无需添加支撑结构的条件下获得高质量的下表面。

 建立合作

PWR公司对每个样件都进行了严格检测。结果显示，易加三维的测试件性能完全符合他们的交付标准，并且各个样件的性能均衡一致。在此基础上，PWR 积极促成了双方的进一步合作，设备采购也由此提上了日程。双方很快签订了合作协议。同年6月，一台易加三维的EP-M250 Pro双激光金属3D打印机顺利抵达PWR公司的澳大利亚总部；同年7月，该设备成功装机后投入使用。

增材制造技术在热交换/散热产品上的应用可以达到怎样的深度和广度，其真正考验不仅仅在于设计端与制造端的紧密沟通与协作，而且在于增材制造设备的工艺质量是否能够达到一致可控。

对此，PWR和易加三维双方都表达了积极的信心，并将在以下几个方面展开合作：

1. 实施面向增材制造的智能设计工作流程，通过拓扑优化、仿真分析等数字化设计手段，全面发挥增材制造技术优势；
2. 基于汽车冷却系统研制的成果经验，积极探索航空航天、消费电子等领域的散热、冷却产品的开发；
3. 不断测试并研制更加适合热交换产品增材制造的金属材料，使产品性能更上台阶。

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陶瓷增材制造企业Lithoz 推出了复合材料3D打印机，能够实现陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属、陶瓷与聚合物的多材料增材制造。本期，3D科学谷将与谷友们共同来了解一下这一技术。

CeraFab Multi 复合材料3D打印设备运行与应用场景© Lithoz

不同特性在同一零件中的深度探索

具有不同成分和/或微观结构的特殊类型高级复合材料，也被称为功能梯度材料（FGM）和功能梯度结构（FGS）。无需进行后道的连接或组装，即可实现高度复杂的形状与不同材料相结合的结构，非常适用于替换传统分体式设计的组装部件。

Lithoz 一直在开发突破性的复合材料3D打印技术。Lithoz全新推出的多材料3D打印机CeraFab Multi 2M30，在进行增材制造时不再局限于单项材料。

CeraFab Multi 可以实现的复合材料的潜在结构设计组合© Lithoz

CeraFab Multi 2M30 3D打印机可在单个组件中对陶瓷、金属和聚合物等不同材料及其特性进行组合处理。

CeraFab Multi 2M30 复合材料3D打印设备© Lithoz

CeraFab Multi 2M30的成型舱由两个料盘系统组成。两个独立的料盘系统意味着陶瓷可以与其他陶瓷、聚合物或金属结合。料盘系统根据要求在投影系统上移动，料盘的底部是透明的，允许光源从下方对包含光敏树脂的浆料进行曝光。

打印平台在成型过程中上下移动，而在切换材料时料盘系统会对应切换到成型平台的下方。创新的双料盘系统不仅提高了材料切换的速度、准确性和有效性，同时配备的全自动清洁系统也避免了材料更换过程中的交叉污染。

用不同陶瓷材料一次成型的3D打印零件© Lithoz

Lithoz 复合材料3D打印的一个关键步骤是对所选材料进行一体化烧结。各组分的烧结收缩行为同时也与浆料开发的各类因素有关，如固含量、粒度形状和分布等。Lithoz也正在与客户不断合作探索，确保多材料组件有更好的共烧结工艺。

基于陶瓷的复合材料3D打印应用案例© Lithoz

理论上这台复合3D打印机可以进行各种完全不同的特性在同一零件组合的深度探索：如不同的致密度、不同的硬度、不同的透明度、不同的生物相容性、不同的导电性和磁性、颜色变化组合等。这为众多的应用领域，如电子和嵌入式传感器、生物医学的植入物、航空航天、汽车以及能源系统等，都提供了全新解决思路。

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3D打印技术（增材制造）除了可以打印有机材料如尼龙、塑料、树脂外，还可以打印不锈钢、铝合金粉末、钛合金粉末和钨合金粉末等。就钨粉末来说，增材制造虽然能有效弥补粉末冶金工艺的不足如不能制造形状复杂的零部件、产品综合性能一般等，但这幷不能意味着使用该方法制造的产品就完美无瑕了，在一些领域应用仍然会受到限制。因此为了满足更多的客户需求，增材制造出来的钨制品常需要做后处理。那后处理工艺有哪些？

1、打磨：其是最常用的抛光方法。3D打印技术虽然有很高的精度，但是幷不能避免逐层堆积的纹路，因此需要用磨砂纸或其他磨光机进行打磨。

2、表面喷砂：操作者手持喷嘴对准钨制品进行抛光，机器通过高速喷射小珠能将模型表面处理光滑，而且速度快。

3、震动抛光：原理是通过模型与介质之间的碰撞摩擦实现抛光。

4、Retouch 3D：Retouch 3D是一个电加热工具，其工具头被加热到高温后，再去接触需要抛光的位置，就能达到抛光的效果了。

5、粘合：拆件打印是需要粘合的，先用胶水涂抹需要粘合的部件，再用橡皮圈绑定，这样粘合后的产品就能避免间隙或接触处粗糙的情况。

6、上色：采用3D打印技术制造出来的钨零部件一般是灰黑色，因此如果想要其它颜色，则需要上色。

7、电镀：可以让钨零部件表面层获得更多的功能如抗氧化性、耐磨性等，同时还能修复原先的瑕疵。

I 文章来源：中钨在线

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钽金属3D打印椎体外观图© 腾讯慧政陕西

促进钽金属3D打印假体经济与普适性

37岁的李桦（化名）来自陕西省宝鸡市，因进行性背部疼痛严重影响生活质量，来到西京医院骨科就诊。

多学科专家团队会诊后，确诊为胸9-11椎体恶性肿瘤病理骨折并脊髓受压，决定为其实施三节段脊椎肿瘤后路整块切除。脊椎恶性肿瘤的后路整块切除，对于彻底切除肿瘤、降低复发、解除脊髓压迫具有重要意义。与单节椎体整块切除不同，多节段整块切除手术难度更大、风险更高，长节段脊柱缺损重建更易发生并发症。

球形钽粉微观图© 腾讯慧政陕西

钽金属是目前医学界公认生物相容性最好的人体硬组织植入材料，多孔钽弹性模量与骨组织相似，远低于钛合金，且具有明显的骨长入优势和抗感染能力。然而，由于钽金属熔点高和钽粉价格高的特点，使钽金属的3D打印增材制造在技术和经济层面都有困难。

西京医院骨科李靖副教授团队联合相关科研院所和装备研发公司，在陕西省重大智能制造专项的支持下，以临床应用需求为牵引，开展数字化建模，生物力学设计研究。在此基础上，通过采用大功率等离子旋转雾化制粉装备，制备出价格适中的高品质球形钽粉。

与此同时，进一步在自主研发的国产高精度电子束3D打印装备上，解决了高熔点钽金属精准熔化的难题，快速高效打印出个体化钽金属假体，为骨缺损增材制造中的异形性、骨长入和力学问题提供了解决方法。

为了对李桦的脊椎恶性肿瘤切除后缺损进行精准重建，科研联合攻关团队根据CT 数据设计个体化长节段椎体并完成钽金属椎体的3D打印。

手术当日，李靖副教授主刀实施三节段脊柱肿整块切除，同时采用3D打印的钽金属椎体进行支撑重建。由于个体化设计假体的良好匹配，重建过程非常顺利，手术全程4小时完成。术后李桦脊髓压迫完全解除，神经功能恢复正常。术后一周下地自由行走，对功能恢复满意。

据西京医院骨科主任罗卓荆教授介绍，此次西京医院骨科团队与跨界学术团队交叉融合，完成钽金属3D 打印长节段人工椎体的临床应用，制备出价格适中的高品质球形钽粉，解决了高熔点钽金属精准熔化等难题。相信在不久的将来，个体化和组配式钽金属3D打印假体能够在经济和普适性方面得以大幅提高，在为广大患者解决病痛的同时，为骨科硬组织修复重建贡献解决方案。

l 文章来源：腾讯慧政陕西（陈国景）

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尤其是在高温、高压、高速等极限环境下，高熵合金制造成的金属零部件可以维持较好的力学性能。此外在恶劣的气候环境、腐蚀性溶液、强动态载荷条件下，高熵合金的性能都表现极为优异。由此高熵合金在海洋工程、核工业、发动机工业、硬质刀具工业都有着广泛应用空间。

促进高熵合金增材制造应用

为了规范增材制造行业，国家计划修订了一系列的相关标准予以指导。

增材制造用高熵合金粉是增材制造高熵合金的重要原料，同时采用增材制造技术可以开展小批量、复杂形状的高熵合金零件的开发和制备。采用增材制造技术制备的高熵合金零部件，其晶粒细小、组织成分均匀，可以有效解决传统制备高熵合金材料结晶组织粗大，内部易形成疏松和成分偏析的弊端，还可以大幅加快新品开发速度和响应时间，促进高熵合金在各个领域广泛应用。

所以，国家就增材制造用高熵合金粉检测标准也在着手制定。

高熵合金粉的关键性能检测指标和工艺性能参数主要有化学成分、粒度、松装密度、振实密度、流动性等指标 。增材制造工艺需要实现致密化成形，不同的增材制造工艺对粉末的粒度有不同的要求，而且粉末的化学成分、松装密度、振实密度、流动性等性能指标不仅会影响增材制造工艺过程，并且也会对最终成形坯体的显微组织、力学性能、尺寸精度、表面质量等产生影响。

l 化学成分分析

目前批量化生产增材制造用高熵合金粉末的牌号主要有 FeCoNiCrMn，FeCoNiCrMo，FeCoNiCrAl，FeCoNiCrTi，FeCoNiCr。其中这五种高熵合金化学成分中各主元素按照等原子比构成，然后换算成对应的质量百分数；杂质元素主要包含氧、氮气体元素以及碳、磷、硫等杂质。通过调研相关单位生产的高熵合金粉末化学成分报告以及实际应用需求设置恰当合理的化学成分范围。其中产品中主元素 Fe、Mn、Ni、Mo、Co、Cr、Al、Ti 以及杂质元素 C、S、P、O、N 含量分析按供需双方协商确定的方法进行。

l  粒度检测

不同工艺所制备的高熵合金粉的粒度区间有差别，但可通过筛分进行粒度级配。参考不同高熵合金粉的用途、粒度组成、粒度范围、粒度分布，我们可以把粒度分为两大类别，具体如下：

第Ⅰ类要求：F适用于选区激光熔融增材制造领域的，选区激光熔融增材制造技术多用于制造尺寸较小、表面光洁度要求较高的精密零件，需要使用尺寸小于 63μm 的较细的高熵合金粉末，因为通常细小的粉末可以直接获得精度高、表面光洁度好的零件，所以该领域粉末粒度范围为≤63μm，粒度组成为：＞63μm 不大于 5%，D10为 15μm～25μm；D90 为 50μm～65μm；

第Ⅱ类要求：F适用于激光熔覆、电子束熔化增材制造领域的，该技术激光、电子束能量密度高，可熔化粉末粒径要大于选区激光熔融增材制造技术所需粉末，且制造效率更高，该技术领域所需粉末粒度范围为 45μm～150μm，粒度组成为：≤45μm 不大于 5%，＞150μm 不大于 5%，D10 为 40μm～55μm；D90 不大于 160μm；

l 松装密度检测

粉末松装密度是粉末在规定条件下自由充满标准容器后所测得的堆积密度，即粉末松散填装时单位体积的质量，是粉末的一种工艺性能。松装密度是粉末多种性能的综合体现，可以反映出粉末的密度、颗粒形状、颗粒密度和表面状态、粉末的粒度及粒度分布等。粉末颗粒形状越规则、颗粒表面越光滑、颗粒越致密，粉末的松装密度会越大。通常情况，松装密度随颗粒尺寸的减小、颗粒非球状系数的增大以及表面粗糙度的增加而减小。

松装密度检测要求：

Ⅰ类要求：FFeCoNiCrMn 松装密度不小于 3.8g/cm3，FeCoNiCrMo 松装密度不小于 4.2g/cm3，FeCoNiCr 松装密度不小于 4.0g/cm3，FeCoNiCrAl、FeCoNiCrTi 松装不小于 3.2g/cm3；

Ⅱ类要求：FFeCoNiCrMn 松装密度不小于 4.0g/cm3，FeCoNiCrMo 松装密度不小于 4.4g/cm3，FeCoNiCr松装密度不小于 4.2g/cm3，FeCoNiCrAl、FeCoNiCrTi 松装不小于 3.4g/cm3；

l 振实密度检测

振实密度是粉末在容器中经过机械振动达到较理想排列状态的粉末密度，其相对于松装密度增大的百分数是粉末多种物理性能，如粉末粒度及其分布、颗粒形状及其表面粗糙度、比表面积等的综合体现。粉末振实密度越大，说明粉末的相对流动性越好。

松装密度检测要求：

Ⅰ类要求：FeCoNiCrMn 振实密度不小于 4.4g/cm3，FeCoNiCrMo 振实密度不小于 5.0g/cm3，FeCoNiCr 振实密度不小于 4.4g/cm3，FeCoNiCrAl、FeCoNiCrTi 振实不小于 3.8g/cm3；

Ⅱ类要求：FFeCoNiCrMn 振实密度不小于 4.6g/cm3，FeCoNiCrMo 振实密度不小于 5.2g/cm3，FeCoNiCr松装密度不小于 4.6g/cm3，FeCoNiCrAl、FeCoNiCrTi 振实不小于 4.2g/cm3；

l 流动性检测

流动性是指以一定量粉末流过规定孔径的标准漏斗所需要的时间，通常采用霍尔流速漏斗，流动性单位为 s/50g，表征粉末流动的难易程度，数值越小流动性越好。粉末的粒度、湿度、静电以及粉末是否为球形均会影响粉末的流动特性。无论对于铺粉还是送粉的增材制造工艺，粉末的流动性均会影响增材制造过程和制件性能。具体要求如下

以上就是国家计划对增材制造用高熵合金粉要求的检测指标。由于此前国内并没有增材制造用高熵合金粉的相关国家标准或行业标准，而且国外也没有相关标准可供参考。所以，此次对高熵合金粉标准制定尚属首次。但是，高熵合金制造的产业和技术在中国已经相当成熟稳定，根据相关企业标准和技术资料，此次制定的国家标准在指标要求也是远超国际市场上的产品质量要求， 所以相关企业可以参考以上指标，对自家产品进行质量把控。

l 文章来源：拜恩检测

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随着此款高性能聚合物产品的诞生，赢创将持续挖掘增材制造的可观潜力，为个性化医疗提供更多新的可能。

赢创推出可与身体接触长达30天的新型3D打印PEEK长丝VESTAKEEP® Care M40 3DF，可满足医疗领域更多个性化诊疗需求。

© 赢创

 用于个性化医疗的生物材料

基于高性能聚合物VESTAKEEP® Care M40，赢创打造出Care医疗级PEEK长丝。

作为3D打印PEEK长丝产品线的最新开发成果，本次推出的产品具有良好的生物相容性、出众的耐温性与耐化学性、优异的可灭菌性以及易加工性。其潜在应用领域包括定制助听器、丝网状假体与矫具、用于牙科或个性化外科手术器械的钻孔辅助工具等。

VESTAKEEP® Care M40 3DF长丝的直径为1.75毫米，重约500克，整齐地缠绕在蓝色丝盘上，可直接用于标准规格的PEEK材料FFF/FDM 3D打印机。这种长丝在洁净车间生产，并遵循严格的医用材料质量管理规定。

《3D打印与塑料白皮书第二版》© 3D科学谷

 创新材料促进医疗技术的革新

“继用于3D打印永久性接触医疗植入物的VESTAKEEP® i4 3DF长丝获得商业成功后，我们推出此款Care医疗级新品，进一步提升相关产品在个性化医疗中的应用潜力。”赢创医疗器械与系统细分市场主管Marc Knebel表示，“如果要进一步开发医疗领域的应用，提升病患生活质量，可用的材料品种应当更加丰富。针对这一需求，我们将持续开发更多具有优异特性的3D打印生物材料产品。今年，我们计划推出一款具有骨传导特性的创新PEEK长丝VESTAKEEP® Fusion，这一材料能够让骨细胞更快地依附于植入物。我们的目标是以创新材料解决方案促进医疗技术的革新。”

二十多年来，作为增材制造领域全球领先的高性能聚合物及添加剂制造商，赢创提供业内最丰富的GMP级生物材料组合，用于与人体短期或永久性接触医疗器械的3D打印。除了VESTAKEEP® i4 3DF和VESTAKEEP® Care M40 3DF之外，赢创提供的可用于医疗植入物3D打印的生物材料还包括RESOMER®生物可吸收长丝、粉末和粒料。

l 文章来源：赢创

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金属3D打印技术能够制造复杂的功能集成零部件，这一优势在铜金属制造领域也同样能够得到体现。关于铜的3D打印技术呈现出越来越经济多样的发展态势。

本期，3D科学谷与谷友们一起来听德国通快针对铜激光增材制造应用进行的技术分享。

绿光3D打印在电感线圈和散热器上的应用© 通快-TRUMPF

铜含量>99.9%

3D打印-增材制造的铜组件特别适合于对热交换和导电性能要求高的组件的制造。在通快视频中分享的带有内部冷却通道的3D打印铜散热器即为热交换领域的典型应用。

目前国内外的选区激光熔化金属 3D 打印设备主要采用波长为1064纳米的红外光光纤激光器，而通快 TruPrint 1000 绿光版使用的是波长为515纳米的绿光激光器 TruDisk 1020。

德国Fraunhofer IWS 研究所通过通快绿色激光系列TruPrint1000设备3D打印的带有复杂设计的铜组件。

© Fraunhofer IWS

由于铜的导热性和反射率非常高，这使得铜金属特备是纯铜难以通过常规 3D 打印有效成型，铜在室温下对近红外光的吸收率仅为 5%，这意味着加工窗口十分的窄，很难找到完美的参数，加工效率也非常慢，制件无论是力学性能还是导电率都受到很大的限制。另外，95% 的能量反射对于设备本身的伤害也是巨大的，铜对绿色激光的吸收率很高，接近 40%，足足是近红外激光的8倍，好的吸收率意味着比较宽的加工窗口，制件力学性能和电导率都大大提升，反射率的减少可以使得加工过程更加稳定而且高效。

通快的 TruPrint 1000 绿光版采用指定铜含量大于 99.9% 的高导电纯铜ETP（EN CW004A），能够实现 100% IACS 的电导率和远低于 0.5% 的孔隙率。与红外激光的 3D 打印设备相比，使用 TruPrint 1000 绿光版能够以更大的工艺窗口、更高的生产率制造例如 CuCr1Zr 铬锆铜等铜合金零件。

l 文章来源：通快

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