3D打印技术及其应用 - D影3D ORTHO

3D打印技术及其应用 - D影3D ORTHO 3D打印技术及其应用 3D打印技术，又称为增材制造技术或快速原型技术，是一种以数字模型(三维CAD模型)文件为基础，运用粉末状金属、陶瓷、塑料或丝状塑料等材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其基本过程是:首先由CAD软件出所需零件的计算机三维曲面或实体模型，即数字模型或称电子模型;然后根据工艺要求，按照一定的规则将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散(习惯称为分层)，把原来的三维电子模型变成一系列的二维层片;再根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适加工参数，自动生成加工代码;最后由成型机接受控制指令制造一系列层片并自动将它们连接起来，得到一个三维物理实体。由于它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，因而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。 发展过程 3D打印的核心思想最早起源于美国，早在1892年，美国的一项专利中就提出利用分层制造法构建立体地形图。随着计算机技术、激光技术和新材料技术的发展，1987、1988、1989、1992、1993年，美国分别发明了光固化(SL)、分层实体制造(LOM)、激光选区烧结(SLS)、熔融沉积制造(FDM)等四种经典的增材制造工艺。 1987年，美国的3D Systems公司生产出了第一台基于光固化工艺的增材制造装备SLA250，开创了增材制造技术发展的新纪元。该技术是利用激光照射紫外光敏液体聚合物，使其薄层发生固化。自从3D Systems公司将立体光固化在美国商业化以后，日本的CMET和Sony/D-MEC公司分别在1988年和1989年将立体光固化技术以另外的形式商业化。1990年，德国光电公司(EOS)卖出第一套立体光固化系统。1991年，Stratasys公司的熔化沉积制造(FDM)、Helisys公司的叠层实体制造(LOM)两种新的快速成型制造技术投入商业生产。美国DTM公司(现在是3D Systems公司的一部分)的选择性激光烧结(SLS)技术在1992 年投入使用。SLS技术利用激光的热量来熔融粉末材料。1996年，美国Z Corp公司基于麻省理工学院(MIT)的三维喷墨打印技术，研制出了用于概念模型建造的3D打印机Z402，其原理是利用淀粉基和石膏基粉末材料和水基液体黏合剂来生产模型。2000年Z Corp公司又推出了其世界上第一个商用多色三维打印机——Z402C。 我国增材制造技术自20世纪90年代初开始发展，西安交通大学、清华大学、华中科技大学等单位开始进行增材制造设备、工艺、材料、应用方面的研发，在典型成形设备、软件和材料的研制和产业化方面获得了重大进展，接近国外先进水平。20世纪90年代中后期，北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学、华南理工大学、上海交通大学、大连理工大学、中北大学、中国工程物理研究院、西北有色金属研究院等一批高校和研究机构也相继开展了相关研究和应用工作。北京航空航天大学、西北工业大学、华南理工大学等单位重点研究金属直接成形技术。增材制造的高性能金属零件已应用于我国新型飞机的研制，并取得了显著成效。国内高校和企业通过科研开发和设备创业化改变了该类设备早期依赖进口的局面。经过了20多年的应用技术研发和推广，在全国建立了20多个增材制造服务中心。国产设备遍布医疗、航空航天、汽车、军工、模具、电子电器和造船等行业，推动了我国制造技术进步和传统产业升级。但是，相对国外，我国在3D打印与百姓日常生活的结合方面还比较弱，科学技术的普及也不够充分。发展创新是我国党和政府的战略基点，未来发展要从追求产量向追求创新转变，而3D打印技术正是提高创新能力的有力工具。 工艺方法 根据采用的材料形式和工艺实现方法的不同，目前广泛应用并且较为成熟的典型增材制造技术可以总结为如下五类: 光固化成形法(SLA):其原理是利用紫外激光固化对紫外光非常敏感的液态树脂材料(类似于塑料)予以成形。工艺过程如下:树脂槽中注满成型用光敏树脂，激光器按给定的零件各分层截面的信息，对截面进行扫描，被扫描区域的光敏树脂发生光聚合反应而固化。一层固化完毕后，工作台下降，在涂覆机构( 刮 板) 的配合下，在原先已固化的树脂表面上均匀地涂覆上一层新的液态树脂。激光束对新一层树脂进行扫描固化，使新固化的一层牢固地粘合在前一固化层上。重复以上步骤，直至零件制作完毕。使工作台上升，取出工件进行清洗、后固化以及表面光洁处理后即可最终完成零件的制作。光固化成型的优点是: ( 1) 成型速度快,自动化程度高。( 2) 尺寸精度高。( 3) 表面质量好, 可以达到磨削加工的表面效果。 叠层实体制造法(LOM):叠层实体制造也称薄形材料选择性切割。它根据CAD 三维模型每一个截面的轮廓线, 在计算机的控制下, 用CO2 激光对薄形材料进行切割, 逐步得到各层截面, 并粘结在一起, 这样反复逐层切割、粘合直至形成所需产品。零件轮廓以外的部分用激光剪切成小碎片, 以便零件制作完毕之后移去。这种方法的主要优点是: ( 1) 成型精度高。( 2) 无需后固化处理。( 3) 无需支撑结构。( 4) 原材料价格便宜，成本低 熔融沉积法( FDM):熔融沉积法又被称为熔丝沉积法或丝状材料选择性熔覆。它是将丝状的热熔性材料加热融化,同时三维喷头在计算机的控制下, 根据截面轮廓信息, 将材料选择性地涂敷在工作台上, 快速冷却后形成一层截面。然后重复以上过程, 继续熔喷沉积,直至形成整个实体造型。熔融沉积法的主要优点是: ( 1) 成型材料种类多, 成型件强度高。( 2) 精度高, 表面质量好, 易于装配。( 3) 无公害, 可在办公室环境下进行 选择性激光烧结法( SLS):选择性激光烧结法又称为选区激光烧结。它的原理是预先在工作台上铺一层粉末材料( 金属粉末或非金属粉末) , 激光在计算机控制下, 按照界面轮廓信息, 对实心部分粉末进行烧结, 然后不断循环,层层堆积成型。此方法的优点是: ( 1) 可直接得到金属件。( 2) 材料选择范围广。( 3) 原则上无需支撑结构。( 4) 材料利用率高, 成型速度快。 三维打印技术( 3DP):三维打印也称为粉末材料选择性粘结。它的原理是喷头在计算机控制下, 按照截面轮廓信息, 在铺好的一层粉末材料上, 有选择性地喷射粘结剂,使部分粉末粘结, 形成截面层, 然后如此循环形成三维产品。它的主要优点是: ( 1) 成型速度快。( 2) 成型设备便宜。 优点 与传统加工过程相比, 快速成形技术摆脱了传统的“去除”加工法( 即部分去除毛坯上的材料得到零件) , 采用全新的“增长”加工法( 即用一层层的小毛坯逐步叠加而制成零件) , 将复杂的三维加工分解成简单二维加工的组合;因此不必采用传统的加工机床和工模具, 只需传统加工方法30%—50% 的工时和20% — 35%的成本, 就能直接制造产品样品或模型，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。它具有以下优势: (1) 设计者受益 应用快速成形技术, 设计者在设计的最初阶段，就能拿到实在的产品样品，并可在产品最终走向市场的不同阶段快速地修改、重做样品，甚至做出试制用工模具及少量的产品，进行试验， 据此判断有关上、下游的各种问，从而为设计者创造了一个优良的设计环境，无须多次反复思考、修改, 即可尽快得到优化结果。因此, 快速成形技术是真正实现并行设计的强有力手段. (2) 制造者受益 制造者在产品设计的最初阶段，可通过这种实在的产品样品，甚至试制用工模具及少量的产品, 及早地对产品设计提出意见, 做好原材料、标准件、外协加工件、加工工艺和批量生产用工模具等准备，以减少失误和返工、节省工时、降低成本和提高产品质量。因此, 快速成形技术可以实现基于并行工程的快速生产准备。 (3)推销者受益 推销者在产品设计的最初阶段，能借助于这种产品样品、甚至少量产品, 及早并实在地向用户宣传、征求意见, 以准确地预测市场需求。因此, 快速成形技术的应用可以显著地降低新产品的销售风险和成本，大大缩短其投放市场的时间和提高竞争能力。 (4) 用户受益 用户在产品设计的最初阶段，也能见到产品样品、甚至少量产品, 这使得他们能及早、深刻地认识产品，进行必要的测试，并且提出意见。因此，快速成形技术可以在尽可能短的时间内, 以最合理的价格得到性能最符合要求的产品。 利用三维打印技术在桌面就可以打印出小物品，而且，人们可以将其放在办公室一角、商店甚至房子里;而自行车车架、汽车方向盘甚至飞机零件等大物品，则需要更大的打印机和更大的放置空间。 与传统技术相比，增材制造还拥有如下优势:通过摒弃生产线而降低了成本;大幅减少了材料浪费;而且，它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形，让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器;另外，在具有良好设计概念和设计过程的情况下，三维打印技术还可以简化生产制造过程，快速有效又廉价地生产出单个物品。 三维打印技术还有其他重要的优点:大多数金属和塑料零件为了生产而设计，这就意味着它们会非常笨重，并且含有与制造有关但与其功能无关的剩余物。三维打印技术不是这样的。在三维打印技术中，原材料只为生产所需要的产品，借用三维打印技术，他的团队生产出的零件更加精细轻盈。当材料没有了生产限制后，就能以最优化的方式来实现其功能，因此，与机器制造出的零件相比，打印出来的产品的重量要轻60%，并且同样坚固。 应用发展 快速成型技术的最初应用主要集中在产品开发中的设计评价、功能试验上. 设计人员根据快速成型得到的试件原型对产品的#设计#进行试验、性能评价, 借此缩短产品的开发周期、降低设计费用. 经过十几年的发展, 快速成型技术早已突破了其最初意义上的“ 原型”概念, 向着快速制造零件、快速制造工具等方向发展。 就模具的快速制造而言, 目前较为成熟的有间接制模与直接制模两种工艺, 间接制模通常使用原型件进行模具模腔的翻制, 如硅像胶模、环氧树脂膜、金属冷喷涂膜等; 直接制模工艺则通过快速成型系统直接成型模具模腔“绿件”，而后通过适当的后处理得到金属的模具模腔, 例如美国DT M 公司采用SLS 工艺烧结包覆树脂的钢粉末制成模腔原型, 经过渗铜和其他后处理得到钢铜合金的注塑模腔和模芯镶块。 最近, 间接法制模工艺正逐步转向直接制模工艺。以前着眼于小批量试制的简易模具，近来转向中等批量、甚至是大批量生产的准耐久模具的制造。这是因为与试制品制作领域相比, 模具制造领域的市场规模更大, 成长率更高。 快速精铸技术( Quick-Casting) 也是快速成型技术较为成熟的应用之一。 目前来讲, 快速精铸的实现主要有三种途径: 烧失型铸造熔模的快速制造、铸造型壳的快速制造与铸造压型的快速制造。在烧失型铸造熔模的快速制造方面, 美国3D Systems 公司通过SLA 形成了较为成熟的工艺;在铸造型壳的快速制造方面, Soligen公司用3D- P 原理制成陶瓷铸壳, DTM 则采用SLS 工艺烧结包覆树脂的陶瓷粉末材料制成陶瓷型壳。 快速成型技术在修复医学上的应用是近几年来发展的一个热点。目前, 其应用主要集中在人工假体、人工活性骨等方面。在人工假体方面，目前主要是应用快速成型制作出假体的原型, 而后翻制金属假体，植入人体，取代受伤的器官而达到康复的目的; 在人工活性骨方面，由于快速成型系统能够制作出多孔性结构，这一点尤其适于制作多孔结构的人工骨. 医疗过程中, 快速成型系统首先使用可降解材料制成内部多孔疏松的代用骨, 疏松孔中填以活性因子, 置入人体, 即可代替人体骨骼, 经过一段时间可降解材料被人体降解、吸收、钙化形成新骨。 在日常消费品基饰品领域领域，人们已经使用该技术打印出了灯罩、身体器官、珠宝、根据球员脚型定制的足球靴、赛车零件、固态电池以及为个人定制的手机、小提琴等，有些人甚至使用该技术制造出了机械设备。比如，美国麻省理工学院(MIT)的博士生彼得?施密特就打印出了一个类似于祖父辈使用的钟表的物品。在进行了几次尝试之后，他最终用打印机打印出了塑料钟表，将其挂在墙上，结果，钟开始滴答滴答地走动。 在国内航空航天领域，“钛合金3D打印技术已用于新机研制”，传统的战斗机制造流程当中，飞机的3D模型设计好后，需要进行长期的投入来制造水压成型设备，而使用3D打印这种增材制造技术后，零件的成型速度、应用速度得以大幅度提高。如果不是采用3D打印的增材制造技术，歼-15战斗机至今能否首飞都很难讲。钛合金和M100钢的3D打印技术已广泛用于新机设计试制过程。报道称，于2012年10月至11月首飞成功的机型，广泛使用了3D打印技术制造钛合金主承力部分，包括整个前起落架。 由此可以看出，3D打印创造了很多新的机会。小批量制造和个性化产品制造已经成为未来应用的发展趋势。而且，互联网与3D打印跨界组合将产生更多创新和创业机会。展望未来，3D打印将让制造业供应链链条缩短，使得设计、打印、物流更好的整合。 常州华森医疗器械有限公司3D打印研发项目 常州华森医疗器械有限公司的3D打印机研发项目开始于2013年初，公司结合自身的技术实力和未来的应用，采用了熔融沉积法( FDM)原理设计首台3D打印机，2013年5月，完成前期的市场调研和技术方案设计，2013年7月原型机设计完成，初步实现设计要求，2013年9月，工程样机组成完成，开始进行整机测试工作，现至今已经正常运行2个多月，完成了众多样品的打印测试。首台样机定位于桌面应用级别，能够满足众多产品的三维打印设计。机器的各项技术指标如下所示: 总体积:500mmX360mmX410mm(L*W*H) 输入电压:220V 功率:90W 打印原料:ABS、PLA X轴最大位移:250mm Y轴最大位移:150mm Z轴最大位移:150mm X、Y轴最大分辨率:0.01mm 层精度:0.1—0.5mm 喷头直径:0.4mm 丝材直径:3mm X、Y轴最大移动速度:30mm/s——100mm/s 喷头流速:25CC/小时 支持文件类型:STL、OBJ、G-Code 机器特性: 供料机构、料架内置，便于运输和使用 送丝机构咬合紧密，不打滑，送丝顺畅 独特的喷嘴加热装置设计，测底解决溢料、堵料问题 电机细分驱动控制技术，进一步提高机械精度 大屏液晶显示面板，配合闪存技术，实现离线打印 华森三维打印项目技术应用现状 华森医疗器械有限公司作为国内知名的骨科三类植入物医疗器械生产制造企业，从2009年开始涉足三维打印在医疗领域的应用，已经将三维打印技术成功的应用于植入物的设计、生产和销售环节，4年来，华森医疗主要专注于以下几个领域的应用。 1、手术模板的设计与制造 公司与广州南方医院开展产学研合作，按反求工程的基本原理，通过CT/MRI扫描获取患者骨骼的二维图像资料，采用计算机辅助三维重建技术建立骨关节解剖模型，将骨关节解剖模型输入计算机辅助设计(computer assisted design，CAD)软件进行精确分析，进一步采用先进制造技术——快速成型(rapid prototyping，RP)技术制作骨关节原型并进行实物原型分析，而后将骨关节解剖模型输入计算机进行外科手术过程的设计和预演，合适内固定材料的选择以及基于CAD-RP技术外科手术辅助模板、个性化植入物的制作等，最后精确实施骨科手术。 2、数字化个性植入物的设计与生产 公司联合北京军区总院、武汉军区总院、四川泸州医学院等著名医院，开展数字接骨板的设计、生产与临床应用。数字化个体植入物的设计与制备的研究方法基于以下的技术实现 (1)骨骼数据的三维成型:CT薄层扫描患者, 准确提取人体骨骼断层截面数据, 即骨的断层横截面图像。由于各层图像既包含骨的轮廓, 又包含软骨和其 他组织的图案, 因此, 必须采取合理的图像处理技术对各层图像进行二值化处理, 以便获得骨横截面的清晰图案, 然后进一步获得骨骼的轮廓图像, 最后通过矢量化(离散化) 处理获得骨骼轮廓的矢量图形文件。将数据导入医学专用影像处理软件进行处理, 利用阈值分割和区域增长功能去除软组织, 得到清晰的人体骨骼三维图像。三维图像的精确度取决于CT 扫描的断层厚度,层厚大于2 mm 图像会出现伪影, 造成三维建模失真; 层厚越小, 三维模型越接近于真实原形。三维解剖学建模应用于临床可准确测定人体骨骼病变部位的范围及大小, 有助于诊断、治疗及教学科研的直观便捷; 同时也方便医患交流以及远程诊疗, 此技术已越来越多地应用于多个学科的疾病诊断与治疗中。 (2)个体化手术方案的制订:骨科医生往往依靠X 线片或CT片等制定手术, 而缺乏术前手术设计, 不能很好地估计手术中遇到的问题, 计算机辅助手术设计模拟系统的发展, 为解决此问题创造了有利条件。将CT 获取的人体断层图像数据导入计算机软件, 可以绘制出一个容易操作的三维地图, 在这地图上集中了手术时所能观察到的形态信息、手术预定部位的范围及随手术过程而发生的形态变化的预后图。计算机模拟手术技术是通过人工交互的方式将待移动模块逐步移动到适当的位置, 按照已知软、硬组织移动比例关系修改软硬组织的边界形状。在三维解剖数据模型上实现模拟手术操作如三维截骨, 手术部位及切口方向可任意选择逐层/ 切开并三维显示。术前医生通过三维重构图像了解手术部位及邻近区域的解剖结构, 预先模拟手术过程, 对可能遇到的问题, 事先考虑补救方法和预防措施, 并通过不同手术方案的模拟比较各种方案的优劣,找出较好方案; 通过体外模拟仿真操作以确定手术方案的正确性。 (3)个体化金属植入物的设计:植入物的个体匹配与否, 设计过程是一个决定全局的环节。首先必须获得骨骼的多层断面轮廓图像数据, 其次必须采取合理的图像处理手段提取骨骼轮廓。植入物与人骨实现个体化匹配的关键是通过曲面反求实现植入物的原位设计, 植入物的设计必须符合人体工程学、生物力学要求, 同时要解决植入物体内定位的问题。为了解决个体植入物的生物力学稳定性要求，可以采用计算机辅助工程(CAE)的方法，进行生物力学模型试验，判断应力集中点，从而指导设计人员进行改进设计，避免发生植入物失效或是断裂的风险。 (4)个体化金属植入物的快速制造:万能模具技术是华森医疗器械有限公司具有自主知识产权的一项植入物生产技术，利用该技术可制作几何形状任意复杂的曲面钢板, 而不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制。特别适用于骨科特殊部位金属植入物的制造。这种与病人病患处完美配合的植入物可以帮助骨科医生大大缩短手术操作时间。具有速度快、精度高的特点, 能很好地满足个体匹配植入物对设计制造的速度和精度的要求。从而能以很小的制造成本, 很短的制造周期制作出任意复杂形状的人工植入物原型, 为术中的手术操作提供了直观的实体模型, 从而可提高手术的效率和准确性。 3、多孔钛合金植入物的研制 传统的骨替代材料均采用致密的金属或合金，如钴基合金、不锈钢、钛基合金等可用于髋关节置换术，与多孔结构的人骨相比，这些合金具有高强度、高韧性和高弹性模量，植入后会产生应力屏蔽从而导致植入体与人骨结合发生松动，并出现局部骨吸收现象，为了改善这一问题，学者们提出多孔钛植入体的概念。大量开放连通的孔隙不仅降低了钛的弹性模量，使之与人体自然骨相匹配;而且其多孔的结构也有利于骨细胞的黏附生长和体内营养物的传输。 SLS技术通过三维设计软件虚拟生成所要加工零件的三维模型，然后由计算机控制激光束移动，在逐层烧结的细粉上构建三维多孔金属实体。先在基体上铺上一层粉末材料，激光束在计算机的控制下，按截面轮廓信息，对粉末进行烧结，使得粉末沉积在理想区域内，一层完成后再在之前的层上铺上一层粉末并重复上述步骤直至三维模型全部生成利用SLS技术生产的骨科植入物物不仅具有一定的强度，而且与人骨的力学性能匹配良好。与传统的粉末冶金成形方法相比，其最大的特点在于快速、精确、一体化。公司现与ArCAM公司开展多孔钛植入物的生产合作，对于盆骨骨折修复、颌面骨折修开展植入物的设计、生产、临床工作。