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(fā)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(fā)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(fā)、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(fā)明專利申請共計10余件，其中已獲得一件發(fā)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(fā)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(qū)熔化設備行列。
該設備的成功研制將解決航空航天發(fā)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(huán)粉末循環(huán)系統等高效模塊式設計，配合自主開發(fā)的Jiva 3D（季華3D系統）上位機及掃描路徑規(guī)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(wěn)定性。
該設備實現了首次近30小時的穩(wěn)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(xù)開展設備微調、工藝優(yōu)化等一系列研發(fā)工作，完成多材料、大尺寸、復雜結構打印工藝的開發(fā)，推進超大尺寸3D打印設備的工業(yè)化。金屬增材制造團隊同時展開增材制造工藝及產品研發(fā)、金屬粉末霧化工藝及裝備開發(fā)，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(fā)中心，引領粵港澳大灣區(qū)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(wèi)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(qū)域，位于廣佛交界中心地區(qū)，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(guī)劃產業(yè)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(yī)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(yī)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(yī)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(yī)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(yōu)勢巨大，預計2024年個性化植入物的醫(yī)療市場規(guī)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(yōu)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(qū)力學性能、生物功能可控需求等，需要進一步發(fā)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(yī)療應用，旨在突破現有均質PEEK植入物制造方法，發(fā)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(yè)發(fā)展提供創(chuàng)新技術和產業(yè)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(fā)集外形結構、材料性能和功能一體化的優(yōu)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(qū)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(huán)境控制系統，熱微環(huán)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(qū)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(tài)（結晶狀態(tài)）-PEEK材料性能的內在關系模型，實現力學性能的分區(qū)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(qū)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(fā)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(xù)牽引定制化醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展，在不久的未來將促進形成一批受國家監(jiān)管部門準入的3D打印定制化PEEK骨植入物醫(yī)療器械，提升骨缺損患者的修復效果和恢復狀態(tài)，進一步促動精準醫(yī)療產業(yè)的發(fā)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(fā)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(qū)熔化設備行列。
△設備開發(fā)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(fā)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(huán)粉末循環(huán)系統等高效模塊式設計，配合自主開發(fā)的Jiva 3D（季華3D系統）上位機及掃描路徑規(guī)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(wěn)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(wěn)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(xù)開展設備微調、工藝優(yōu)化等一系列研發(fā)工作，完成多材料、大尺寸、復雜結構打印工藝的開發(fā)，推進超大尺寸3D打印設備的工業(yè)化。金屬增材制造團隊同時展開增材制造工藝及產品研發(fā)、金屬粉末霧化工藝及裝備開發(fā)，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(fā)中心，引領粵港澳大灣區(qū)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(wèi)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(qū)域，位于廣佛交界中心地區(qū)，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(guī)劃產業(yè)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(yī)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(yī)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(yī)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(yī)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(yōu)勢巨大，預計2024年個性化植入物的醫(yī)療市場規(guī)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(yōu)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(qū)力學性能、生物功能可控需求等，需要進一步發(fā)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(yī)療應用，旨在突破現有均質PEEK植入物制造方法，發(fā)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(yè)發(fā)展提供創(chuàng)新技術和產業(yè)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(fā)集外形結構、材料性能和功能一體化的優(yōu)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(qū)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(huán)境控制系統，熱微環(huán)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(qū)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(tài)（結晶狀態(tài)）-PEEK材料性能的內在關系模型，實現力學性能的分區(qū)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(qū)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(qū)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(fā)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(xù)牽引定制化醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展，在不久的未來將促進形成一批受國家監(jiān)管部門準入的3D打印定制化PEEK骨植入物醫(yī)療器械，提升骨缺損患者的修復效果和恢復狀態(tài)，進一步促動精準醫(yī)療產業(yè)的發(fā)展。
圖4 3D打印定制化PEEK骨植入物臨床應用
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