總投資55億元的季華實驗室，研制出800mm超大尺寸SLM金屬3D打印設備
時間：2022-03-29 15:25 來源：季華實驗室 作者：admin 閱讀：次
導讀：隨著航空航天等領域對3D打印大尺寸金屬零件的需求，設備的成型尺寸也在不斷變大，有的3D打印機已經達到幾米高，操作設備時需要先上一個梯子。 2022年3月28日，近日，季華實驗室增材制造團隊自主研發的JHL600超大幅面SLM金屬3D打印設備，取得階段性進展，僅僅經過一年多的不斷努力，設備開發小組完成了從結構設計、光學設計、水電氣設計，加工采購，到工控機及切片軟件的自主開發、安裝調試及一系列軟硬件聯調工作，突破了多項交叉學科難題，并已完成發明專利申請共計10余件，其中已獲得一件發明專利授權及兩件軟著授權，設備已具備打印功能。
通過260余張機械設計圖紙、100余張電氣原理設計圖紙、一整套自主開發PLC控制程序、500余種外購件選型采購記錄、9000余行切片軟件源代碼以及26000余行工控機軟件源代碼這樣復雜排列組合，完成了珠三角首臺超大尺寸金屬3D打印設備的研制，可實現最大成形尺寸達800x600x600mm3，一舉躋身全球大幅面激光選區熔化設備行列。
該設備的成功研制將解決航空航天發動機大尺寸關鍵零部件增材制造的“卡脖子”問題，利用雙構建倉可快速切換概念、多激光同步掃描、自適應雙向鋪粉、永久過濾系統及閉環粉末循環系統等高效模塊式設計，配合自主開發的Jiva 3D（季華3D系統）上位機及掃描路徑規劃軟件，從而實現打印效率的提升，同時提高設備運行的可靠性和穩定性。
該設備實現了首次近30小時的穩定運行，成功完成了第一版316L不銹鋼材料工藝測試樣件的打印任務；在設備成形性能及微觀組織一致性方面均滿足了測試標準。團隊下一步將繼續開展設備微調、工藝優化等一系列研發工作，完成多材料、大尺寸、復雜結構打印工藝的開發，推進超大尺寸3D打印設備的工業化。金屬增材制造團隊同時展開增材制造工藝及產品研發、金屬粉末霧化工藝及裝備開發，以科研為基礎，工程化及應用化為目標，打造覆蓋核心技術的全流程鏈研發中心，引領粵港澳大灣區增材制造技術的美好愿景。
關于季華實驗室
季華實驗室（先進制造科學與技術廣東省實驗室）是廣東省委、省政府啟動的首批4家廣東省實驗室之一。全國政協教科衛體委員會副主任、科技部原副部長曹健林擔任首任理事長和主任。
季華實驗室選址于佛山市三龍灣科技城核心區域，位于廣佛交界中心地區，距廣東省政府13公里，距佛山市政府12公里。整體占地1000畝，其中科研用地240畝，建筑面積30萬平方米，規劃產業化基地760畝。首期5年建設期投入總經費不低于55億元。先期確定了光學工程、機械工程、電子科學與技術、計算機科學與技術、材料科學與工程及生物醫學工程等六個學科方向，部署了機器人及其關鍵技術、半導體技術與裝備、高端醫療裝備、新型顯示裝備、先進遙感裝備、增材制造、新材料新器件研究、微納制造等八個研究方向。
定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技術及醫療應用
南極熊注意到，除了SLM 金屬3D打印機之外，季華實驗室在研的3D打印項目還包括“定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技術及醫療應用”。
一、項目意義
增材制造（3D打�。┘夹g在定制化植入物方面優勢巨大，預計2024年個性化植入物的醫療市場規模達96.39億美元。PEEK（聚醚醚酮）材料克服了金屬材料產生應力遮擋和輻射偽影等弊端，被認為是下一代骨植入物材料。目前將PEEK材料的優勢與3D打印技術融合，可以改變過去植入材料的不足，實現定制化PEEK骨植入物的快速制造。但是為了滿足更深層次的臨床應用，如骨植入物的仿生功能需求，骨-PEEK-軟組織生物活性強結合需求和植入物分區力學性能、生物功能可控需求等，需要進一步發展現有技術。因此，本項目提出定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技術及醫療應用，旨在突破現有均質PEEK植入物制造方法，發展以仿生功能驅動的定制化植入物材料、設計制造與評價技術，為未來產業發展提供創新技術和產業化支撐。
二、研究內容
1、面向功能仿生PEEK骨植入物的設計研究
根據植入物的功能需求，研發集外形結構、材料性能和功能一體化的優化設計方法，并建立個性化PEEK假體體內服役性能的分析和評價方法，最終將功能梯度需求轉化成為可實施的工藝過程參數，實現模型的生物功能梯度分區設計。
2、多材料控性熔融沉積3D打印設備研制
進行面向功能仿生植入物的多材料控性熔融沉積3D打印設備的研制，主要功能模塊包括全局成形熱環境控制系統，熱微環境控制系統，多材料在線復合改性擠出的打印頭等，并集成其他輔助系統，形成新型控性熔融沉積3D打印設備。
3、局部結晶調控與多材料按需分區可控工藝研究
為制造出仿生力學性能，建立溫度條件-聚集狀態（結晶狀態）-PEEK材料性能的內在關系模型，實現力學性能的分區調控，并通過控制骨植入物不同部位的增強相含量與分布不同，實現力學性能強化可控。
4、定制化PEEK功能化植入物臨床應用研究
開展力學仿生結構的生物學問題、骨-PEEK-軟組織結合的生物學問題以及分區梯度功能的生物學問題的研究，結合PEEK功能化骨植入物動物實驗和人體臨床試驗，建立定制化PEEK功能化植入物臨床應用示范和技術標準。
三、應用前景
目前已經與三十多家臨床單位緊密合作，實現3D打印定制化PEEK骨植入物臨床應用數百例，應用范圍涵蓋神經外科、頜面外科、口腔科、胸外科、骨科等科室，占國際范圍見諸公開報道案例的98%以上，包括多項世界首例臨床應用，并受邀發表《機械工程學報》封面文章，受央視CCTV9《超級裝備》的專題報道。本項目目前已經在持續牽引定制化醫療器械行業的發展，在不久的未來將促進形成一批受國家監管部門準入的3D打印定制化PEEK骨植入物醫療器械，提升骨缺損患者的修復效果和恢復狀態，進一步促動精準醫療產業的發展。
△JHL600金屬增材制造裝備渲染圖
通過260余張機械設計圖紙、100余張電氣原理設計圖紙、一整套自主開發PLC控制程序、500余種外購件選型采購記錄、9000余行切片軟件源代碼以及26000余行工控機軟件源代碼這樣復雜排列組合，完成了珠三角首臺超大尺寸金屬3D打印設備的研制，可實現最大成形尺寸達800x600x600mm3，一舉躋身全球大幅面激光選區熔化設備行列。
△設備開發成員同裝備實拍合影
該設備的成功研制將解決航空航天發動機大尺寸關鍵零部件增材制造的“卡脖子”問題，利用雙構建倉可快速切換概念、多激光同步掃描、自適應雙向鋪粉、永久過濾系統及閉環粉末循環系統等高效模塊式設計，配合自主開發的Jiva 3D（季華3D系統）上位機及掃描路徑規劃軟件，從而實現打印效率的提升，同時提高設備運行的可靠性和穩定性。
△首版工藝測試樣件實拍圖
該設備實現了首次近30小時的穩定運行，成功完成了第一版316L不銹鋼材料工藝測試樣件的打印任務；在設備成形性能及微觀組織一致性方面均滿足了測試標準。團隊下一步將繼續開展設備微調、工藝優化等一系列研發工作，完成多材料、大尺寸、復雜結構打印工藝的開發，推進超大尺寸3D打印設備的工業化。金屬增材制造團隊同時展開增材制造工藝及產品研發、金屬粉末霧化工藝及裝備開發，以科研為基礎，工程化及應用化為目標，打造覆蓋核心技術的全流程鏈研發中心，引領粵港澳大灣區增材制造技術的美好愿景。
關于季華實驗室
季華實驗室（先進制造科學與技術廣東省實驗室）是廣東省委、省政府啟動的首批4家廣東省實驗室之一。全國政協教科衛體委員會副主任、科技部原副部長曹健林擔任首任理事長和主任。
季華實驗室選址于佛山市三龍灣科技城核心區域，位于廣佛交界中心地區，距廣東省政府13公里，距佛山市政府12公里。整體占地1000畝，其中科研用地240畝，建筑面積30萬平方米，規劃產業化基地760畝。首期5年建設期投入總經費不低于55億元。先期確定了光學工程、機械工程、電子科學與技術、計算機科學與技術、材料科學與工程及生物醫學工程等六個學科方向，部署了機器人及其關鍵技術、半導體技術與裝備、高端醫療裝備、新型顯示裝備、先進遙感裝備、增材制造、新材料新器件研究、微納制造等八個研究方向。
定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技術及醫療應用
南極熊注意到，除了SLM 金屬3D打印機之外，季華實驗室在研的3D打印項目還包括“定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技術及醫療應用”。
一、項目意義
增材制造（3D打�。┘夹g在定制化植入物方面優勢巨大，預計2024年個性化植入物的醫療市場規模達96.39億美元。PEEK（聚醚醚酮）材料克服了金屬材料產生應力遮擋和輻射偽影等弊端，被認為是下一代骨植入物材料。目前將PEEK材料的優勢與3D打印技術融合，可以改變過去植入材料的不足，實現定制化PEEK骨植入物的快速制造。但是為了滿足更深層次的臨床應用，如骨植入物的仿生功能需求，骨-PEEK-軟組織生物活性強結合需求和植入物分區力學性能、生物功能可控需求等，需要進一步發展現有技術。因此，本項目提出定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技術及醫療應用，旨在突破現有均質PEEK植入物制造方法，發展以仿生功能驅動的定制化植入物材料、設計制造與評價技術，為未來產業發展提供創新技術和產業化支撐。
二、研究內容
1、面向功能仿生PEEK骨植入物的設計研究
根據植入物的功能需求，研發集外形結構、材料性能和功能一體化的優化設計方法，并建立個性化PEEK假體體內服役性能的分析和評價方法，最終將功能梯度需求轉化成為可實施的工藝過程參數，實現模型的生物功能梯度分區設計。
圖1 功能仿生PEEK骨植入物的設計技術
2、多材料控性熔融沉積3D打印設備研制
進行面向功能仿生植入物的多材料控性熔融沉積3D打印設備的研制，主要功能模塊包括全局成形熱環境控制系統，熱微環境控制系統，多材料在線復合改性擠出的打印頭等，并集成其他輔助系統，形成新型控性熔融沉積3D打印設備。
圖2 多材料控性熔融沉積3D打印設備方案
3、局部結晶調控與多材料按需分區可控工藝研究
為制造出仿生力學性能，建立溫度條件-聚集狀態（結晶狀態）-PEEK材料性能的內在關系模型，實現力學性能的分區調控，并通過控制骨植入物不同部位的增強相含量與分布不同，實現力學性能強化可控。
圖3 局部結晶調控與多材料按需分區可控工藝原理
4、定制化PEEK功能化植入物臨床應用研究
開展力學仿生結構的生物學問題、骨-PEEK-軟組織結合的生物學問題以及分區梯度功能的生物學問題的研究，結合PEEK功能化骨植入物動物實驗和人體臨床試驗，建立定制化PEEK功能化植入物臨床應用示范和技術標準。
三、應用前景
目前已經與三十多家臨床單位緊密合作，實現3D打印定制化PEEK骨植入物臨床應用數百例，應用范圍涵蓋神經外科、頜面外科、口腔科、胸外科、骨科等科室，占國際范圍見諸公開報道案例的98%以上，包括多項世界首例臨床應用，并受邀發表《機械工程學報》封面文章，受央視CCTV9《超級裝備》的專題報道。本項目目前已經在持續牽引定制化醫療器械行業的發展，在不久的未來將促進形成一批受國家監管部門準入的3D打印定制化PEEK骨植入物醫療器械，提升骨缺損患者的修復效果和恢復狀態，進一步促動精準醫療產業的發展。
圖4 3D打印定制化PEEK骨植入物臨床應用
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