增材制造（AM）在給傳統(tǒng)制造策略帶來越來越大的顛覆性變化。鑄造或銑削等常規(guī)工藝流程將被取代。AM除了不受特定形式約束的工藝流程所帶來的諸如幾何自由度、重構(gòu)和資源保護(hù)等優(yōu)勢(shì)外，還具有巨大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和良好的可用性。但最根本的優(yōu)勢(shì)在于，它不只是對(duì)傳統(tǒng)部件的復(fù)制，更是全新的設(shè)計(jì)與仿生設(shè)計(jì)方法。加快產(chǎn)品上市時(shí)間、快速供貨及減少閑置時(shí)間，都在其中得到了體現(xiàn)。至于有關(guān)作為全球化副作用的供應(yīng)鏈過長(zhǎng)的爭(zhēng)論，AM也提供了本地化生產(chǎn)的可行途徑。本地生產(chǎn)意味著價(jià)值創(chuàng)造、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品制造將離客戶更近。而減少物流開支則有助于實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)。
為了提高脊柱的活動(dòng)能力，這個(gè)椎間盤假體的上下兩只外殼上連接著一個(gè)鈦制雙彈簧。其 內(nèi)芯還含有緩沖硅膠填充物?？梢愿鶕?jù)患者的解剖結(jié)構(gòu)使用激光切割工藝制造假體? Tsunami
經(jīng)典的材料類別包括金屬、陶瓷和塑料。就金屬和激光切割工藝來說，由德國(guó)ConceptLaserGmbH公司創(chuàng)始人之一FrankCarstenHerzog開發(fā)的基于粉末床的金屬激光熔融工藝（市場(chǎng)份額約占全球所有金屬AM系統(tǒng)的80%），因?yàn)榭偸悄軌蚴褂媒?jīng)認(rèn)證的粉狀原材料，所以很早就可以應(yīng)用于醫(yī)療器械。類似的方法也適用于陶瓷基解決方案。由于聚合物材料的多樣性及材料特性，工藝上稍微復(fù)雜一些。這就是為什么金屬應(yīng)用取得了5到10年的先機(jī)。
在對(duì)醫(yī)療行業(yè)有所了解時(shí)，我們可以看到許多獨(dú)立的應(yīng)用類型：髖關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)或脊柱植入物、顱骨或牙科用假牙。醫(yī)療設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備或高科技藥物中使用的組件也在這一陣列內(nèi)（圖1）。目前，最主要應(yīng)用包括復(fù)蘇和呼吸機(jī)用閥門。即使是獸醫(yī)也知道一系列3D打印植入物應(yīng)用實(shí)例。
3D打印供應(yīng)商及用戶的市場(chǎng)發(fā)展概況
根據(jù)WohlersReport2020（《沃勒?qǐng)?bào)告2020》）介紹，增材制造產(chǎn)品和服務(wù)的總價(jià)值估計(jì)為119億美元，其中，醫(yī)療市場(chǎng)約為17億美元。預(yù)計(jì)到2024年，醫(yī)用增材制造設(shè)備、材料、軟件和服務(wù)的總價(jià)值將達(dá)到22億美元。沃勒?qǐng)?bào)告認(rèn)為，如此驚人的增長(zhǎng)，想要跟上發(fā)展的步伐會(huì)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
圖1 在一塊構(gòu)建板上同時(shí)制造心臟手術(shù)自動(dòng)縫合裝置中的幾個(gè)部件(? Sutrue)
SmarTechAnalysis公司預(yù)計(jì)，2029年全球市場(chǎng)規(guī)模約為550億美元。更為保守的分析機(jī)構(gòu)（如3DHubs）預(yù)計(jì)年增長(zhǎng)率介于18%-27%之間。但即便如此，這也比迄今為止其它許多行業(yè)的增長(zhǎng)更為突出。英國(guó)市場(chǎng)分析企業(yè)Context預(yù)測(cè)，未來數(shù)年，3D金屬打印機(jī)（表1）和聚合物打印機(jī)（表2）將以兩位數(shù)的速度增長(zhǎng)。但工業(yè)化量產(chǎn)和中等規(guī)模的系列化生產(chǎn)是增材制造領(lǐng)域銷售額增長(zhǎng)最快的部門。而這只是一部分醫(yī)療技術(shù)類型。
表1 金屬打印前5強(qiáng)（系統(tǒng)價(jià)值在20000美元 以上）
在全球市場(chǎng)層面，安永研究報(bào)告稱，2019年，有722家AM公司來自歐洲，421家來自美洲，168家來自亞洲，但業(yè)內(nèi)的AM供應(yīng)商目前正處于整合階段。特別是，過去十年的巨大增長(zhǎng)，來自眾多創(chuàng)新的推動(dòng)，以及價(jià)格的整合正發(fā)揮作用。雖然主要參與者可能會(huì)感受到強(qiáng)烈的影響，但小型初創(chuàng)企業(yè)仍在加快進(jìn)入這一充滿活力、還遠(yuǎn)未飽和或在為生存而戰(zhàn)的市場(chǎng)。
表2 聚合物打印前5強(qiáng)（系統(tǒng)價(jià)值在20000美元 以上）
另一方面，對(duì)醫(yī)療行業(yè)和其它各個(gè)行業(yè)的用戶而言，情況看上去非常好，對(duì)于眾多以AM專業(yè)知識(shí)和制造能力引導(dǎo)眾多行業(yè)進(jìn)入3D打印世界的3D打印服務(wù)提供商，同樣如此。用AM改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品的可能性實(shí)在太誘人了。熱門的關(guān)鍵詞包括仿生設(shè)計(jì)、輕量化結(jié)構(gòu)、針對(duì)患者的個(gè)性化部件、無需任何裝配、可大幅減少裝配件中組件數(shù)量、可以分散制造和快速交付的一次性使用器械等。
鈦應(yīng)用示例：髖臼植入物
基于西方嬰兒潮一代的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)，用于人類肌肉骨骼系統(tǒng)的矯形植入物扮演著越來越重要的角色。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和脊柱植入物被認(rèn)為是一個(gè)與之相關(guān)的新興醫(yī)療技術(shù)市場(chǎng)。因此，來自愛爾蘭科克的斯特萊克公司（Stryker）利用電子束熔化（EBM）技術(shù)開發(fā)了一種新的三維鈦髖臼系統(tǒng)（圖2）。該系統(tǒng)于2016年獲得美國(guó)食品藥物監(jiān)督管理局（FDA）的批準(zhǔn)。Stryker將此產(chǎn)品命名為TridentII髖臼系統(tǒng)，并強(qiáng)調(diào)這是一種非膠結(jié)解決方案，從而大大提高了它在體內(nèi)的壽命。
圖2 3D打印鈦髖臼系統(tǒng)(? Stryker)
3D打印工藝可以生成傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)的高度復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。整個(gè)植入物，包含鈦髖臼系統(tǒng)、球頭和由金屬、陶瓷、聚乙烯或鋁-陶瓷復(fù)合材料在內(nèi)的殼形嵌體，具有持久的運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)械性能，具體取決于材料的相容性、負(fù)荷以及鎖定機(jī)制。當(dāng)然，這類3D解決方案供應(yīng)商有很多家，如B.Braun、Surgival、SurgTech、Implan-Tech、Imeco、Medacta、link、Rentec等。
聚酰胺應(yīng)用示例：用于心肺復(fù)蘇機(jī)的文丘里閥
早在2020年3月，歐盟就對(duì)SARSCoV-2大流行作出了回應(yīng)，并向歐洲AM行業(yè)伸出了援手。該計(jì)劃旨在利用3D打印等策略，解決醫(yī)用防護(hù)設(shè)備如N95呼吸裝置、口罩、面罩、面屏或手術(shù)服，以及醫(yī)療保健用復(fù)蘇和呼吸設(shè)備的短缺，和對(duì)全球供應(yīng)鏈的強(qiáng)烈依賴。主要供應(yīng)商如德國(guó)呂貝克的Draeger，以及來自各個(gè)行業(yè)的工廠和設(shè)備安裝商、加工商都響應(yīng)了求助的呼聲。其中的許多企業(yè)以前從未生產(chǎn)過類似產(chǎn)品。
用于復(fù)蘇和呼吸裝置的文丘里管閥就是一個(gè)很好的例子（圖3）。其難度在于，要在很短的時(shí)間內(nèi)3D打印出原先采用傳統(tǒng)工藝制造的消耗性部件。這正是發(fā)生在意大利布雷西亞醫(yī)院的故事：總部位于米蘭的FabLab公司在該醫(yī)院安裝了一臺(tái)聚合物3D打印機(jī)。先是掃描了原來使用過的閥門，再3D打印出新的閥門，心肺復(fù)蘇機(jī)因此從未停止運(yùn)行。后來，LonatiSpa使用聚合物激光粉末床熔融工藝進(jìn)行了系列生產(chǎn)，以打印聚酰胺零件并供應(yīng)給意大利醫(yī)院。
圖3 呼吸機(jī)用三維打印聚酰胺文丘里閥(? Lonati)
這在業(yè)內(nèi)被稱為“按需制造備件”：當(dāng)無法為特定形式的解決方案提供部件或采購(gòu)時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，做到這點(diǎn)十分重要。同時(shí)，在這種情況下，再制造也非常值得一提。如果您的首要任務(wù)是重新設(shè)計(jì)一個(gè)備件，很可能會(huì)用不需要一次性組裝的3D打印組件來替代包含多個(gè)組件的部件。
門診用口鼻防護(hù)面罩
新冠肺炎疫情爆發(fā)之際，專業(yè)醫(yī)護(hù)人員用防護(hù)設(shè)備成為全球性的重大挑戰(zhàn)。首先，只有緊急儲(chǔ)備；其次，大部分不在歐洲地區(qū)生產(chǎn)。供應(yīng)鏈和交貨時(shí)間太長(zhǎng)。價(jià)格飛漲到不可想象的水平，質(zhì)量也令人懷疑。如果更多的專業(yè)醫(yī)護(hù)人員無法工作，危機(jī)可能會(huì)像我們?cè)谄渌鼑?guó)家看到的那樣演變成一場(chǎng)災(zāi)難。
圖4 可重復(fù)使用的口罩，濾芯插在兩個(gè)軟塑料半殼之間(? Innocept.)
在這種不確定的情況下，德國(guó)Bamberg診所的急診室詢問是否有一種面屏3D打印解決方案。這是包括一條頭帶和一片亞克力玻璃的非常簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。不可能再創(chuàng)建任何認(rèn)證模型，只是生產(chǎn)包括面罩、防護(hù)服和口罩等臨時(shí)防護(hù)器械。另一點(diǎn)也非常清楚，即：這只能在適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)中工作，因?yàn)?D打印永遠(yuǎn)只能是解決方案的一部分，而不是解決方案本身。
本例中，這一網(wǎng)絡(luò)是目前正在開發(fā)中的下一代數(shù)字技術(shù)研究與應(yīng)用中心（Forschungs-undAnwendungszentrumfürdigitaleZukunftstechnologien,FADZ），它匯集了該地區(qū)的眾多企業(yè)。德國(guó)Neuses的Innocept公司開發(fā)了一種新型口罩：可重復(fù)使用，佩戴舒適，由兩個(gè)軟聚合物半殼組成，不同過濾器可以插入其中（圖4）。優(yōu)點(diǎn)是口罩的呼吸過濾器不直接貼在臉上，與臨時(shí)使用的口罩相比，呼吸更順暢。此外，口罩的大批量生產(chǎn)使得制造商給予的價(jià)格更優(yōu)惠，且不用拋棄整只口罩，因而更加環(huán)保。
圖5 高精度配合：增材制造的顱面，針對(duì) 特定患者的定制植入物(? Karl Leibinger Medizintechnik)
為了加快開發(fā)過程，在德國(guó)利希滕費(fèi)爾斯的Hofmann–IhrM?glichmacher公司使用HPMultiJetFusion技術(shù)，一夜之間打印了五個(gè)原型。兩周半后，產(chǎn)品就成熟了。Innocept提交了專利申請(qǐng)。該數(shù)字化加工技術(shù)還有另一項(xiàng)重要優(yōu)點(diǎn)：STL打印文件可以在許多打印機(jī)上通用，不用考慮制造商。
以顱骨植入物為例的最新進(jìn)展
人工智能、數(shù)字化和自動(dòng)化是工業(yè)4.0戰(zhàn)略的支柱。它們也為增材制造業(yè)帶來了靈感，并將塑造3D打印的未來，同時(shí)加速、創(chuàng)新、并促進(jìn)AM得到更廣泛的傳播。對(duì)于需要依據(jù)患者確定解決方案的醫(yī)療技術(shù)而言，這并不十分重要，但數(shù)字化產(chǎn)品仍有巨大的發(fā)展空間。如，一名手術(shù)外科醫(yī)生可以根據(jù)X光圖像及轉(zhuǎn)換成的STL文件定制完美的顱骨植入物（圖5）。
一個(gè)按照要求生產(chǎn)的多孔表面可確保植入物能理想地與人體組織結(jié)構(gòu)相容。但是，真正讓經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生們贊嘆的是植入物與頭蓋骨接合處的設(shè)計(jì)。有了這種設(shè)計(jì)，該組件可以更快地植入體內(nèi)，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。更快的愈合對(duì)患者有利，同時(shí)也提高了他們的生活質(zhì)量。這兩方面都是醫(yī)用AM技術(shù)的主要任務(wù)。
軟硬件的協(xié)同
AM工廠和設(shè)備充分利用了設(shè)計(jì)、數(shù)字工藝鏈以及軟硬件協(xié)同的潛力。在硬件方面，安裝空間和施工速度（裝配速度）在過去曾經(jīng)發(fā)揮了較大的作用?，F(xiàn)在，粉末床金屬打印機(jī)所需的安裝空間約為800cm3。如果采用多激光器系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)安裝空間為187cm3或125cm3。這些安裝空間的大小對(duì)于當(dāng)今任何醫(yī)療應(yīng)用都絕對(duì)足夠。由于使用了多激光器系統(tǒng)，裝配速度也顯著提高。今天，如果采用幾臺(tái)1000W的激光器，打印部件的速度可高達(dá)50cm3/h。
未來，粘合劑噴射技術(shù)有望提高這一速率。這項(xiàng)由麻省理工學(xué)院（MIT）開發(fā)的技術(shù)，會(huì)越來越適合于某些特定工況下的簡(jiǎn)單應(yīng)用。在粘合劑噴射3D打印，即“粉床和噴墨”3D打印中，部件被層層堆積成“綠色實(shí)體”。三維數(shù)據(jù)用于計(jì)算每個(gè)截面或?qū)拥膸缀螀?shù)。在3D打印過程中，在高度可調(diào)的桌面上鋪上一層粉末或顆粒，然后加上一層粘合劑，從而將零部件粘合在構(gòu)成部件一部分的地方。
過去十年的發(fā)展也導(dǎo)致了批量的大幅增加。質(zhì)量保證和自動(dòng)化日益重要。質(zhì)量保證是軟件主要但并非唯一的任務(wù)。軟件用于控制3D打印部件的構(gòu)建。它控制零部件的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，以及與設(shè)計(jì)相關(guān)的任務(wù)，并提出顯露策略和參數(shù)選擇，以及零部件的表面或密度建議。軟件還可以優(yōu)化安裝空間中零部件的方向以及必要的支撐結(jié)構(gòu)。
出于質(zhì)量保證的目的，軟件還有有助于基于零件密度或強(qiáng)度的熱特性模擬（熱模擬）和翹曲模擬（機(jī)械模擬）。最后，很重要的一點(diǎn)是，該軟件提供了“數(shù)字孿生兄弟”，所記錄的零部件優(yōu)化工藝參數(shù)可以一一保存。這意味著最大程度的再現(xiàn)性，這是數(shù)字化零部件才能提供的。
作為整體制造戰(zhàn)略的增材制造
自動(dòng)化和數(shù)字化供應(yīng)鏈促進(jìn)了增材制造的發(fā)展。自動(dòng)化意味著消除盡可能多的干擾值，使制造過程在保護(hù)氣體環(huán)境中安全進(jìn)行，并使其設(shè)計(jì)快速和自動(dòng)化。其范圍覆蓋容器中準(zhǔn)備、3D打印機(jī)實(shí)際設(shè)置，到自動(dòng)化后處理，如移除支撐結(jié)構(gòu)、熱后處理或表面處理。最大限度的自動(dòng)化意味著從粉末到成品的整個(gè)過程都無需人工操作。
從一開始，數(shù)字化流程鏈既是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，也是工廠和機(jī)械安裝人員充分挖掘AM潛力必要條件，現(xiàn)在已經(jīng)得到進(jìn)一步的發(fā)展。如今可以使用掃描儀直接捕獲文件。這可以在病床邊完成，也可以用于現(xiàn)在使用AM生產(chǎn)的常規(guī)零部件。但數(shù)字化流程鏈還在另一個(gè)維度上進(jìn)行。這里的關(guān)鍵詞是現(xiàn)代化AM工廠，具有用于生產(chǎn)和過程控制的連續(xù)數(shù)字化流程鏈（圖6）。這種現(xiàn)代化方式要求數(shù)據(jù)在備料、材料準(zhǔn)備、零部件生產(chǎn)、后處理和工廠內(nèi)部物流，甚至包括自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)（自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)，AGV）等各個(gè)環(huán)節(jié)中流動(dòng)。
FrankCarstenHerzog
德國(guó)ConceptLaserGmbH的創(chuàng)始人和合作伙伴之一，擁有300多項(xiàng)專利，被認(rèn)為是當(dāng)今工業(yè)金屬3D打印領(lǐng)域的先驅(qū)之一。作為德國(guó)科堡HZG集團(tuán)的董事總經(jīng)理，他支持初創(chuàng)企業(yè)，特別是在數(shù)字化技術(shù)領(lǐng)域的初創(chuàng)企業(yè)。
需要數(shù)字化熱點(diǎn)，而非病毒性熱點(diǎn)
即使現(xiàn)階段增材制造技術(shù)的發(fā)展某種程度上比十年或二十年前更為平緩，但它仍將逐步變得更加有用而高效。我們肯定會(huì)看到新的仿生產(chǎn)品、新設(shè)計(jì)、新材料、更可持續(xù)的產(chǎn)品，以及更廣泛的應(yīng)用。
人類現(xiàn)在開始將技術(shù)作為設(shè)計(jì)的重要因素。雖然許多企業(yè)成為了先行者，但主流環(huán)境仍然比較謹(jǐn)慎：2019年，71%的企業(yè)表示，在選擇可替代的生產(chǎn)方法時(shí)，缺乏專業(yè)知識(shí)是阻礙3D打印的最大因素。但與此相矛盾的是，79%的企業(yè)表示，在未來3到5年內(nèi)，通過3D打印技術(shù)制造的零部件數(shù)量至少會(huì)翻一番（來源：Jabilsurvey2019）。實(shí)際上，這種矛盾意味著我們可能不知道3D打印是如何實(shí)現(xiàn)的，但我們確實(shí)知道它變得越來越重要。
許多企業(yè)意識(shí)到某些事情正在發(fā)生，但他們?nèi)圆辉覆扇⌒袆?dòng)。為了更具體地推動(dòng)轉(zhuǎn)型，未來，“數(shù)字化”一定會(huì)成為一種優(yōu)勢(shì)，從而以更具體的方式塑造這種轉(zhuǎn)變。培育和發(fā)展“3D打印時(shí)代”將是未來的關(guān)鍵。培訓(xùn)和開發(fā)將使世界上任何地方的任何人都能擁有現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)锳M是在本地開發(fā)和制造產(chǎn)品的關(guān)鍵方法。這也包含人們一直在討論的通往中國(guó)的長(zhǎng)供應(yīng)鏈。AM允許我們?cè)诋?dāng)?shù)厣a(chǎn)，以靠近需求。不需要長(zhǎng)的運(yùn)輸路線或依賴運(yùn)輸。世界各地的數(shù)字化增材制造廠的成本結(jié)構(gòu)都比較類似。
圖6 未來的工廠需要從材料供應(yīng)（左）、 部件生產(chǎn)到后處理（右）的數(shù)據(jù)流，包括無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)(? GE Additive / Concept Laser)
所以，我們需要本地化的AM中心的“數(shù)字化熱點(diǎn)”。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們必須為了解并能夠使用3D打印的開發(fā)人員、繪圖人員、設(shè)計(jì)師和操作人員提供這一技術(shù)。這是我們唯一能夠?qū)鹘y(tǒng)制造戰(zhàn)略轉(zhuǎn)化為3D打印的新可能性、并充分利用未來創(chuàng)新機(jī)遇的唯一途徑。3D打印將成為眾多企業(yè)和行業(yè)的賴以競(jìng)爭(zhēng)的因素。
最后的思考
在結(jié)束對(duì)AM未來的展望時(shí)，不得不提及3D消費(fèi)市場(chǎng)。像其它硬件一樣，工業(yè)和民用3D打印機(jī)永遠(yuǎn)都有市場(chǎng)。英國(guó)市場(chǎng)分析公司Context稱，兩者的市場(chǎng)容量比為70:30。市場(chǎng)確實(shí)發(fā)生了巨大的飛躍：目前，一臺(tái)最先進(jìn)的民用3D打印機(jī)的價(jià)格約為1000歐元。我敢說，大約15年前，一臺(tái)零部件質(zhì)量類似的工業(yè)3D打印機(jī)的價(jià)格在10萬(wàn)到20萬(wàn)歐元之間。這意味著3D打印現(xiàn)在是水平而非垂直擴(kuò)張。
家用3D打印機(jī)（目前最流行的是惠普多射流熔融技術(shù)）將與辦公室激光打印機(jī)一樣成為未來的主流。因此可以相信，許多基于圖形許可的實(shí)用產(chǎn)品可以由“像我們這樣的人”在家生產(chǎn)。我認(rèn)為，在像SARS-CoV-2這樣的大流行病期間，渴望在不出門的情況下打印自己的防護(hù)面罩或口罩這一前景也不算太糟糕?？梢允褂脧木W(wǎng)上找到數(shù)據(jù)。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
