⼀次打印1400個(gè)陶瓷零部件,，博世先進(jìn)陶瓷3D打印實(shí)現(xiàn)批量制造

導(dǎo)讀： 全球技術(shù)陶瓷的領(lǐng)軍企業(yè)博世先進(jìn)陶瓷,，業(yè)務(wù)范圍廣泛，覆蓋汽車,、醫(yī)療設(shè)備和化工等多個(gè)行業(yè),。目前，正專注于利用增材制造技術(shù)打印零部件,，并擁有豐富的陶瓷批量制造經(jīng)驗(yàn),。接下來將介紹博世先進(jìn)陶瓷如何采用俐陶智3D打印機(jī)量產(chǎn)微型醫(yī)療部件的實(shí)例。

2014年,，博世先進(jìn)陶瓷引入了第一臺(tái)俐陶智3D打印機(jī),。經(jīng)過十年的發(fā)展，博世已成為陶瓷3D打印領(lǐng)域的領(lǐng)先者,，擁有多種陶瓷打印技術(shù)的3D打印機(jī),，其中包括4臺(tái)采用俐陶智LCM技術(shù)的陶瓷打印機(jī)。隨著增材制造技術(shù)的不斷成熟,，博世不斷提升其技術(shù)實(shí)力,。
腹腔鏡套管設(shè)計(jì)復(fù)雜，其薄壁要求和中空結(jié)構(gòu)對(duì)3D打印技術(shù)是一大挑戰(zhàn),。本文將詳細(xì)介紹博世先進(jìn)陶瓷如何憑借其豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求并能穩(wěn)定批量生產(chǎn),，通過俐陶智LCM CeraFab增材打印機(jī),，該套管單次批量生產(chǎn)1400件，年產(chǎn)達(dá)到50000件,。

博世先進(jìn)陶瓷位于德國南部的布萊夏赫工廠,，該工廠以年產(chǎn)數(shù)百萬汽車零件而聞名。自成立以來,，博世先進(jìn)陶瓷便充分結(jié)合該工廠的內(nèi)部陶瓷專業(yè)知識(shí)與強(qiáng)大的增材制造能力,，為外部客戶提供服務(wù)。

圖1: 博世先進(jìn)陶瓷總部位于德國南部 ,， 博世布萊查赫 ⼯⼚內(nèi) ,， 該⼯⼚以年產(chǎn)百萬件汽⻋零部件⽽聞名 （圖 ⽚來源： 博世）

此前，博世先進(jìn)陶瓷具備陶瓷注塑和增材制造兩項(xiàng)技術(shù)能力,，開發(fā)增材制造的初衷是為了探索技術(shù)可能性并為注塑提供原型制造,，但如今隨著增材制造快速成長(zhǎng)為獨(dú)立的生產(chǎn)工藝，博世將完全專注于提供陶瓷3D打印業(yè)務(wù),，目前博世共擁有6臺(tái)陶瓷3D打印機(jī),，其中4臺(tái)是俐陶智CeraFab 3D打印機(jī)。

圖2: 博世先進(jìn)陶瓷在德國南部的布萊查赫⼯⼚擁有四 臺(tái)俐陶智CeraFab 3D打印機(jī) （圖⽚來源： 俐陶智）

技術(shù)攻關(guān)
2023年初,，博世先進(jìn)陶瓷迎來了一項(xiàng)新的合作機(jī)遇：為一家著名的醫(yī)療科技公司生產(chǎn)一款陶瓷絕緣套管,，用于微創(chuàng)腹腔鏡設(shè)備,。經(jīng)過詳細(xì)的技術(shù)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)難點(diǎn)在于尺寸精度要求極高,。如果能解決該難點(diǎn),，博世先進(jìn)陶瓷可以實(shí)現(xiàn)有史以來在俐陶智CeraFab打印機(jī)平臺(tái)單批次最大的生產(chǎn)規(guī)模。

表1: 絕緣套管的主要參數(shù) （數(shù)據(jù)來源： 博世先進(jìn)陶瓷）

由于醫(yī)療設(shè)備對(duì)質(zhì)量的嚴(yán)格要求 ,，博世先進(jìn)陶瓷的技術(shù)團(tuán)隊(duì)需要在滿⾜客⼾⾼質(zhì)量標(biāo) 準(zhǔn)的前提下 ,，完成每年⽣產(chǎn)20000個(gè)零件 的⽬標(biāo)。 表1展⽰了絕緣套管的關(guān)鍵參數(shù),。

由于腹腔鏡器械部件尺⼨很⼩并且要滿⾜ 裝配使⽤要求 ,，在腹腔鏡器械中 ， 需要電絕緣體隔離兩個(gè)導(dǎo)電部件 ,， 以防發(fā)⽣電擊穿,。 所設(shè)計(jì)的陶瓷套管外徑僅為1.3毫⽶，不僅能減⼩⼿術(shù)切⼝ ,，還能⼤⼤加快患者的 愈合速度并減輕術(shù)后痛苦,。該套管 （如圖3、 圖5和圖6所⽰） ⽤于包裹截⾯僅有0.35毫⽶的導(dǎo)線,，因此套管的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為0.43毫⽶ ,，上部的陶瓷壁厚 僅為90微⽶。

“我們⾯臨的挑戰(zhàn)是同時(shí)滿⾜獨(dú)特設(shè)計(jì)和醫(yī)療器械精密質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) ,，打印產(chǎn)品批次間質(zhì)量 穩(wěn)定 ,，并實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)2萬件�,！�

3D打印的優(yōu)勢(shì)
3D打印⽆需使⽤模具,，可以⾃由設(shè)計(jì) ，能夠打印出傳統(tǒng)加⼯⽅式⽆法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜微細(xì)結(jié)構(gòu),，同時(shí)確保產(chǎn)品達(dá)到尺⼨精度要求,， 3D 打印成為醫(yī)療器械⼚商制作陶瓷部件的⾸ 選。


在選擇材料時(shí) ,，技術(shù)陶瓷憑借其耐腐蝕,、耐熱沖擊、電絕緣等多種優(yōu)勢(shì)成為理想的選擇,，技術(shù)團(tuán)隊(duì)選擇了俐陶智的LithaLox 360 氧化鋁作為⽣產(chǎn)材料 ,， 完美滿⾜客⼾對(duì)尺⼨、精度和電絕緣性的需求,。

圖3: 博世先進(jìn)陶瓷⽣產(chǎn)的套管 （圖⽚來源： 博世先進(jìn) 陶瓷）

陶瓷增材⽣產(chǎn)
經(jīng)過技術(shù)團(tuán)隊(duì)評(píng)估,，博世先進(jìn)陶瓷選⽤了俐陶智的LCM增材制造設(shè)備進(jìn)⾏⽣產(chǎn)，這款機(jī)器的分辨率⾼達(dá)40微⽶,，材料則選擇了俐陶 智的LithaLox 360氧化鋁,，可以充分滿⾜客⼾對(duì)尺⼨ ,、精度和電絕緣性的需求。

博世先進(jìn)陶瓷團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注三 ⼤問題：

• 精確調(diào)整⽣產(chǎn)參數(shù) ,， 確保批次間質(zhì)量 ⼀致
• 優(yōu)化⽀撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ,， 以實(shí)現(xiàn)垂直⽅向 打印的結(jié)構(gòu)
• 采⽤⾃動(dòng)化清潔⼯藝 ， 確保安全處理 微⼩零件
  

雙⽅制定了六個(gè)⽉內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的計(jì)劃,， 并最初設(shè)定了年產(chǎn)20000個(gè)部件的⽬標(biāo),。

圖4： 俐陶智 LCM陶瓷3D打印機(jī)的內(nèi)部。 該技術(shù)基于 光聚合沉積⼯藝 （VPP）,， 能夠⽣產(chǎn)極為復(fù)雜的⼏何形 狀和微型部件 ,， 實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)陶瓷⼯藝難以達(dá)成的設(shè)計(jì)。 （圖⽚來源： 俐陶智）

增材制造加速設(shè)計(jì)迭代和⽣產(chǎn)制造創(chuàng)新
經(jīng)過與客戶五個(gè)月的密切合作,，博世先進(jìn)陶瓷成功實(shí)現(xiàn)了每年生產(chǎn)20,000個(gè)部件的目標(biāo),。這一成就得益于單次打印的高產(chǎn)量。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),、先進(jìn)的LCM技術(shù),、優(yōu)質(zhì)的氧化鋁材料，以及博世先進(jìn)陶瓷與俐陶智的專業(yè)知識(shí)的結(jié)合,，能夠在單個(gè)打印平臺(tái)上高效生產(chǎn)1,400個(gè)醫(yī)療器械部件,，充分展現(xiàn)了3D打印技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)。

基于在批量生產(chǎn)中取得的顯著成果,，生產(chǎn)目標(biāo)被提升至每年50,000個(gè)部件,，超過客戶初始需求的兩倍。為實(shí)現(xiàn)這一增長(zhǎng),，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步測(cè)試與協(xié)作，努力實(shí)現(xiàn)在多批次大量生產(chǎn)規(guī)模上的質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品一致性,。

圖5： 3D打印套管在清洗,、 拆除和燒結(jié)之前置于打印 平臺(tái)上的狀態(tài)。（圖⽚來源： 博世先進(jìn)陶瓷）

博世先進(jìn)陶瓷成功將生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大至每年50,000個(gè)部件,，標(biāo)志著項(xiàng)目的圓滿成功,。這一成果展示了LCM打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)陶瓷材料復(fù)雜部件批量生產(chǎn)中的卓越能力，盡管批量龐大,，所有部件仍保持一致的高質(zhì)量,，并滿足了極薄壁厚的要求。

圖6: 套管外觀圖 （圖⽚來源： 博世先進(jìn)陶瓷）

開創(chuàng)陶瓷批量3D打印新標(biāo)桿
博世先進(jìn)陶瓷憑借LCM技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),，實(shí)現(xiàn)了從小批量樣件到大批量生產(chǎn),，這項(xiàng)技術(shù)能保證高精度、批次間質(zhì)量穩(wěn)定和設(shè)計(jì)自由靈活,，滿足了現(xiàn)代腹腔鏡工具對(duì)復(fù)雜微型部件的需求,。

圖7: 通過陶瓷3D打印的⼿術(shù)鉗頭 （左） 和套管 （右) （圖⽚來源： 博世先進(jìn)陶瓷）

高性能陶瓷材料對(duì)于實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求至關(guān)重要,，如LithaLox 360氧化鋁，具備耐高溫,、電絕緣,、耐腐蝕等多種優(yōu)勢(shì)，配合使用分辨率可達(dá)40微米的CeraFab打印機(jī),，博世先進(jìn)陶瓷成功實(shí)現(xiàn)90微米的陶瓷壁厚,，打破傳統(tǒng)制造工藝的限制。此外,，博世先進(jìn)陶瓷憑借其專有清洗工藝,，處理過程中確保了生坯完整性，充分體現(xiàn)了其對(duì)整個(gè)生產(chǎn)鏈的專業(yè)掌控,。

博世先進(jìn)陶瓷成功將年產(chǎn)量從20,000件提高到50,000件,，并保持質(zhì)量一致，在行業(yè)中樹立了新的標(biāo)桿,。這一成就不僅驗(yàn)證了俐陶智3D打印機(jī)打印技術(shù)和陶瓷材料在高產(chǎn)量,、高精度制造中的能力，還突顯了博世先進(jìn)陶瓷作為陶瓷打印服務(wù)行業(yè)領(lǐng)先者的實(shí)力,，將創(chuàng)新技術(shù),、材料科學(xué)與工業(yè)專長(zhǎng)的有效結(jié)合，為陶瓷增材制造的未來發(fā)展開拓了新的機(jī)會(huì),。

本⽂英⽂原⽂作者為俐陶智Norbert Gall和 Alice Elt,。 中⽂由博世先進(jìn)陶瓷聶品旭、 楊 思琪翻譯編輯,。

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