与从库存中切割零件相比,精加工增材制造的植入物需要不同的节奏和工作流程——对于经验丰富的制造商来说,足以保证有专门的机加工车间。

3D打印脊柱植入物和工作夹具

RMS 在 30 台粉末床融合机上每月生产多达 20,000 个 3D
打印钛植入物,例如这些脊柱植入物。所有这些零件都需要在公司专门为增材零件设立的机械车间进行精加工。

作为一家医疗器械制造商,RMS添加剂部门的目标是提供从“粉末到包装”的添加剂制造植入物所需的所有服务。这种能力的很大一部分是加工。“我们制造的每一个增材部件,我们都在加工,”该公司增材部门的运营总监 Troy Olson 说。

“我们制造的每一个增材部件,我们都在加工,”RMS 增材制造部门的运营总监 Troy Olson 说。

在开始其增材部门之前,RMS 在减材制造方面拥有扎实的背景。该公司从事零件加工已有 50 多年的历史,目前拥有 650 多台机床执行从瑞士式车削到五轴铣削的各种操作。然而,RMS 了解到,这种经验并不总是适用于 3D 打印部件。事实上,节奏和工作流程与减材零件如此不同,以至于增材部门需要一个单独的、专门的机械车间,并配备自己的员工。“我们不希望添加剂搞砸了已经是行业领先的机械车间,”高级添加剂制造工程师 Ryan Kircher 解释说。

传统制造的零件需要加工掉多达 90% 的库存,而增材零件已经接近最终形状,需要基本操作,例如钻孔、攻丝和机加工仪表槽。周期时间要快得多。根据零件加工特征的数量,员工每小时可以加工 6 到 20 个零件,并且每天更换机器多达 2 到 3 次。除了不同的工作流程外,精加工的增材零件需要以不同的方式处理,因为它们的报废成本更高。整个过程旨在产生零废料。

带机器人钻头的机械车间

增材加工车间在 12 台 FANUC Robodrills 上进行标准化,以实现调度的灵活性。

两个过程优于一个

车间的五轴机床、多轴车床等先进机床生产成套零件。增材部件的不同之处在于仅靠 3D 打印是不够的。事实上,RMS 的所有增材制造零件都需要精加工。

“当我们研究增材制造时,我们将其视为一种补充技术,而不是一种单独的技术,”奥尔森说。Kircher 说,在他之前使用增材制造植入物的经验中,他已经看到了将 AM 视为独立技术的许多陷阱。“您必须在设计中做出妥协以适应增材制造或设置这些可怕的手动后处理步骤,例如去毛刺、去除支撑和手动攻丝几乎打印正确的螺纹。” 通过使用这两种工艺,RMS 可以在不影响设计的情况下高效且经济地制造植入物。

开店

增材机械车间由 Aaron Glanz 领导,由 8 名机械师组成第一班,七位二班,两位周末班,并计划增加更多。与公司其他部门一样,添加剂加工车间的设备是标准化的,以实现最大的灵活性。它有 12台FANUC Robodrill 和 3 台CUT AM 500水平 EDM,它们是由GF Machining Solutions专门设计的,用于从其构建板上移除 3D 打印金属部件。增材部门还有一台专用于重修构建板的Haas VMC 和一台用于加工 AM 试样的 Haas 车床。

塑料托盘中的 3D 打印脊柱植入物

来自构建板的所有部件通过下游操作一起移动。每个批次都需要在机加工车间进行单独设置,包括首件和末件检查以及全线清关。

增材零件的减法工作流程

但是,增材制造零件的加工过程在它们到达车间的这个区域之前就开始了。负责运行打印机的员工还负责分离零件,然后重修构建板。

与构建板分离后,零件被送出进行热等静压 (HIP),然后返回 RMS 进行加工。在打印和 HIP 之间,零件在这一点上已经增加了很多价值,因此机械师需要非常小心,不要将它们报废。“Aaron 围绕零废料建立了他的加工团队——夹具、探测、标准化工具、标准化编程——这样我们就不会为了设置加工操作而牺牲打印零件,”Olson 说。尽管在加工过程中从这些零件中去除的材料量相对较少,但正确处理是至关重要的。

根据他自己的经验,Glanz 表示,在 RMS 的减法部门工作后,采用零报废的心态可能是一项挑战。“你正在把习惯使用棒材的机械师从地板上带走,”他说。“如果机床操作员犯了错误,你可以直接跑回库房。您必须向操作员灌输印刷零件无法做到这一点。想象一下库房需要三周的旅行时间。”

添加剂车间的机械师也必须适应增加的设置数量。附加部件的订单被分解为构建板数量。例如,1,000 个零件的订单可能需要 10 到 15 个构建板。每个构建板通常包含 75 到 100 个零件,这些零件通过包括机加工在内的后处理操作一起移动。但是,这意味着每个构建板都有自己的设置。“Aaron 不是设置一次工作并运行 1,000 个零件,而是将这项工作设置为 10 到 15 次以运行相同的 1,000 个零件,因为他需要做很多事情,”奥尔森说。“至少,每个批次都必须有首件、检验、最后一件检验和全线清关。”

3D 打印脊柱植入物和工作夹具的一部分

所有 3D 打印的植入物都有专门设计的骨向内生长表面,这些表面非常复杂,不会被损坏或污染。为这些零件设计工作夹具是一项重大挑战。

工件夹具

加工增材制造零件的最大挑战之一是工件夹持。“加工一个增材零件很复杂,因为它不是一块棒料,你有很好的基准并且可以把它挖出来,”Kircher 说。“你必须弄清楚这个零件在太空中的位置,并确保你在零件上加工的这些特征在正确的位置。当它已经完成了 90% 的制造方式时,这并不是微不足道的。”

更复杂的是,RMS 3D 打印的所有部件都是植入物,具有为骨长入而设计的特征,而这些特征无法通过传统工艺生产。“我们的客户正在为他们的植入物设计我们无法损坏或污染的技术,”Glanz 指出。这些表面非常复杂,甚至连一块布都无法触及。“我们必须围绕所有这些进行固定工作,并确保我们没有标记他们的表面技术,”他补充道。例如,该公司为其其中一个脊柱植入物设计了一个工件固定装置,该固定装置位于零件中间的一个孔周围。夹具抓住了这一特点,并在不损坏表面的情况下保持零件稳定,同时从末端加工出额外的库存。

固定在 VMC 内的 3D 打印脊柱植入物

3D 打印植入物只需要加工少量材料。然而,废品成本可能很高,因为这些零件在到达机加工车间时已经增加了很多价值。

理想情况下,RMS 可以在设计阶段提供输入以减少这些挑战。“当我们能够尽早与客户接触时,我们实际上会围绕工件夹持和基准结构设计零件,以进行后期加工,”Olson 说。

尽管加工增材零件和加工库存零件之间存在差异,但该团队一致认为,鉴于加工这些零件的挑战,其在传统制造方面的经验是其使用增材制造取得成就的关键。“我认为需要一个非常有经验的减材制造团队来补充增材制造并使其成功,”Kircher 说。

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