工程技術(shù)領(lǐng)域的跨國(guó)公司雷尼紹聯(lián)手兩大創(chuàng)新技術(shù)公司力證：對(duì)于制造質(zhì)量輕巧、接近人體骨骼機(jī)械特性的脊柱植入體，金屬增材制造(AM)技術(shù)手到擒來。

在該項(xiàng)目中，愛爾蘭的一家制造工藝研究組織——IrishManufacturingResearch(IMR)公司設(shè)計(jì)并制造了一系列具有代表性的脊柱植入體。IMR公司首先使用nTopology公司的軟件設(shè)計(jì)植入體，然后在雷尼紹RenAM500M金屬增材制造系統(tǒng)上制造該植入體。

圖 1：橙色部分為植入體上的兩種網(wǎng)格設(shè)計(jì)

IMR公司的總部位于都柏林，其宗旨是為愛爾蘭眾多制造企業(yè)提供全方位支持，幫助它們應(yīng)對(duì)正在到來的數(shù)字制造時(shí)代。醫(yī)療產(chǎn)品制造業(yè)是愛爾蘭的支柱產(chǎn)業(yè)，IMR公司一直在與眾多合作伙伴研究如何應(yīng)用3D打印醫(yī)療產(chǎn)品。

圖 2：嵌入脊柱模型中的脊柱植入體

nTopology公司是一家行業(yè)領(lǐng)先的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)公司，總部位于美國(guó)紐約。nTopology針對(duì)先進(jìn)制造工藝開發(fā)了一款新一代設(shè)計(jì)工程軟件。利用這款nTopology原創(chuàng)軟件可以生成以性能為導(dǎo)向的復(fù)雜設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮增材制造工藝的優(yōu)勢(shì)。利用nTopology的軟件生成先進(jìn)的設(shè)計(jì)只需短短幾分鐘。用戶可以通過nTopology軟件平臺(tái)獲取工程設(shè)計(jì)流程、制造工藝和專業(yè)知識(shí)，然后根據(jù)其具體要求創(chuàng)建自定義工作流程。

脊柱植入體用于為罹患退行性椎間盤疾病、椎間盤突出癥、腰椎滑脫、椎管狹窄、骨質(zhì)疏松癥等多種疾病的患者恢復(fù)椎間盤高度。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以增加植入體的表面面積，促進(jìn)成骨細(xì)胞遷移到植入體中，并且能夠優(yōu)化多孔體的機(jī)械特性以滿足所需的負(fù)載條件。但是傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝無法制造具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的脊柱植入體。

IMR公司發(fā)現(xiàn)金屬增材制造工藝適合制造網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有助于優(yōu)化骨整合。但是必須先確定最合適的設(shè)計(jì)軟件和增材制造機(jī)器。“增材制造技術(shù)的硬件能力發(fā)展迅速，現(xiàn)在已經(jīng)甩開了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具一大截，”nTopology的業(yè)

務(wù)開發(fā)與合作關(guān)系總監(jiān)DuannScott解釋道，“幾年前，市場(chǎng)上沒有任何軟件能夠設(shè)計(jì)用于增材制造的復(fù)雜幾何形狀，于是我們瞄準(zhǔn)這一市場(chǎng)空白，在2015年成立了nTopology公司?！?/p>

Scott繼續(xù)說道：“要順利完成從設(shè)計(jì)到制造的完整增材制造流程，硬件和設(shè)計(jì)軟件必須有效協(xié)作。在制造脊柱植入體時(shí)，將設(shè)計(jì)文件從軟件上簡(jiǎn)便地傳輸?shù)皆霾闹圃鞕C(jī)器上尤為重要，因?yàn)槿魏味嘤嗟闹虚g環(huán)節(jié)和格式轉(zhuǎn)換均有可能導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤和誤差?！?/p>

解決方案

雷尼紹、IMR公司、nTopology公司三方精誠(chéng)合作，采用增材制造技術(shù)制造具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的頸椎植入體。該項(xiàng)目制造的植入體稱為頸椎前路椎間盤器械(ACID)。首先，IMR公司提出了一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，研究如何利用增材制造技術(shù)幫助改善患者結(jié)局。然后，使用nTopology公司提供的設(shè)計(jì)軟件為脊柱植入體設(shè)計(jì)復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。最后，使用雷尼紹RenAM500M增材制造系統(tǒng)制造植入體。

IMR公司通過廣泛研究確定了特定病例最適合的植入體尺寸以及在日常生活中，甚至奔跑或跳躍等劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，植入體必須承受的負(fù)載條件。此外還采集了需要接受脊柱植入體的患者的已知骨質(zhì)特性。之后，三家公司聯(lián)手設(shè)計(jì)了植入體的機(jī)械特性，也就是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)各個(gè)單元格的幾何特征的函數(shù)，以盡可能接近人體骨骼的機(jī)械特性，優(yōu)化多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而改善骨整合。

植入體的設(shè)計(jì)參數(shù)確定之后，IMR公司使用nTopPlatform軟件生成了設(shè)計(jì)文件。然后，nTopology公司與雷尼紹緊密合作，實(shí)現(xiàn)軟件與硬件互相兼容，從而將設(shè)計(jì)文件從nTopPlatform上無縫傳輸?shù)絉enAM500M上。最后，IMR公司在RenAM500M上利用Ti6Al-4VELI鈦合金（等級(jí)23）制造出植入體原型。

隨后，IMR公司通過一系列測(cè)試證明了該植入體滿足美國(guó)食品及藥物管理局(FDA)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格中的所有關(guān)鍵要求。首先測(cè)試了植入體的化學(xué)特性，確保其符合《ASTMF136外科植入體用等級(jí)23鍛造鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格》以及《ASTMF3302通過粉末床熔融增材制造鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格》。然后根據(jù)ISO13314測(cè)試了多孔結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性—ISO13314是一種測(cè)試方法，用于確定多孔金屬材料的壓縮性能和失效模式。最后通過ASTM1104和ASTM1147標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法證明多孔結(jié)構(gòu)不會(huì)從植入體本體上剝離。

IMR公司的高級(jí)研究工程師SeanMcConnell解釋道：“為了進(jìn)行概念驗(yàn)證測(cè)試，我們?cè)赗enAM500M的加工托盤上制造了一批參照品，并對(duì)這些參照品進(jìn)行了破壞性測(cè)試，以確定植入體的化學(xué)、冶金和機(jī)械特性?！?/p>

圖 3：在早期概念開發(fā)階段設(shè)想的多種產(chǎn)品設(shè) 計(jì)和特征

圖 4：nTopology Element 軟件生成的網(wǎng)格設(shè)計(jì)

圖 5：使用雷尼紹增材制造系統(tǒng)打印植入體

結(jié)果

概念驗(yàn)證測(cè)試的結(jié)果表明：傳統(tǒng)制造工藝無法制造的脊柱植入體特性可以利用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)。植入體原型和成品植入體均在RenAM500M上制成，因此無需在不同的機(jī)器之間傳輸加工程序。簡(jiǎn)化的制程可幫助醫(yī)療產(chǎn)品制造商大幅節(jié)省成本和時(shí)間。

McConnell先生解釋說：“兩年前，IMR還沒有增材制造部門。雷尼紹在脊柱植入體開發(fā)項(xiàng)目以及其他項(xiàng)目中給予我們大力支持，幫助我們的技術(shù)人員熟練掌握相關(guān)技能，令我們公司在增材制造領(lǐng)域贏得一席之地?！?/p>

他補(bǔ)充道：“如今，我們能夠?qū)⒗啄峤B傳授給我們的增材制造專業(yè)知識(shí)提供給我們的客戶。我們的許多合作伙伴之前都因?yàn)槿狈υ霾闹圃鞂I(yè)知識(shí)而對(duì)增材制造望而生畏，而現(xiàn)在卻正在使用增材制造設(shè)備贏得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

McConnell先生繼續(xù)說道：“雷尼紹不辭辛勞地與我們一起改進(jìn)脊柱植入體的增材制造工藝。在雙方的共同努力下，我們通過一系列測(cè)試確定了一套最合適的產(chǎn)品參數(shù)設(shè)置，從而將實(shí)現(xiàn)植入體關(guān)鍵特征所需的后處理量減少了九成?！?/p>

雷尼紹醫(yī)療和口腔產(chǎn)品部市場(chǎng)經(jīng)理EdLittlewood解釋道：“IMR公司能夠極大地推動(dòng)將先進(jìn)的制造技術(shù)引入愛爾蘭工業(yè)。它們憑借深厚的設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)精神成功制成了一批具有代表性的脊柱植入體，而這些植入體展示了增材制造技術(shù)變革醫(yī)療行業(yè)的潛力。”

除了證明增材制造技術(shù)在制造脊柱植入體方面極具優(yōu)勢(shì)外，該研究還表明：如果在早期階段將增材制造設(shè)計(jì)(DfAM)納入考量，則可以減少支撐的使用，從而減少精加工操作。

用，從而減少精加工操作。Scott解釋道：“通過此脊柱植入體項(xiàng)目，我們加深了對(duì)醫(yī)療產(chǎn)品生產(chǎn)和增材制造機(jī)器能力的了解，從而開發(fā)出我們的設(shè)計(jì)軟件，為推廣先進(jìn)制造技術(shù)在醫(yī)療產(chǎn)品行業(yè)的應(yīng)用添磚加瓦。”

他補(bǔ)充道：“為了實(shí)現(xiàn)這款軟件與RenAM500M互相兼容，我們進(jìn)行了大量測(cè)試，解決了不計(jì)其數(shù)的問題。而且，在雷尼紹工程師的大力幫助下，整個(gè)過程得以順利且高效地完成。這樣的項(xiàng)目一般需要耗時(shí)多年，但是nTopology公司、雷尼紹、IMR公司三方精誠(chéng)合作，在短短幾個(gè)月內(nèi)就順利完成了這個(gè)項(xiàng)目?！?/p>

Scott總結(jié)道：“我們將繼續(xù)與雷尼紹緊密合作，為行業(yè)提供增材制造技術(shù)。我們的目標(biāo)是推動(dòng)行業(yè)展開更廣泛的先進(jìn)制造合作。”