金属3D打印重点讲义资料(DOC 18页).doc
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- 金属3D打印重点讲义资料DOC 18页 金属 打印 重点 讲义 资料 DOC 18
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1、第一部分 项目概述一、创业项目概述项目概述(500字之内):对项目总体情况的描述,包括采用的关键技术、技术的创新点等内容。本项目着力于金属3D打印技术在医疗领域的应用,致力于研发桌面级别的可打印头骨的金属3D打印机。金属3D打印是一种快速打印技术,可以自由成型,个性化制造,适于打印结构复杂难以制造模具的产品,头骨就是其中一种很重要的打印需求。本项目金属3D打印机采用激光熔覆制造技术,它是通过激光照射金属粉末,将金属粉末熔化,按照预定的路线一层一层的堆积起来,沉积速度8.19cm3/h,尺寸精度50-400um,热源功率在1kw左右,采用的金属粉末为TI6Al4V钛合金,此种合金具有良好的生物相
2、容性,无磁,密度与人类骨骼密度相近,并且在金属3D打印可打印金属中是较为成熟的一种金属。技术的创新点在于将头骨打印的需求与金属3D打印通过钛合金结合起来,使得金属3D打印技术能应用于医疗领域的头骨打印。同时大幅度减少设备的体积,使得更加小巧易用。二、创业机会概述创业机会概述(300字之内):要从项目产品的先进性及应用发展前景、进入市场机会(如:市场现实需求处于萌芽、起步、成长、成熟、饱和、衰退阶段)及市场发展空间、团队实施项目的现有能力和发展潜力等方面描述创业机会。截止目前,在国内市场,基于金属打印技术的桌面级3D打印机几乎没有应用,大部分处于研究阶段,在工业领域运用较多,市场化程度极低。而本
3、项目的产品在技术上具有成熟性,国内的王华明教授已经研究出成熟的激光打印技术,这项技术在国内以及国际都处于先进水平,在技术层面,我们是属于领跑者。而头骨打印需求市场是一直存在的,但是并未得到满足,有着巨大的缺口,本项目的产品就是依靠小型易用的金属打印机占领这部分的市场,先入为主,市场饱和前切入其他领域,主要通过设备的销售和耗材的销售获取收益,并提供技术服务。第二部分 项目技术与产品(服务)实现第一章 项目技术方案一、项目总体技术概述(一)总体技术方案项目所依据的技术原理(1000字之内):1. 激光打印方式本项目金属3D打印机采用激光熔覆制造技术,通过激光照射金属粉末,将金属粉末熔化,按照预定的
4、路线一层一层的堆积起来。采用的金属粉末为TI6Al4V钛合金,此种合金具有良好的生物相容性,无磁,密度与人类骨骼密度相近,并且在金属3D打印可打印金属中是较为成熟的一种金属。打印机构采用激光束作为热源,送粉软管随打印机构的移动而移动,保证出粉口在激光聚焦点持续供应钛粉,激光器通过驱动电路与控制系统相连,在激光器周围分布水冷散热系统,防止因热量过高导致打印机构以及载重机构的Y轴丝杠变形,影响精度。2. 送粉技术采用转盘式送粉方式,装置处于密闭环境中,粉盘边缘有凹槽,粉末由于重力作用落入凹槽内,电机转动带动粉末送至吸粉口,密封装置由进气管充入保护气体,通过气体压力将粉末从吸风管处送出,粉末经出粉管
5、送至激光打印出。3. 控制系统4. 伺服系统通过XY方向步进电机的运转带动3D打印装备实现平面内打印口的移动;Z轴步进电机工作带动工作平台上下移动,实现竖直方向的堆积,协调运转保证打印机在工作区域内的打印。主要技术与性能指标(500字之内):1. 激光打印方式本项目金属3D打印机采用激光熔覆制造技术,通过激光照射金属粉末,将金属粉末熔化,按照预定的路线一层一层的堆积起来,沉积速度8.19cm3/h,尺寸精度50-400um,热源功率在1kw左右。采用的金属粉末为TI6Al4V钛合金,此种合金具有良好的生物相容性,无磁,密度与人类骨骼密度相近,并且在金属3D打印可打印金属中是较为成熟的一种金属。
6、2. 送粉技术采用转盘式送粉方式,装置处于密闭环境中,粉盘边缘有凹槽,粉末由于重力作用落入凹槽内,电机转动带动粉末送至吸粉口,密封装置由进气管充入保护气体,通过气体压力将粉末从吸风管处送出,粉末经出粉管送至激光打印出。3. 伺服系统 通过XY方向步进电机的运转带动3D打印装备实现平面内打印口的移动;Z轴步进电 工作带动工作平台上下移动,实现竖直方向的堆积,协调运转保证打印机在工作区域内的打印。步进电机42HS01,步距角:1.8度,转矩:0.15NM滚珠丝杠:螺距:5mm,公称直径:20mm可实现xyz方向0.1mm的运动控制 (二)项目创新内容创新类别理论创新 应用创新 技术创新 工艺创新
7、结构创新项目创新内容(1200字之内): 1. 将头骨打印的需求与金属3D打印通过钛合金结合起来,使得金属3D打印技术能应用于医疗领域的头骨打印,利用新技术解决传统问题,使得问题简单化,解决方便话。2. 大幅度减少设备的体积,使得更加小巧易用,适合操控。3. 建立头部骨骼大数据库,提供意外情况下快速提取骨骼数据的服务,利用云服务,使得一切骨骼均可备份,需要时可以随时提取数据。4. 开发CT扫描合成3D图像软件,解决青年医生经验不足无法通过CT平面数据来准确判断病情的问题,弥补青年医生经验不足的缺陷。5. 为医生提供远程建模软件服务,弥补医生在计算机工具软件使用方面的不足,更好的为患者服务。二、
8、项目技术开发可行性(一)项目技术发展现状国内外相关技术的研究、开发现状的介绍、分析(1200字之内): 1.增量制造 增量制造技术(3D打印),又称作快速成形技术,被誉为第三次工业革命,是20世纪80年代发展起来的先进制造技术。该技术采用堆积的原理,满足现代制造业高效利用原材料、低成本和个性化产品的趋势。 该技术目前主要有激光快速成形(LaserRapidMelting,LRM)、电子束快速成形(ElectronBeamMelting,EBM)和直接三维打印技术(DirectTyping,DTP)三种,统称3D打印。 (1)激光快速成形始于德国,是的最早开发且目前应用最成熟的技术。其中一种逐层
9、铺设粉末并通过激光区域性熔化(或烧结)堆积成产品的方法,能够按计算机设计控制产品的密度、孔隙率和孔的几何形态,最适宜不锈钢、钴基合金和钛合金等致密或者多孔金属结构的制作。其产品代表有ConceptLaserGmbH公司的LaserCUSING设备。Stryker已首次成功地将该技术应用于金属骨小梁型胫骨托。 (2)电子束快速成形技术,始于美国和瑞典。其中一种是采用电子束逐层熔化区域并堆积成产品的方法,产品代表有Arcam公司的EBM设备,可打印钴基合金、钛合金等材质的多孔结构产品;与激光快速成形相同,孔隙率高达80%,所3D打印的骨小梁结构保证骨长入的同时,可维持假体本身优良的力学性能,在骨科
10、植入物领域极具前景。 (3)直接三维打印技术,始于德国,采用有机粘剂与金属粉末逐层堆积,然后低温去除有机粘剂,再高温烧结成形,相对工序复杂。 目前,应用LRM和EBM技术进行产品开发和制造已经成为热点。EBM具有加工速度快、能量利用率高、功率大、运营成本低和设备维护方便等特点,但是设备较LRM设备贵很多,且受电磁干扰的可能性较高。对于产能要求较低、表面精度要求较高的国内骨科医疗器械产业(如人工关节领域),随着LRM功率的增加,加工速度也能满足生产的需求。因此,两者均有其应用的空间。2.虚拟骨骼数据库 虚拟骨骼数据库(VBD)是基于大量尸体和活体的CT数据建立的三维骨骼模型库,数据库依据人种、年
11、龄、性别和病理状况等指标进行分类。同时开发虚拟骨骼数据库的应用软件,该软件首先能够从数据库中筛选符合分类要求的模型,并计算这些模型的平均骨骼模型;其次,能够优化设计骨科植入物的形状、尺寸和力学参数(刚度和强度),使之与患者的骨骼最佳匹配。 VBD不仅包含大量的虚拟骨骼3D数据,同时还是一个数字化骨科平台,是最具权威的骨科医疗器械研发平台。目前,美国Stryker公司开发的被人们熟知的“SOMA”虚拟骨骼数据库系统包含约1.25万例骨骼数据,随着中国人骨骼数据的收集,该数据库的量继续增加。此外,创生公司自主开发的TOMA系统目前已经能够自动筛选数据,并测量骨骼的3D参数、通过算法快速计算平均模型
12、等。同时,上海交通大学的王成焘等人收集了中国人的部分骨骼三维模型数据;北京积水潭、301等多家医院与企业建立合作,共同为中国人虚拟骨骼数据库增加数据量。(二)项目主要研究内容项目研究开发内容及涉及的关键技术及技术指标描述(1500字之内):逐条阐述项目研究开发的主要内容及涉及的关键技术及技术指标。1. 激光打印方式本项目金属3D打印机采用激光熔覆制造技术,通过激光照射金属粉末,将金属粉末熔化,按照预定的路线一层一层的堆积起来,沉积速度8.19cm3/h,尺寸精度50-400um,热源功率在1kw左右。采用的金属粉末为TI6Al4V钛合金,此种合金具有良好的生物相容性,无磁,密度与人类骨骼密度相
13、近,并且在金属3D打印可打印金属中是较为成熟的一种金属。打印机构采用激光束作为热源,送粉软管随打印机构的移动而移动,保证出粉口在激光聚焦点持续供应钛粉,激光器通过驱动电路与控制系统相连,在激光器周围分布水冷散热系统,防止因热量过高导致打印机构以及载重机构的Y轴丝杠变形,影响精度。2. 送粉技术采用转盘式送粉方式,装置处于密闭环境中,粉盘边缘有凹槽,粉末由于重力作用落入凹槽内,电机转动带动粉末送至吸粉口,密封装置由进气管充入保护气体,通过气体压力将粉末从吸风管处送出,粉末经出粉管送至激光打印出。3. 控制系统4. 伺服系统通过XY方向步进电机的运转带动3D打印装备实现平面内打印口的移动;Z轴步进
14、电机工作带动工作平台上下移动,实现竖直方向的堆积,协调运转保证打印机在工作区域内的打印。步进电机42HS01,步距角:1.8度,转矩:0.15NM 滚珠丝杠:螺距:5mm,公称直径:20mm(三)项目技术路线描述项目技术路线描述(1200字之内):包括技术原理图、工艺流程图、产品结构图、框架图等.本产品整体架构如图所示,计算机完成建模工作,并通过软件生成TSL文件,将TSL文件导入到打印机,控制系统可以读取TSL文件信息,控制五大系统协调工作,保护气体循环系统保护设备内部的打印过程,以及驱动送粉系统,送粉系统实现送粉的量化,控制送粉量,冷却系统对执行机构进行冷却,防止执行机构因工作时间过长产生
15、大量热量无法释放。伺服系统控制执行机构的移动,实现精确的制造,执行机构即打印机构,熔融钛粉,基层制造。打印机构如图所示,主要为激光器,散热系统,驱动电路,送粉软管均是为了保证激光器的工作,打印出满足需求的金属物件产品的结构图如上,四周为四个支持梁,保证产品的整体强度,左右两边各有两个丝杠,控制工作台平面的Z轴移动,上方为XY轴的伺服驱动装置,通过这样实现打印装置的XYZ三维移动。(四)项目技术实现依据设计思想依据(200字之内):包括文献,或专利,或发明等。参考资料1. 世界医疗器械杂志2. 解析3D打印机3. 维基百科 百度百科4. 先进制造技术5. Wohlers Associates6.
16、 论文电子束在快速制造领域的应用通过翻阅资料,我们找到了一个医疗与金属3D打印机的结合领域,头骨骨骼的钛合金打印方式,希望能通过创新的制造技术解决医学上的一些问题。关键技术实现依据(500字之内):包括理论依据、实验依据等1. 激光快速成形始于德国,是的最早开发且目前应用最成熟的技术。其中一种逐层铺设粉末并通过激光区域性熔化(或烧结)堆积成产品的方法,能够按计算机设计控制产品的密度、孔隙率和孔的几何形态,最适宜不锈钢、钴基合金和钛合金等致密或者多孔金属结构的制作。其产品代表有ConceptLaserGmbH公司的LaserCUSING设备。Stryker已首次成功地将该技术应用于金属骨小梁型胫
17、骨托。国内以及国际上均有制作的先例。2. 虚拟骨骼数据库(VBD)是基于大量尸体和活体的CT数据建立的三维骨骼模型库,数据库依据人种、年龄、性别和病理状况等指标进行分类。目前,美国Stryker公司开发的被人们熟知的“SOMA”虚拟骨骼数据库系统包含约1.25万例骨骼数据,随着中国人骨骼数据的收集,该数据库的量继续增加。此外,创生公司自主开发的TOMA系统目前已经能够自动筛选数据,并测量骨骼的3D参数、通过算法快速计算平均模型等。项目技术实现主要面临的风险及应对措施(800字之内):分析可能产生的技术风险因素对实现预期目标的影响和敏感度,阐述控制风险的应对措施。1. 技术难度较大,可能存在重要
18、技术难题难以攻破的风险。应对措施:与国内该领域的研究机构、组织等持续交流沟通与深度合作,保证技术支持实力。2. 开发周期过长导致失去市场机会。应对措施:制定开发计划进度书,严格把控进度。3. 其他开发单位的技术突破,性能优于我们的产品。应对措施:实时关注各大相关机构、组织的动态,同时尽可能加快研发进度。4. 资金流的风险。与投资方明确签订协议,并通过早期产品逐步收回利润,保证资金流的畅通。三、项目技术成熟性项目所处阶段论证 研发 中试 批量生产项目产品销售(服务)情况无销售 试销 批量关键技术成熟性分析(800字之内):包括项目产品采用的现有成熟关键技术、已攻克的关键技术、待研究的关键技术,结
19、合关键技术的实验、生产运用数据情况,分析项目产品技术指标数据稳定性和关键技术成熟程度(尚未成熟、比较成熟、成熟)。1.增量制造 增量制造技术(3D打印),又称作快速成形技术,被誉为第三次工业革命,是20世纪80年代发展起来的先进制造技术。该技术采用堆积的原理,满足现代制造业高效利用原材料、低成本和个性化产品的趋势。 该技术目前主要有激光快速成形(LaserRapidMelting,LRM)、电子束快速成形(ElectronBeamMelting,EBM)和直接三维打印技术(DirectTyping,DTP)三种,统称3D打印。 激光快速成形始于德国,是的最早开发且目前应用最成熟的技术。其中一种
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