3D 激光打印機將來是否會讓每家每戶的生活都變得更美好,目前還尚未可知。但是有一點可以肯定,通過3D 打印機生成的產品有助于保持健康,甚至拯救生命。
社會大眾大都對3D 打印機懷揣著夢想:小到咖啡杯,大到小汽車,這臺無所不能的裝置只要通過打印機粉末和激光就能把任何生活用品都變出來。然而,幾乎沒有人能意識到,工業界一直懷揣著這個夢想并且開始取得實際成果。工業界遵循的目標與普羅大眾完全不同。而是可取代工藝升級、材料和系統,能夠以高度精準的方式執行具體的任務,這些任務能夠在工業級別上編程重現。
近年來,激光增材制造技術領域默默無聞地取得了進步,基于快速成型技術的增材制造已經滲透到諸多領域,這歸功于它不受幾何形狀的限制。如今,該技術已經在小規模生產和工具制造中廣泛應用,快速制造和快速成型是它的核心理念。尤其是航空航天業以及汽車制造業,基于創新的工藝設計理念,專家們正在努力開發出符合工業化的工藝應用。而另一方面,醫療技術業也在努力探尋這種技術的更多應用方法。
醫療技術的目的之一,讓人體中使用的植入體和生物環境相適應。如今,計算機X 線斷層攝影技術已經可以在復雜手術前就提供關于病人的高分辨率3D 圖像數據。根據病人的骨骼、器官和四肢精確圖像,可以制作出適合患者的植入物和假肢。第一批用激光增材制造方法制作的植入物之一的是由Lima 公司制造的髖關節假肢。其表面的多孔型結構可以提高其與人體組織配合性。這種植入體是用電子束輻射設備生產的。此外,在科學文獻中不斷報道了在口腔、頜、面部手術中應用了激光增材制造技術制作的植入體。然而,牙科植入體已經在使用這種技術進行大批量生產。
但是要進一步擴大激光增材制造技術在醫學移植方面的應用范圍,還需要必要的和昂貴的軟件基礎設施、通過生產工藝認證以及根據93/42/EEC 歐盟指令獲得的臨床許可。目前,工業界以及學術界都在全力以赴,填補生產技術、軟件和臨床許可的空白。醫療技術不僅僅把接近得到實際應用的研發成果向前推進,它們的需求還推動了很大一部分基礎研究的發展。這方面的研究課題主要是如何對很難焊接的、可生物降解的或者功能性材料進行加工處理。例如,著名的漢諾威激光中心(LZH)的表面技術研究小組正在研究鎂粉的激光增材加工工藝。這項研究是由德國研究協會、漢諾威醫學院口腔及頜面部外科學系以及漢諾威獸醫學院聯合展開的研究項目的一部分。該項目的目的是,能為重建損傷的顱面骨生產出可控生物降解的混合式植入體。在重建受損部位時,這樣的一個植入體可以首先取代受傷的部分骨骼,支撐起上面的重建部分。愈合以后,植入體會逐漸分解,讓位于再生長的骨細胞。這也意味著,隨著骨骼的愈合,所出現的作用力會逐漸轉移到新長出的骨骼上。這項研究的目的是,用激光增材制造
表面技術研究小組也重點研究以激光為基礎的增材微加工,激光熔覆焊接和選擇性激光微熔化。這樣就能制作醫學微型植入體,或者是對表面進行功能性微結構處理。由醫用鋼材制作的藥物傳輸系統,其作用是將藥物直接導入到目標組織,就是關注的領域之一,例如用在微行器的鎳鈦記憶合金的加工。具體應用決定了選擇何種激光加工工藝:要么使用分為兩步、基于粉末床的激光微熔化技術,要么使用一步到位的激光微熔覆焊接技術,這兩種方法制造出的物品均不會有孔眼和缺陷,其微結構尺寸在 30-40 微米之間。與選擇性激光熔化相反,激光微金屬沉積不需要粉末床,因為這種工藝使粉狀輔助材料直接進入加工區。對于自由曲面或是大型組件的表面結構,激光微金屬沉積是更好的選擇。激光微熔化尤其適合制作多個零部件或者是帶有底切的復雜三維結構。如果人們觀察最新的出版物和事件就會發現,激光增材制造已經慢慢處于大規模工業應用中。無論是作為傳統工藝的替代選擇,或者是應用于激光增材技術所開辟的新的應用領域。盡管各種不同激光加工工藝無論是成熟度還是應用廣度相互之間差異極大, 但是激光微金屬沉積和激光微熔化技術目前還處于大規模應用的初始階段。隨著發展,用戶和研究學者之間互動越來越多,從而更多地展現出工業界的實際要求,并確定新的科研方向。預計在未來幾年,激光增材制造技術會取得顯著的進步
作者:克里斯汀. 諾爾克是漢諾威激光中心表面技術組的負責人。他在多個技術委員會任職,其中包括德國焊接學會(DVS) FA13“ 生成工藝”技術委員會,同時他也在德國標準化學會 (DIN) 參與起草 DIN ISO / TC261 標準。
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