总投资55亿元的季华实验室，研制出800mm超大尺寸SLM金属3D打印设备
时间:2022-03-29 15:25 来源:季华实验室 作者:admin 点击:次
导读：随着航空航天等领域对3D打印大尺寸金属零件的需求，设备的成型尺寸也在不断变大，有的3D打印机已经达到几米高，操作设备时需要先上一个梯子。 2022年3月28日，近日，季华实验室增材制造团队自主研发的JHL600超大幅面SLM金属3D打印设备，取得阶段性进展，仅仅经过一年多的不断努力，设备开发小组完成了从结构设计、光学设计、水电气设计，加工采购，到工控机及切片软件的自主开发、安装调试及一系列软硬件联调工作，突破了多项交叉学科难题，并已完成发明专利申请共计10余件，其中已获得一件发明专利授权及两件软著授权，设备已具备打印功能。
△JHL600金属增材制造装备渲染图
通过260余张机械设计图纸、100余张电气原理设计图纸、一整套自主开发PLC控制程序、500余种外购件选型采购记录、9000余行切片软件源代码以及26000余行工控机软件源代码这样复杂排列组合，完成了珠三角首台超大尺寸金属3D打印设备的研制，可实现最大成形尺寸达800x600x600mm3，一举跻身全球大幅面激光选区熔化设备行列。 
△设备开发成员同装备实拍合影
该设备的成功研制将解决航空航天发动机大尺寸关键零部件增材制造的“卡脖子”问题，利用双构建仓可快速切换概念、多激光同步扫描、自适应双向铺粉、永久过滤系统及闭环粉末循环系统等高效模块式设计，配合自主开发的Jiva 3D（季华3D系统）上位机及扫描路径规划软件，从而实现打印效率的提升，同时提高设备运行的可靠性和稳定性。 
△首版工艺测试样件实拍图
该设备实现了首次近30小时的稳定运行，成功完成了第一版316L不锈钢材料工艺测试样件的打印任务；在设备成形性能及微观组织一致性方面均满足了测试标准。团队下一步将继续开展设备微调、工艺优化等一系列研发工作，完成多材料、大尺寸、复杂结构打印工艺的开发，推进超大尺寸3D打印设备的工业化。金属增材制造团队同时展开增材制造工艺及产品研发、金属粉末雾化工艺及装备开发，以科研为基础，工程化及应用化为目标，打造覆盖核心技术的全流程链研发中心，引领粤港澳大湾区增材制造技术的美好愿景。 关于季华实验室 季华实验室（先进制造科学与技术广东省实验室）是广东省委、省政府启动的首批4家广东省实验室之一。全国政协教科卫体委员会副主任、科技部原副部长曹健林担任首任理事长和主任。 季华实验室选址于佛山市三龙湾科技城核心区域，位于广佛交界中心地区，距广东省政府13公里，距佛山市政府12公里。整体占地1000亩，其中科研用地240亩，建筑面积30万平方米，规划产业化基地760亩。首期5年建设期投入总经费不低于55亿元。先期确定了光学工程、机械工程、电子科学与技术、计算机科学与技术、材料科学与工程及生物医学工程等六个学科方向，部署了机器人及其关键技术、半导体技术与装备、高端医疗装备、新型显示装备、先进遥感装备、增材制造、新材料新器件研究、微纳制造等八个研究方向。 定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技术及医疗应用 南极熊注意到，除了SLM 金属3D打印机之外，季华实验室在研的3D打印项目还包括“定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技术及医疗应用”。 一、项目意义 增材制造（3D打印）技术在定制化植入物方面优势巨大，预计2024年个性化植入物的医疗市场规模达96.39亿美元。PEEK（聚醚醚酮）材料克服了金属材料产生应力遮挡和辐射伪影等弊端，被认为是下一代骨植入物材料。目前将PEEK材料的优势与3D打印技术融合，可以改变过去植入材料的不足，实现定制化PEEK骨植入物的快速制造。但是为了满足更深层次的临床应用，如骨植入物的仿生功能需求，骨-PEEK-软组织生物活性强结合需求和植入物分区力学性能、生物功能可控需求等，需要进一步发展现有技术。因此，本项目提出定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技术及医疗应用，旨在突破现有均质PEEK植入物制造方法，发展以仿生功能驱动的定制化植入物材料、设计制造与评价技术，为未来产业发展提供创新技术和产业化支撑。 二、研究内容 1、面向功能仿生PEEK骨植入物的设计研究 根据植入物的功能需求，研发集外形结构、材料性能和功能一体化的优化设计方法，并建立个性化PEEK假体体内服役性能的分析和评价方法，最终将功能梯度需求转化成为可实施的工艺过程参数，实现模型的生物功能梯度分区设计。 
图1 功能仿生PEEK骨植入物的设计技术
2、多材料控性熔融沉积3D打印设备研制 进行面向功能仿生植入物的多材料控性熔融沉积3D打印设备的研制，主要功能模块包括全局成形热环境控制系统，热微环境控制系统，多材料在线复合改性挤出的打印头等，并集成其他辅助系统，形成新型控性熔融沉积3D打印设备。 
图2 多材料控性熔融沉积3D打印设备方案
3、局部结晶调控与多材料按需分区可控工艺研究 为制造出仿生力学性能，建立温度条件-聚集状态（结晶状态）-PEEK材料性能的内在关系模型，实现力学性能的分区调控，并通过控制骨植入物不同部位的增强相含量与分布不同，实现力学性能强化可控。 
图3 局部结晶调控与多材料按需分区可控工艺原理
4、定制化PEEK功能化植入物临床应用研究 开展力学仿生结构的生物学问题、骨-PEEK-软组织结合的生物学问题以及分区梯度功能的生物学问题的研究，结合PEEK功能化骨植入物动物实验和人体临床试验，建立定制化PEEK功能化植入物临床应用示范和技术标准。 三、应用前景 目前已经与三十多家临床单位紧密合作，实现3D打印定制化PEEK骨植入物临床应用数百例，应用范围涵盖神经外科、颌面外科、口腔科、胸外科、骨科等科室，占国际范围见诸公开报道案例的98%以上，包括多项世界首例临床应用，并受邀发表《机械工程学报》封面文章，受央视CCTV9《超级装备》的专题报道。本项目目前已经在持续牵引定制化医疗器械行业的发展，在不久的未来将促进形成一批受国家监管部门准入的3D打印定制化PEEK骨植入物医疗器械，提升骨缺损患者的修复效果和恢复状态，进一步促动精准医疗产业的发展。 
图4 3D打印定制化PEEK骨植入物临床应用
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