在骨科医疗器械一站式增材制造中经济、高效的实现质量控制，也是合约制造商向客户传递价值的重要组成部分。本期，3D科学谷将分享的是骨科植入物合约制造商 Croom Precision Medical （CPM）在增材制造植入物生产与质量控制方面所做的努力，以及他们所采用的完整增材制造工艺链解决方案。

CPM 3D打印植入物。来源：Renishaw

 整个增材制造周期中，实现植入物可追溯性

骨科植入物合约制造商 Croom Precision Medical 致力于提供骨科医疗器械，如：股骨植入物、胫骨植入物、髋臼杯、肩关节置换植入物等。合作的客户包括ZIMMER BIOMET（捷迈邦美）, DePuySynthes（强生旗下）等著名骨科医疗器械企业。

Croom Precision Medical 使用先进技术与先进设备，保证生产效率及提供高品质的产品。在CPM 投资的制造设备中，粉末床激光熔化金属增材制造设备已成为其中一项重要组成部分。根据CPM， 对于增材制造技术的投资，使他们在国际市场上赢得了东亚和北美的更多市场份额。

RenAM 500M AM系统正在制造髋臼杯。来源：Renishaw

由于医疗器械与患者健康及生活质量息息相关，因此至关重要的是，在植入过程中和植入后均应采用严格的质量规程，从而实现医疗设备的安全性和有效性。作为骨科医疗设备制造企业，CPM 希望保持产品的质量一致性和可靠性。CPM运营包含ISO 9001，ISO 13485和ISO 14001认证的集成管理系统（IMS），为了证明符合标准，CPM必须在制造过程的每个阶段都保持制造的透明性和可追溯性。

CPM 从2007年开始引入增材制造（3D打印）技术，在增材制造和材料的研发方面拥有10多年的经验。2017年，CPM投资了多台选区激光熔化3D打印设备，用于生产获得FDA批准的植入物。CPM 所能够进行增材制造的材料包括钛、不锈钢和铬镍铁合金材料。

CPM投资了RenAM 500M增材制造系统，将其用于钛合金骨科医疗器械的生产。雷尼绍的增材制造系统所采用的选区激光熔化工艺，能够在一个制造工序中生产复杂的结构，例如制造具有点阵结构的髋臼杯。CPM 已经开始评估一种带有螺旋形式的点阵结构。根据雷尼绍，最终的植入物经过了CPM严格的质量测试，表现出出色的密度和杨氏模量值。

骨科植入物的设计仍在迅速的发展当中，骨科制造商在近年来将越来越多新颖而复杂的结构纳入到植入物设计中，通过设计提升植入物的性能和寿命。金属3D打印技术也是实现这类创新性植入物的重要制造手段，而用传统的制造技术制造这样的结构则极具挑战性，并且在经济上并不总是可行的。

Renishaw OSP60探针进行过程中检查。来源：Renishaw

除了通过3D打印技术实现创新性的设计，保持增材制造产品的质量一致性、可靠性、可追溯性，也是制造商增强竞争力的重要因素。

CPM 测试植入物的化学、机械和形态特性。虽然这些测试对于测量植入物的机械和化学一致性至关重要，但可能很耗时并且会增加单件植入物的成本。CPM的希望改变这种方式，降低单件制造成本。

雷尼绍PH10三坐标测量机测头进行加工后检查。来源：Renishaw

雷尼绍的过程中控制软件为CPM 提供了能够证明增材制造植入物质量的必要信息，信息包括组件构建报告到后期处理，因此CPM 可以在整个制造周期中实现3D打印植入物的可追溯性。

为了提高零件的质量和一致性，CPM 还选择雷尼绍作为精密计量的合作伙伴，在制造完成后的测试和零件验证环节中也采用了雷尼绍的技术。

医疗是增材制造技术得以应用发展的前沿行业之一，并在未来仍有很大增长空间，CPM将雷尼绍视为推动增材制造技术进步的战略合作伙伴。在接下来的几年中，CPM将继续运用从严格的开发流程中获得的专业知识，并与骨科医疗器械客户和医疗器械监管机构紧密合作，推动增材制造技术的发展、支持医疗技术的进步。

 3D科学谷Review

从全球来看，3D打印髋臼杯与脊柱植入物（尤其是融合器）的商业转化已取得了显著的成果。下图显示了全球范围内典型的3D打印髋臼杯产品，3D打印髋臼杯的商业化最早在2007年就开始了。

3D打印髋臼杯商业化进展。来源：3D科学谷《3D打印与骨科植入物白皮书3.0》

2019年以来，中国骨科3D打印植入物的商业转化出现了明显的加速跑趋势，背后的推动力来自于增材制造设计、制造解决方案的发展，骨科医疗器械及医疗机构在创新上所做的努力，医疗监管机构对技术审查、产品审批的引导，以及行业协会与骨科产业链共同推动的标准。

3D科学谷在《3D打印与骨科植入物白皮书3.0》中，对3D打印骨科植入物的商业化发展情况做了细致分析，包括全球已商业化的产品、中国已商业化的产品，一站式的增材制造解决方案、由3D打印技术催生的新兴商业模式。白皮书还对骨科3D打印植入物商业化的推动因素进行了分析，包括不断优化的增材制造解决方案、标准与审批指导原则等。敬请关注近期的白皮书发布。

白皮书下载，加入3D科学谷产业链QQ群：529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，长期转载授权请留言

雷尼绍积极响应英国政府的号召，致力于大幅提高呼吸机产量，用于治疗患有呼吸系统并发症的新型冠状病毒肺炎患者。在短短几周内，英国对呼吸机的需求量飙升至几万台。然而，呼吸机中包含数百个零件，这些零件的供应链复杂、冗长，尽管呼吸机制造商和新加入的工业制造商已投入了生产，但协调整个供应链的紧急交货能力是一个高难度的工程。此时，正是3D打印技术能够发挥优势的时刻。

雷尼绍的响应工作由集团战略发展总监Marc Saunders领导。他表示：“当政府联系我们时，我们积极响应政府的号召，虽然我们明白这项挑战的艰巨性。呼吸机是非常复杂的医疗设备，但是我们相信利用我们的自身优势及现有技术定能帮助扩大呼吸机的生产规模。雷尼绍和许多其他工业企业不谋而合，意识到大家需要同心协力将产能联合在一起，以实现这一巨大目标。”

在短短几天内，雷尼绍与航空航天、汽车、医疗设备和赛车领域的领先企业组成了VentilatorChallengeUK联盟，并由英国制造业研究中心集团高价值制造弹射中心 (High Value Manufacturing Catapult) 首席执行官Dick Elsy领导。雷尼绍将提供在3D打印方面的专业知识。这个多元化联盟正在通过不懈努力提升NHS选出的两款成熟可靠的呼吸机的产量。

这两款呼吸机由Penlon公司和Smiths Medical公司在英国本土制造。Dick Elsy说：“正常情况下，Penlon和Smiths两家公司每周合计产出50至60台呼吸机。现在，依托联盟的规模和资源优势，我们的目标是在数周之内将Penlon和Smiths生产的两种机型的每周产量提高到至少1,500台。呼吸机是高度精密复杂的医疗设备，我们必须在交付速度与绝对遵守监管标准以确保患者安全这两项要求之间取得平衡，这一点至关重要。”

雷尼绍加入该联盟组织的供应商网络，该网络中许多供应商与雷尼绍一样是首次制造呼吸机零部件。每台呼吸机包含数百个各式各样的零部件，而批量生产呼吸机时需要将数百万个零件组装在一起，这是一项庞大的后勤工作。

雷尼绍集团制造服务总监Gareth Hankins说：“为了当前的任务做好准备 — 包括呼吸机项目和服务关键供应链中的全球客户，我们上周暂时关闭了英国本地的生产设施，以采取相关措施保障员工的利益。” 他继续说道：“我们对工厂进行了重组，增加了间距并且划分了区域，限制员工在工厂周围移动。我们还加强了卫生管理，大大减少感染传播的潜在风险。我们的员工正在积极地应对这一挑战，我们很高兴看到工厂恢复运转，为‘呼吸机行动’贡献一份力量。”

Marc Saunders说：“这是非常不寻常的几周，来自不同领域的众多企业迅速有效地团结起来，共同致力于同一个目标。VentilatorChallengeUK联盟正以惊人的决心和资源全力提高急需呼吸机的产量，助力抗击影响人类的病毒。”

他总结说：“该联盟的口号是‘每生产一台呼吸机，多挽救一条生命’，雷尼绍为在这项重要工作中做出贡献而感到自豪。”

文章来源：雷尼绍

白皮书下载，加入3D科学谷产业链QQ群：529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，长期转载授权请留言

Cobra Aero，位于美国密歇根州

为优化发动机气缸设计，Cobra Aero向雷尼绍寻求增材制造专业技术支持。Cobra Aero访问了雷尼绍在美国的增材制造解决方案中心，并且与雷尼绍的工程师一起采用增材制造技术优化了无人机 (UAV) 的气缸设计。

借助增材制造技术，Cobra Aero不仅设计出一种网状结构以增加空气流量，而且制成一个一体式轻量化零件。

Cobra Aero设计出一种网状结构以增加空气流量

“掌握最先进的制造工艺对于Cobra Aero非常重要，”Cobra Aero总裁Sean Hilbert表示。“投资购入增材制造系统后，我们针对许多高价值、小批量应用开发了多种工具和新型产品，不仅加快了制程，而且能够将传统切削式加工技术无法实现的设计制成实物。”

Hilbert先生继续说道：“鉴于气缸对于发动机的重要性，我们决定重新设计气缸。由于气缸的设计变更必须快速，而且它是一个高价值零件，因此我们决定采用增材制造技术制造气缸。气缸性能改进将进而提高发动机的整体性能。”

Cobra Aero的增材制造零件测试设施

雷尼绍增材制造业务拓展经理Stephen Anderson表示：“Cobra Aero采用金属增材制造技术专门针对这一应用设计出一个零件。使用我们的激光粉末床熔融技术，Cobra Aero制造出一个具有复杂网状结构的一体式零件，而且性能比使用传统制造技术制成的零件更优。”

文章来源：雷尼绍

白皮书下载，加入3D科学谷产业链QQ群：529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，长期转载授权请留言

或许在平时，3D打印技术并不是这些产品的最佳生产方式，然而在非常时期，3D打印无需模具、快速成型的技术优势得以发挥，快速、灵活的响应医疗物资生产需求。

随着全球疫情的蔓延，近期全球多国将会面临着呼吸机的紧缺。在呼吸机传统供应链受到严峻挑战的情况下，3D打印技术将再次发挥作用，用于呼吸机零部件的快速生产。本期，3D科学谷分享的是近期3D打印技术在呼吸机快速生产中应用，这些应用体现了3D打印技术在无模具快速生产和分布式制造方面的优势。

 疫情下的快速响应能力

呼吸机是一种能人工替代自主通气功能的有效手段，是一种能够起到预防和治疗呼吸衰竭，减少并发症，挽救及延长病人生命的至关重要的医疗设备，在新冠疫情的治疗中，呼吸机也是非常重要的生命支持设备。

在欧美等多地区感染患者急剧增加的情况下，呼吸机的需求缺口已非常明显。世界上最大的呼吸机制造商之一，瑞士汉密尔顿医疗公司近日对外表示，尽管他们以最快的速度生产和运输呼吸机，但当意大利订购4000台机器时，汉密尔顿只能交付400台。

意大利企业通过3D Systems ProX SLS 6100 3D打印机和DuraForm材料制造的呼吸阀。

前不久，一家意大利医院为新冠肺炎重症患者配备使用的氧气面罩呼吸阀即将耗完。在医院无法从原厂获得呼吸阀的情况下，当地一家制造企业使用3D打印机在一天之内制造了100个呼吸阀，以快速、低成本的方式响应了这家医院的紧急需求。

3月份以来，为了应对呼吸机的紧缺，国际上很多知名工业制造企业、3D打印企业加入到了呼吸机零部件制造行列，通过快速生产呼吸机零部件, 制造应急呼吸机的方式支持抗击疫情工作。

上周英国《金融时报》报道，航空航天制造企业和汽车制造汽车组成了三个工程联盟，计划在开发出一种基本呼吸机原型，接下来的目标是尽快制造5,000台呼吸机，最终目标是再制造30,000台，预计将在一个月内开始生产。根据路透社的报道，德国大众、法拉利、日产等汽车制造商应邀加入了呼吸机等医疗设备的生产行列，尽力提高呼吸机交付能力。

然而，呼吸机中包含数百个零件，这些零件的供应链复杂、冗长，尽管呼吸机制造商和新加入的工业制造商已投入了生产，但协调整个供应链的紧急交货能力是一个高难度的工程。此时，正是3D打印技术能够发挥优势的时刻。

据3D科学谷的市场观察，在航空航天工程联盟企业中，吉凯恩（GKN）与雷尼绍（Renishaw），将提供在3D打印方面的专业知识。德国大众也成立了特别工作组，对3D打印技术如何制造医院呼吸机零件和其他医用物资进行技术研究。

采用3D打印组件的Leitat简易呼吸机

此外，欧洲一个包括工程企业Leitat、3D打印企业HP和医疗机构的联盟，已经测试了首款大型3D打印呼吸机原型Leitat-1，该设备具有工业可扩展性的特点，在未来一周内可达到每天50至100台的生产能力。联盟团队将3D打印呼吸机的设计和零部件进行了尽可能的简化设计，在保证坚固耐用的情况下，简化生产和组装过程。目前这款3D打印呼吸机已经过了医学验证，当地医疗监管机构表示，生产工作应该立即开始。

HP 作为Leitat 呼吸机开发项目中一家拥有工业级多射流熔融3D打印技术的企业，已动员公司内部3D打印团队和HP 数字制造合作伙伴网络设计、验证和生产用于医疗响应者和医院的必要零件，包括通风阀，呼吸过滤器和口罩扣等零件。

开源呼吸机项目中设计的3D打印应急呼吸机

同期，爱尔兰的一家组织发起了开源呼吸机（OSV）项目，该项目目标是开发与新冠状病毒疫情治疗相关的医疗用品。至今，该组织已经组成了一个由工程师、设计师和医疗从业人员组成的团队，开发一种简单、可靠、安全易用的现场应急呼吸机。这种呼吸机主要由3D打印部件组成，并使用袋式阀罩（BVM），易于通过获得认证的组件进行批量生产。

在疫情下，3D打印技术缓解了呼吸机零部件供应所面临的交期挑战。在以上这些应急呼吸机零部件开发项目中，3D打印技术满足无需模具、小批量快速生产、分布式制造方面的优势凸显，这也是3D打印技术已被飞机、轨道机车、巴士汽车制造商作为备用零件生产技术的重要原因。

白皮书下载，加入3D科学谷产业链QQ群：529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，长期转载授权请留言

 背景

Egan位于英国，主要服务于牙科医生，提供各式各样的钴铬合金支架，小到单颗义齿，大到全口义齿。

“我们团队小而精，技师才能出色，擅长制作高端假体，”Egan Dental Laboratory总裁Gill Ega说。“我们与临床医师一对一合作，致力于提供最优服务。”

Egan认识到牙冠和牙桥口腔领域正在朝着全面数字化工作流程发展，于是决定让钴铬合金支架加入数字化革命。Egan向雷尼绍寻求合作，联手开发功能强大的RPD增材制造工艺。

 挑战

之前，Egan采用脱蜡铸造技术等传统工艺设计和制造假体。技师使用这种手工工艺铸成一个钴铬合金。

脱蜡铸造技术容易产生误差。在手工浇铸时，钴铬合金材料在冷却时会收缩。制取模型时必须考虑液体膨胀。另一个问题是由于生产条件限制，产品很难做薄，强行压薄则会导致假体变形。

如果将熔融的金属浇入铸造模时带入杂质，会产生错误，导致支架不完整。如果熔融的金属过热，还会增加孔隙，引入过量的碳，导致结构强度降低。

Egan认为制造可摘局部义齿精度最高的方法便是增材制造。

 解决方案

为了打造高度一致的内部RPD增材制造工艺，Egan选择与雷尼绍合作。大约一年的时间，两家企业联手开发了一种适合制造各式各样RPD的工艺。Egan将设计交给雷尼绍，雷尼绍制造义齿并根据反馈调整增材制造系统的加工参数。

带腭充填器的可摘局部义齿

在全新的数字化工作流程中，技师先手工制作标准模型并使用扫描仪扫描，然后在电脑上进行设计(CAD)。最后，只需按下按钮，将设计发送到机器上开始制造。

在雷尼绍增材制造系统上，采用激光粉末床熔融技术 (LPBF) 制造义齿。大功率掺镱光纤激光光束聚焦到粉末床上，选择性地熔融钴铬合金粉末层，每层层厚仅为40微米，直到制成完整的零件。

 结果

Egan女士补充说：“新工艺只需40分钟人工操作，比铸造工艺缩短了一多半时间。人力成本大大降低，生产效率可提高一倍。增材制造工艺消除了碳或铸造失误所带来的风险，降低了孔隙率。”

正在设计支架

“新工艺不仅节省了大量时间，且能实现比手工铸造义齿重量更轻、强度更高、更加灵活的RPD，”Egan女士继续说道。“对于患者来说是一个福音，他们可以获得重量更轻、贴合更优的义齿。牙科医生反馈说卡环脱落情况减少了。他们对患者进行复查时发现，RPD不仅未变形而且卡环无需紧固。”

“大约95%的金属局部义齿都是铸造的，”雷尼绍医疗和口腔产品部销售经理Chris Dimery补充说。“使用传统工艺制成的钴铬合金支架又厚又重，对于牙科医生和患者来说都极为不便。口腔行业一直在寻找替代方案。增材制造工艺可以实现体积更薄、更为灵活的金属RPD。增材制造钴铬合金支架完美满足了市场需求，对医生、患者和口腔技工所来说是一赢俱赢。”

“我们与雷尼绍联手开发了一种全新工艺及产品，将RPD带入数字化革命浪潮中。我强烈呼吁口腔行业同仁们牢牢把握全新的数字化技术。整个口腔行业必须与时俱进— 增材制造正是我们进步的阶梯。”Egan女士总结说。

文章来源：雷尼绍

白皮书下载，加入3D科学谷产业链QQ群：529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，长期转载授权请留言

3D Metalforge是一家新兴的增材制造企业，致力于为客户提供完整的端到端金属3D打印服务，实现批量生产复杂、优质的工业用途金属零件。选择优秀的金属增材制造系统是其制胜的关键。3D Metalforge对金属增材制造系统的需求包括必须具备全球支持，适应工业4.0，满足质量、灵活性和可靠性要求等等。

 背景

金属增材制造公司3D Metalforge于2016年底在新加坡成立，是3D Matters的姊妹公司。在东南亚地区，随着市场对高精度三维金属零件制造的需求迅速增长，许多增材制造企业拔地崛起，3D Metalforge就是其中一员。

市场对金属3D打印服务的需求急剧变化，正在从主打短期原型制造和一次成型转变为批量生产工业用途零件。

为满足市场需求，增材制造企业必需投资购入金属增材制造系统，打造专营金属3D打印的生产流程。

3D Metalforge首席执行官Matthew Waterhouse先生解释道：“客户从不太了解某些零件其实可以使用金属粉末直接打印，到认识到金属增材制造工艺相比于传统制造技术的优势，乃至金属增材制造工艺可以实现的零件复杂性和高质量，他们的成长速度堪称惊人。”

目前，3D Metalforge以其获得ISO认证的生产设备服务来自海洋、石油和天然气、精密工程和一般制造业等领域的客户群，3D打印零件包括叶轮、天线支架、吊钩和旋转接头等等。

作为一家高度专业的增材制造企业，3D Metalforge为客户提供完整的端到端金属增材制造服务，涵盖咨询和诊断、零件设计或重新设计、优质零件打印和后处理工艺（热处理、锯切、喷砂、抛光和精加工）。

 挑战

3D Metalforge选购金属增材制造系统的标准极严，以应对快速发展变化的制造行业。面对众多的设备选择，3D Metalforge必须确保其选择的机器能够在当下以及未来提供满足客户需求的服务。3DMetalforge的选择标准如下：

• 通过打印样品展示增材制造系统生产各式各样高品质、高精度、高复杂度零件的能力。
• 增材制造系统制造商必须能够提供本地技术支持，包括售前和售后。
• 系统必须成熟可靠，因为系统可靠性对于生产工业用途零件至关重要。
• 系统必须操作简单、易于使用。

增材制造系统制造商还须具备丰富的制造工艺知识，并且清楚了解3D Metalforge的典型运营方式。

3D Metalforge还考虑到了即将来袭的工业4.0趋势，要求金属增材制造系统必须能够符合“工业4.0”的核心原则，包括数据透明性、连接性和人机界面。

Waterhouse先生说：“我们认为金属增材制造是工业4.0不可或缺的一部分，是未来制造业变革的先锋军。”在新加坡以及亚洲其他地区，具有前瞻性思维的企业都在全力迎战工业4.0潮流，我们的决策也需要体现这一点。”

 解决方案

硬件和支持

雷尼绍的紧凑型AM 400增材制造系统正能突破重围，满足3D Metalforge的选择标准。AM 400的加工体积为250 mm x 250 mm x 300 mm，配备激光束直径仅为70 μm的400 W激光系统，人机界面高度图形化、可视化。

AM 400秉承雷尼绍的“开放参数”理念，允许3D Metalforge针对正在加工的金属粉末和特定打印件的几何形状自由优化机器参数设置。系统具备一流的惰性气体环境，安装SafeChange™滤芯处理系统，可
最大限度降低接触粉末和烟尘的可能性。

Waterhouse先生说道：“我们对雷尼绍的精密测量技术闻名已久。最重要的是雷尼绍通晓制造工艺，
了解材料设置、机器校准以及我们对新型生产运营方式的要求。”

“AM 400增材制造系统打印的超高品质样品甫一亮相就让我们十分满意。我们认为金属3D打印技术和传统加工工艺是相辅相成的，而AM 400让我们清楚地看到它能如何帮助简化后处理程序。”

软件

在打印零件前，3D Metalforge首先使用Solid Works软件进行初始3D CAD设计，并在需要时利用
Autodesk软件审查零件可打印性。

然后，再使用雷尼绍QuantAM加工文件处理软件优化支撑结构，摆正零件，并设置最终打印文件。接着便以AM 400方案完成绝大部分打印工作。

3D Metalforge还使用雷尼绍InfiniAM Central软件，这是一款专门设计的增材制造系统远程过程监控软件。InfiniAM Central允许近乎实时地观察增材制造现场加工并查看历史加工数据，以高度图形化方式显示系统信息，方便进行直观、深入的分析。

 结果

AM 400自安装调试完成后的18个月内是3D Metalforge的生产工厂内利用率最高的金属3D打印机。Waterhouse先生评价说，AM 400的运行时间、精度和可靠性都非常好。

他例举了3D Metalforge如何向一家技术设备公司提供完整的端到端金属3D打印服务：“这家设备公司的诉求是优化其金属托盘零件，改善产品本身性能。因为使用传统制造技术无法实现预期设计目标，所以客户向我们寻求金属3D打印解决方案。”

由于零件的原始设计不适合增材制造，3D Metalforge首先对零件进行了重新设计。采用网状结构以减轻重量，并调整零件形状以摆正零件方便打印。他们打印了若干个产品原型，并且装配到最终产品上进行测试，才最终敲定了零件设计。

截至目前，3D Metalforge已经在AM 400系统上打印了逾百个这类复杂的金属零件，质控合格率为100%。增材制造设计不仅减轻了零件重量，而且提高了零件性能。

3D Metalforge预计增材制造标准和认证领域将大有可为，而且市场对更高品质工业用途零件的需求将是未来发展趋势。随着越来越多的行业领域采纳增材制造技术，预期金属增材制造专用金属粉末的种类也将越来越多。

3D Metalforge希望继续购入更多增材制造系统，以生产更多尺寸规格的零件，使用更多种类的金属粉末。它还计划在高速增长的亚洲市场开设更多工厂。目前，3D Metalforge正在美国开拓市场、丰富解决方案，并且认为美国是其特色金属增材制造服务品牌最大的市场之一。

文章来源：雷尼绍

白皮书下载，加入3D科学谷产业链QQ群：529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，长期转载授权请留言

很多金属3D打印零件需要通过铣削、电火花加工等传统加工工艺来生成精密的表面，然而金属3D打印技术制造的往往是传统工艺难以实现的零件，它们具有非常规的复杂形状，这将为后续与其他加工工艺的衔接带来挑战。

本期，3D科学谷盘点了金属3D打印在后续机械加工时所存在的几种零件夹持挑战，并通过机械加工企业和软件企业在增材制造与传统工艺融合领域所提出的解决方案，洞悉金属3D打印与传统工艺融合的发展趋势。

钛合金3D打印“蜘蛛”架，由Altair Optistrut软件和Materialise Magics 软件生成，打印设备为雷尼绍 AM 250。来源：雷尼绍

  在零件设计时预规划夹具方案

后续机械加工中的工件夹持，是金属增材制造工艺中一个需要考虑到的元素。因为3D打印的尺寸、形状和材料都将与机械加工中的夹具解决方案有关。

根据德国夹具制造商雄克公司，当采用5轴机床作为3D打印零件的后处理方式时，将有至少1/8英寸的材料被夹紧，或者采用燕尾形夹具，或者将定位销直接放在工件上，通过这些方式可以一次完成整个加工。

因此，在3D打印零件设计初期，预先规划后续机械加工中零件的夹持方案是有必要的。合理的零件设计可以使后续加工中零件固位更简单、可靠。例如，定位孔紧固特征可以在3D打印零件中预留，在大尺寸3D打印零件中还可以预留压紧片或用于夹具或螺栓的凹入区域。

而对于一些具有高度复杂几何形状的3D打印零件，这些可预先规划的夹持解决方案无法使用，此时，软爪夹具是更好的选择但是，此方法需要注意零件的轮廓和软颚的半径。

如果3D打印零件中包含一些非关键的孔结构，有时更好的方式是在打印完成后进行机械钻孔。原因是，虽然可以在3D打印过程中直接实现孔特征，但为了考虑孔的尺寸与精确性，往往会给增材制造设计带来挑战。此外，在后续对3D打印的孔结构进行精加工时，如果打印孔的位置不准确，则可能需要进行一些手动修改，这些工作将影响到制造效率。因此，对于这类非关键的常规孔结构而言，通过机械加工来实现是更好的方式。

雷尼绍3D打印髋关节手术定位器

此外，有些尺寸小且脆弱易碎的3D打印零件，难以找到合适的夹具解决方案。雷尼绍（Renishaw）公司的增材制造团队，曾尝试了通过独特的粘合剂方式来解决这个问题。例如，雷尼绍最近为髋关节手术中使用的3D打印对准工具，为了安装手术中使用的反射镜，需要在这个3D打印工具中加工四个销钉，并且需要确保加工过程中零件不会变形。雷尼绍团队采用了一种特殊的可通过紫外线进行固化的粘合剂来固定3D打印零件。

  3D科学谷Review

金属增材制造技术极大释放了设计自由度，为产品设计优化带来了空间，但当它们作为一种最终零部件的生产技术时，如何与后续的加工工艺进行高效衔接，是金属3D打印技术成为一种常态化的生产技术所需要跨越的门槛。

根据3D科学谷的市场观察，机械加工企业和设计软件企业都在为之努力。以下是两种具有代表性的促进金属增材制造与传统加工工艺进行融合的方式：

机械加工企业GF加工方案与3D Systems打造了工厂自动化的新概念，包括增材制造零件设计软件，3D打印机，材料和自动化材料处理，放电加工（EDM）设备，铣削设备以及其他先进后处理技术。

构建在工装板上的骨科植入物。来源：GF加工方案

GF加工方案将3R Delphin夹具系统集成到DMP Factory 500设备上，从而让操作者可无缝衔接地将搭建基板置于夹具上，从金属增材制造设备移至后工序的线切割EDM设备或者铣床上。这不仅节省了零件从搭建基板分离后所需的再装夹时间，也节省了专用夹具的制作时间。例如，在进行骨科植入物增材制造时，制造商可以直接将植入物3D打印在工装板上，该工装板将用于后处理加工中铣削作业，方便了从不同设备的加工转换过程中夹具夹紧的精确定位。

软件企业欧特克在2019年发布了创成式设计的Fusion 360 2.5轴*版本，主要用于生成突破铣削约束的设计。这使得Fusion 360软件的用户能够将3D打印与传统的CNC铣削实现更好的结合。通过该软件实现的设计，打破了我们对创成式设计所熟悉的“仿生学外形”，外形上看上去更接近传统的设计。欧特克Fusion 360集成工作区现在还提供真正的混合制造体验，在单一工作流程中结合了先进的增材制造和CAM功能。

白皮书下载，加入3D科学谷产业链QQ群：529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，长期转载授权请留言

根据3D科学谷的市场研究，增材制造技术，特别是金属3D打印技术在散热器制造中的应用，为散热器设计优化带来了更高自由度，3D打印用于散热器或热交换器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势，特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。

本期，3D科学谷将分享一个面向增材制造的散热器设计探索与分析案例，该案例体现了3D打印散热器与传统散热器相比在设计与性能方面的优势。

3D打印热交换器/散热器的优势。来源：上篇-《3D打印与换热器及散热器应用2.0》

 高性能复杂几何结构

散热器/热交换器传递热量的方式有三种：传导-通过直接接触传递热能；对流-通过流体的实际运动传递热；辐射-借助电磁波传递能量。在这个案例中，仅考虑使用传导和对流的散热方式。

热量传递的三种方式：1. 传导；2.对流；3.辐射。
来源：nTopology

在此案例中，nTopology 公司的设计师通过nTop Platform 软件定义了一个用于生成散热器的体积，这些散热器将实现表面积最大化，同时实现质量最小化。

3D打印的三重周期性最小表面电子散热器。

3D打印设备：雷尼绍 RenAM 500Q

来源：nTopology

设计师使用了三重周期性最小表面（TPMS），对于结构应用而言，该设计显示出高强度重量比。该设计如果与增材制造技术结合使用，将使设计师能够创建兼具高强度和散热特性的多功能结构。

具有不同周期性和厚度的三种TPMS结构。来源：nTopology

nTopology 对Gyroids（螺旋），Schwarz基元和Lidinoids 这三类TPMS结构进行了研究与评估，其中每种类型的结构都是正弦和余弦的线性组合，而这些组合会在三维空间中形成周期性的波形几何形状。就像二维波形一样，设计的可能性可以通过改变这些方程式的幅度和周期来实现，通过将这些设计输入与实验设计（DOE）方法结合起来，可以准确地评估这些组件的性能。

Gyroid = Sin(x)Cos(x)+Sin(y)Cos(z)+Sin(z)Cos(x)

来源：nTopology

无源电子散热器受所有三种传热方式的支配。热量从热源（如计算机芯片）传导到散热器的底部，然后通过对流（70％）和辐射（30％）从散热器散发。为了最大化散热器的散热性能，在设计散热器时需考虑如何最大化与散热器接触的环境空气量。

nTopology Platform工作流程。来源：nTopology

随着热量的散失，对流自然会导致空气流过散热器的散热片。TPMS类型散热器的旋转鳍片可增强边界层混合，与传统散热器设计相比，具有提供更高有效表面积的潜力。

散热器性能图。确定了最佳的散热器设计，该设计可在实现表面积最大化的同时实现重量最小化。来源：nTopology

作为这项工作的一部分，nTopology 进行了简单的数值研究，从而找出性能最高的TPMS散热器，即设计输入可最大程度地增加表面积，并最大程度地减少最终散热器的质量。设计师使用nTop Platform 计算几何内核以及分析方法进行了实验，设计师可以快速进行几何更改并评估设计输入的性能输出。从上图中可以看出哪个设计的表面积最大。

3D科学谷将在本周发布的《3D打印与换热器及散热器应用2.0》-下篇，分享国内外机构在3D打印散热器、热交换器领域代表性知识产权、软件，换/散热器设计、仿真与优化，激光考虑，材料考虑，后处理考虑，敬请关注。

- – - – - – - – - – - – - – - – - -

知之既深 行之则远

三维世界，全球视野，尽在3D科学谷！

点击观看轻松20万+3D科学谷创始人最新人气微课：

《3D打印发展趋势及中国市场的机遇与挑战》

白皮书下载，加入3D科学谷产业链QQ群：529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，长期转载授权请留言

IMR公司首先使用nTopology公司的新一代设计软件设计了一个具有代表性的钛合金颈椎植入体，然后在雷尼绍RenAM 500M金属增材制造系统上制成该植入体。

“传统制造工艺无法制造的具有网状结构的脊柱植入体可以利用增材制造技术实现，”雷尼绍医疗和口腔产品部市场经理Ed Littlewood解释道。“具有网状结构的植入体质量轻巧，可以更好地满足所需的负载条件；而且表面面积更大，有助于骨整合。因此可以模拟骨骼的机械特性设计增材制造植入体，以改善患者结局。但是如果没有合适的设计工具，这一切都只是空谈。”

“使用传统的CAD工具设计复杂的网状结构实属勉为其难，甚至是缘木求鱼。”nTopology的应用工程经理Matt Rohr解释道。“nTopology的宗旨是改进和简化现有工艺流程。我们将复杂结构的设计时间从几天缩短到几分钟，大大加快了项目进度。”

IMR公司的高级研究工程师Sean McConnell说：“雷尼绍不辞辛劳地与我们一起改进脊柱植入体的增材制造工艺。在双方的共同努力下，我们通过一系列测试确定了一套最合适的产品参数设置，从而将实现植入体关键特征所需的后处理量减少了九成。”

脊柱植入体用于为罹患退行性椎间盘疾病、椎间盘突出症、腰椎滑脱、椎管狭窄、骨质疏松症等多种疾病的患者恢复椎间盘高度。经过增材制造工艺改进的植入体设计可以帮助患者缩短手术时间、减少翻修手术，从而节约医疗资源和成本。

雷尼绍还在位于南威尔士的Miskin工厂使用增材制造设备生产医疗产品，比如颅颌面植入体和口腔支架等。

文章来源：雷尼绍

白皮书下载，加入3D科学谷产业链QQ群：529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，长期转载授权请留言

雷尼绍（Renishaw）增材制造应用总监Marc Saunders 阐释了如何计算金属增材制造 (AM) 零件的理想工艺参数，探讨了粉末床激光熔化工艺参数选择的考量因素，以及这些因素如何定义“操作窗口”，并分析了加工过程对零件几何形状变化的灵敏性，这也是在进行零件3D打印时需要针对具体应用选择特定参数的原因。

3D科学谷已分享的上篇探讨了粉末床激光熔化工艺的熔融特性及其对零件密度的影响。本期，将分享本文的下篇，包括：固化与微观结构，最优激光工艺，扫描线距离，层厚，为什么需要安全系数，标称和特定参数集。

 最优激光工艺

 固化与微观结构

对于金属零件的性能特征形成而言，最关键的是固化过程。固化过程决定微观结构，进而形成材料特性。

许多合金很复杂，可能在不同的温度和构成下以多相形式存在，因此不会一次全部固化，而且通常也不会在焊道内均匀固化。在容易散热的位置冷却速度非常快，并且大部分热量会从熔池中传导到周围的固态金属中。而相对较少的热量会散发到附近的未熔融粉末中， 或者通过辐射散发到加工舱中。

图9 冷却的树枝晶体在“糊状”区域发生应变，产生固化裂纹。来源：雷尼绍

随着熔融金属冷却下来，熔池外部区域的温度也下降到液相线温度以下，这时合金的一个或多个相将开始固化。熔池的外边缘会形成蜂窝状树枝晶体，并向中心生长。残余的液相滞留在这些初级树枝晶体之间，在达到其更低的熔点时才会固化。对向的蜂窝状树枝晶体生长前沿形成了单独的晶界，剩余的液相也会在晶界中聚集。

冷却过程会在这些蜂窝状和晶界区域施加应变， 通过某些材料中的“热撕裂”或固化裂纹过程，可能会产生不应该存在的孔隙。如果不同相的固化温度差异很大，就会出现最糟糕的情况。

正如所见，熔池的尺寸、持续时间和冷却速度很重要，因为这些因素决定材料的热反应。持续时间较长的熔池冷却速度较慢，会产生比较粗糙的微观结构，晶粒更大，树枝晶更厚。相比之下，较小的熔池冷却速度较快，可形成较为精细的微观结构。

图10 选区激光熔化（SLM）态镍基合金中形成的柱状晶粒（左），从图中可以看出细长晶粒沿加工方向排列，而且跨越多层。此外，还有一些固化裂纹和晶界裂纹。序后热处理可以闭合这类孔隙，而且还可以修改微观结构以产生更多的等轴晶粒，从而形成更标准的材料属性。来源：雷尼绍

较深的熔池也会导致已固化的金属发生更大程度的重熔，进而影响其微观结构。较高的激光功率会导致形成更长的柱状垂直晶粒，每个晶粒都跨越多层。由于较深的熔池与下方的金属固体有较大的接触面积，因此更多的热量向下传导，导致在垂直方向上形成更多晶粒。这会造成垂直与平行加工方向的机械特性差异加大。

 最优激光工艺

因此，雷尼绍团队决定计算出一种理想的速度和功率组合，以形成深度、宽度和持续时间最优的熔池。也就是说，以最优能量加工零件。找到正确的组合，即可降低孔隙率，形成满足材料特性和生产力要求的微观结构。

一种办法是计算“能量密度”，即施加到单位体积材料上的能量。能量密度恒定时，激光功率和扫描速度成反比。因此，在P-V坐标系中，能量密度轮廓线从原点辐射，同时密度与轮廓线的梯度相关。

图11 X即为这种材料的最佳加工点。来源：雷尼绍

针对所选择的材料和层厚，存在一个最佳能量密度，这个密度能够实现最高的加工效率和最准确的微观结构。在选择工艺参数时，我们希望在增材制造设备的激光和聚焦光学组件的能力范围内，尽可能远离边界避免冒险进入球化区间。从而实现最优的材料特性和生产力。在图11中，“X”即为最佳加工点。

 扫描线距离

上文的分析中缺少一个关键因素：扫描线距离。上文的示意图中假定扫描线距离是固定的，因此能量密度仅由激光功率和扫描速度决定。

图12 能量密度公式。来源：雷尼绍

事实上，扫描线距离可以独立于功率和速度而变化，而且还会影响能量密度。因此，通过改变扫描线距离可以沿多条P-V轮廓线保持相同的能量密度。因而可以通过许多不同的方式施加相同的能量到加工层上。

下图中橙色箭头所示的所有三个轮廓线具有相同的能量密度。例如，如果采用较高的功率/速度比（即我们选择更接近深孔形成区的较陡的轮廓线），则可以通过增加扫描线间距来保持能量密度恒定。这样是可行的，因为如果用穿透性更强的激光束形成更宽、更深的熔池，那么可以在确保所有扫描线彼此相融的前提下， 增加扫描线之间的间距。

图13 扫描线距离对熔融工艺结果的影响。来源：雷尼绍

但是，由于上文上述的原因，这样做会导致材料特性变差。越靠近深孔形成区，工艺安全系数就越低，因此这些参数可能不适用于某些几何形状。所以必须选择一个能够达到中央P-V轮廓线的扫描线距离，该轮廓线应远离熔融不足和深孔形成区间。

上图中蓝色区域中的参数组合应能实现合格的工艺结果，但是“X”是最理想的加工点。由于来自激光光束的大部分能量都被吸收在熔融轨道中心的激光光斑内，因此，一般来说，与光斑尺寸（或熔融轨道宽度的一半左右）最相近的扫描线距离的加工效率最优。

 层厚

在上文讨论的情形中，层厚是固定的。如果改变层厚又会如何？如果对表面光洁度要求不高，是否可以增加层厚以提高加工效率？

在一定程度上，答案是肯定的。显然，粉末层越厚就要求激光能量渗透更深，才能确保与下方的金属层完全融合。为了获得最优的能量输入以完全熔融材料， 随着层厚增加，必须相应增加每层的能量输入。如此一来，能量密度轮廓线变得更加陡峭。

图14 层厚与操作窗口大小成反比。来源：雷尼绍

层厚增加会扩大图14上的“熔融不足”区间，从而缩小其与深孔形成区间之间的间隙。深孔形成区间本身可能不会随层厚出现很大变化，因为这种效应由激光光斑的强度和速度以及激光光斑与材料的相互作用方式控制。

因而，操作窗口逐渐变小，最终在某个层厚上，在保持熔池稳定并且与下方的金属层充分融合的同时，无法渗透足够的深度。

能够提供合理的操作窗口的可行层厚因材料而异， 但是一般来说，当激光功率达到500 W，光斑直径为70 至100微米时，可行层厚范围为30至90微米。

针对较厚的粉末层，可以相应地增加光斑尺寸，以降低较高激光功率下的光斑强度。然而，这种变化会导致保真度损失，熔池尺寸和飞溅物增加，并且还可能影响微观结构和材料特性。

 为什么需要安全系数？

需要较宽的操作窗口的原因是，加工件上所有区域的热条件并不总是恒定的。每增加一层，热量就会向下传导到下方已加工的金属层中。热量散发情况取决于零件的局部几何形状和材料特性。

如果与下方的基板之间有良好的导热连接，那么热量将有效消散。相比之下，如果零件的几何形状包含薄壁，或者如果在较薄的部分上方直接加工实体部分，那么热量将无法顺利向下传导，导致较多的热量余留在零件最顶层附近。这种效应在导热率相对较低的材料（例如Ti6Al4V）中最为明显。参见图15a。

图15 a几何形状对余留热量的影响；b 余留热量使操作窗口变窄。来源：雷尼绍

在这种条件下，基板和粉末已被预热，因此只需要较少的能量输入即可产生相同的熔融效果。这种预热对熔融过程的影响是，扩大了深孔形成区间，导致以更低的功率便会形成深孔孔隙。新的最佳能量密度轮廓线比原来的更低，而且操作窗口更窄。参见图15b。

一种可能的补救措施是，使用模拟技术来确定零件可能过热的区域，并减少在这些区域中输入的激光能量，以抵消这种预热效应。

将这一点与上文所说的层厚因素相结合得出的结论是：采用厚粉末层加工薄壁零件的难度很大。

 标称和特定参数集

上文关注的重点是计算每种材料的理想实体工艺参数，从而尽最大可能提高金属零件的加工效率。但是，一个有效的参数集需要不只一种设置，因为零件的不同区域存在不同的熔融和冷却条件。为制成满足最终用途的零件，必须在实体参数中补充适合所加工的各种几何形状的专门设置。

每个零件都由许多实体部分和不同方向的表面组成。实体部分的加工要求是密度高、加工速度快、材料特性优。然而，边界部分的优先考虑因素有所不同。这部分最重视的可能是表面光洁度，以避免隐藏表面缺陷，进而导致零件在序后处理期间发生损坏。下表面一般冷却较慢，因为它的下方没有固体基板，因此在这个区域，需要尽量避免变形和浮渣。

图16 实体边界、上表面和下表面通常需要与零件实体不同的参数。来源：雷尼绍

通常在这些区域需要运用截然不同的参数，因此， 即使标称参数集中也包含针对零件不同区域的多种设置和扫描策略。为确保零件的所有区域都达到最优质量， 需要开发更多应用特定参数。

 总结

工艺参数选择对于增材制造加工成功至关重要，因为它决定了材料将如何熔融和固化以形成我们需要的零件。由于每种合金粉末都以不同的方式吸收激光能量、传递热量、流动并固化，因此必须针对待熔合金的具体特性来选择工艺参数。

必须在增材制造设备的能力范围内确定一个宽操作窗口，并在窗口中间找到最优加工点，而且这个点的安全余量应能够适应各种局部熔融条件。即使如此，某些几何形状可能仍需要修改参数方可适应余留热量的变化。边界和下表面区域也可能需要不同的工艺参数和扫描策略，才能满足表面光洁度要求。

 - – - – - – - – - – - – - – - – - -

知之既深 行之则远

三维世界，全球视野，尽在3D科学谷！

点击观看轻松20万+3D科学谷创始人最新人气微课：

《3D打印发展趋势及中国市场的机遇与挑战》

白皮书下载，加入3D科学谷产业链QQ群：529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，长期转载授权请留言