„Już nie tylko modne słowo”: Jak drukowanie 3D robi się ważne w przemyśle medycznym
Technologia przyrostowa to nie jest już tylko kwestia mody: To standardowa praktyka. Odkryj motywatory rozwoju druku 3D w segmencie medycznym.W ciągu niespełna dekady, technologia przyrostowa (AM) przeszedł z popularnego tematu na konferencjach branży medycznej do linii produkcyjnej. Czołowi producenci ortopedyczni używają teraz druku 3Ddo produkcji setek tysięcy protetycznych bioder rocznie, umożliwiając tworzenie złożonych kształtów wcześniej niemożliwych do wytworzenia.
Inni produkują dostosowane do potrzeb implanty dla ofiar poważnych wypadków lub raka kości. Nawet producenci, którzy używają tradycyjnych technik do rzeczywistej produkcji, używają AM, aby przyspieszyć rozwój produktu.
"Dziesięć lat temu rozmawialiśmy o tym, pięć lat temu bawiliśmy się tym, ale teraz używamy do masowej produkcji" - powiedział Ciaran Dillane, dyrektor zarządzający Premier Machine Tools, spółki zależnej Seco, która jest głównym dostawcą irlandzkiego przemysłu medycznego.
"Nie sądzę, żeby to dalej było modne słowo: To standardowa praktyka."
Rewolucja ortopedyczna
Główną techniką stosowaną w druku 3D w przemyśle medycznym jest laserowa fuzja w złożu proszkowym (LPBF), gdzie warstwy proszku metalu o grubości zaledwie mikronów są rozprowadzane nad rosnącym komponentem na łożu i łączone za pomocą lasera.
Drukowanie 3D metalu staje się standardową metodą przemysłu ortopedycznego do produkcji komponentów zamiennych do stawów, takich jak biodra, kolana i ramiona lub siatki do spłacenia uszkodzenia czaszki, ponieważ pozwala na produkcję złożonych struktur gąbczastych lub kratowych niemożliwych przy tradycyjnym kuciu lub frezowaniu.
Krata jest umieszczona w miejscu, w którym tytan spotyka się z kością, która następnie znajduje drogę przez kratę i przestaje rosnąć, gdy uderza w twardą powierzchnię. Ta technika „wchodzenia kości” tworzy lepszą więź między kością a składnikiem niż poprzednia technika „odrastania kości” i eliminuje potrzebę cementu kostnego, zmniejszając ryzyko infekcji.
"Wszyscy producenci ortopedyczni mają własne wersje tej technologii i w ciągu ostatnich pięciu lat znacznie się ona rozrosła" - powiedział Dillane.
Większość używa proszku tytanowego, który ma elastyczność podobną do kości i, w przeciwieństwie do chromu lub stopów zawierających żelazo, jest w pełni biokompatybilny. Firma Sandvik, właściciel Seco, oferuje ponad 2 000 proszków metali, z których coraz więcej – obecnie blisko 50 – jest przeznaczonych do produkcji addytywnej.
Zróbmy to inaczej
Technologia addytywna zaczyna być również stosowana do produkcji implantów kręgosłupa, gdzie druk 3D z tytanu zastępuje polimer elementach kręgosłupa. Służy do wykonywania specjalistycznych narzędzi chirurgicznych, które są dostosowane do konkretnego pacjenta lub operacji.
„Myślę, że stomatologia zmienia się znacznie szybciej: Ma mniejsze komponenty, które nie są tak krytyczne pod względem tolerancji”, wyjaśnia Andrew Fielding, Global Business Development Manager (Medical) w Seco. "W ciągu najbliższych kilku lat będzie to 50-60 procent rynku."
Według Ingemar Bite, kierownika ds. badań i rozwoju w dziale produkcji addytywnej Seco, we wszystkich tych przypadkach po wydruku elementy powinny być poddane obróbce, zarówno w celu osiągnięcia dokładnego kształtu, jak i uzyskania właściwego wykończenia powierzchni.
"Bezpośrednio po procesie mamy powierzchnię pełną naturalnej porowatości, dlatego powinniśmy obrabiać wszystkie powierzchnie, które są poddawane wysokim naprężeniom rozciągającym lub mają wymagania dotyczące tolerancji geometrycznych lub wykończenia powierzchni" - wyjaśnił.
Oznacza to, że nawet na etapie projektowania wspomaganego komputerowo, kształt elementu powinien być sporządzony z myślą o obróbce, dla której producenci mogą skorzystać z fachowej pomocy, jaką może zapewnić Seco.
Wieloletnie doświadczenie
W siedzibie Seco w miejscowości Fagersta, 175 km na północny zachód od Sztokholmu, zespół Bite'a bada inżynierię przyrostową od czasu nabycia przez Seco pierwszej maszyny LPBF w 2018 roku.
"Do tej pory projekt był w fazie rozwoju, z oceną i testami polowymi, zarówno u naszych klientów, jak i wewnętrznie. Teraz czujemy, że proces jest tak stabilny i mamy wystarczającą wiedzę, aby zacząć docierać do klientów z tą technologią” – powiedział Bite.
Firma pracowała z AM już wcześniej, współpracowała z Additive Manufacturing Centre w Sandviken nad pierwszym produktem w technologii AM – dociskiem z doprowadzeniem chłodziwa.
Docisk, który jest dostępny dla klientów od 2017 roku, może skierować chłodziwo do określonej części krawędzi skrawającej przez zakrzywiony kanał niemożliwy do wykonania przy użyciu konwencjonalnych technik produkcji.
Na początku tego roku Seco przeniosło produkcję AM i R&D do obiektu przebudowanego na potrzeby firmy na początku tego roku.
„To dla nas duża zaleta, jak to widzę: Wciąż jest wiele do nauczenia się i oceny z AM, a praca badawczo-rozwojowa i produkcyjna blisko siebie pod tym samym dachem daje wiele korzyści.” Powiedział Bite. "Daje nam to również większą elastyczność w zakresie sprzętu i lepszą kontrolę nad procesem."
Seco ma na celu wykorzystanie AM do produkcji niestandardowych narzędzi do tradycyjnej obróbki, szczególnie tam, gdzie klient potrzebuje lepszego rozwiązania, które można osiągnąć tylko tą metodą.
Firma opracowuje również narzędzia hybrydowe, w których przednia cześć wyposażona w unikalną kieszeń, kształt lub wylot chłodziwa, jest drukowana w 3D bezpośrednio na konwencjonalnie obrabianym chwycie.
Dzięki temu firma Seco może używać płytek i/lub innych narzędzi w bardzo wymagających zastosowaniach, zapewniając dostęp do funkcji lub umożliwiając obróbkę materiałów, które w przeciwnym razie byłyby bardzo trudne.
Narzędzia AM mają inne zalety. W większości przypadków można usunąć nawet 20% całkowitej masy bez wpływu na wydajność narzędzia. Drukowanie 3D na konwencjonalnie obrabianym chwycie może skrócić czas produkcji.
Zmniejszona masa może również poprawić wydajność narzędzia, szczególnie w przypadkach, gdy narzędzie ma długi wysięg, gdzie narzędzie o mniejszej masie może zwiększyć efekt pasywnego tłumienia dynamicznego.
Protetyka na zamówienie
Podczas gdy niektórzy producenci używają tej techniki do produkcji seryjnej, prawdziwe zalety ujawniają się gdy wymagana jest personalizacja, implantów, protez i szablonów chirurgicznych zaprojektowanych na podstawie danych anatomicznych specyficznych dla pacjenta.
Dillane oczekuje, że stanie się to standardową praktyką wytwarzania komponentów dla ofiar poważnych wypadków lub raka kości. "Wykonają tomografię komputerową w szpitalu, zrozumieją, w jakim stanie znajduje się twoja kość, a następnie wyślą to do jednego z producentów elementów ortopedycznych w formie skanu. Za pomocą inżynierii odwrotnej w ciągu nocy tworzą model i wydrukują go w 3D w ciągu 24 godzin. Prawdopodobnie wyjdziesz ze szpitala po 36 do 48 godzin." Ten szybki czas realizacji, do którego pacjenci są przyzwyczajeni podczas uzyskiwania implantów dentystycznych, skróci czas oczekiwania pacjentów w szpitalu na protezy.
W innych branżach krótki czas realizacji może przyspieszyć rozwój produktu. Seco niedawno pomogło jednemu globalnemu producentowi ortopedycznemu przejść od pierwszych projektów do całkowicie obrobionego komponentu kości udowej w ciągu zaledwie sześciu tygodni. Mimo że końcowy komponent będzie kuty i frezowany w tradycyjny sposób, wykorzystanie produkcji addytywnej do budowy prototypów skraca czas rozwoju o ponad połowę.
W nadchodzącej dekadzie produkcja addytywna wydaje się z pewnością wyprzedzić tradycyjne techniki w segmentach ortopedycznych i stomatologicznych, a dostosowane do indywidualnych pacjentów części stają się coraz bardziej powszechne, a czasy realizacji są coraz krótsze. Technika ta może również umożliwić produkcję nowych, bardziej złożonych elementów, takich jak elementy kręgosłupa i sztuczne kolana dla dzieci, które mogą rosnąć, a także umożliwić łatwiejsze instalowanie chipów. Na koniec pojawiają się nowe obrabiarki, które mogą realizować produkcję addytywną oraz tradycyjne techniki frezarskie.
"Nie mówimy już o obróbce. Mówimy o kształtowaniu komponentów,” – wyjaśnił Dillane. "Ponieważ dla nas, produkcja addytywna i produkcja ubytkowa łączą się w jeden proces."
Chcesz dowiedzieć się więcej o korzyściach i wyzwaniach związanych z produkcją addytywną w segmencie medycznym?
Znajdź więcej odpowiedzi w naszym najnowszym e-booku!
