3 lý do nhà sản xuất thiết bị y tế nên sử dụng công nghệ in 3D EBM

22/11/2023

Chuyên gia Mike Cloran của GE Additive đã có những chia sẻ về lý do EBM trở thành công nghệ tuyệt vời cho ứng dụng chỉnh hình. Để làm rõ vấn đề, cuộc phỏng vấn kỹ sư EBM Dave Bartosik đã được diễn ra để trao đổi kỹ thuật về quy trình EBM.

Tôi bắt đầu tiếp xúc với sản xuất bồi đắp vào năm 2011 khi tôi nhận lời làm việc tại Morris Technologies, Inc. (MTI). Đây là nhà cung cấp hàng đầu các bộ phận được sản xuất bằng bồi đắp. Tại đó, tôi đã được tiếp xúc với công nghệ độc đáo này và ngay lập tức nhận ra được tiềm năng và khả năng vô hạn của nó.

Tôi vẫn nhớ lần đầu tiên tận mắt nhìn thấy quy trình phụ gia kim loại. Nó được thực hiện trên một máy laser. Tôi đã sững sờ khi tia laze nhảy múa trên một bệ kim loại. Nó làm tan chảy các lớp bột kim loại siêu mỏng và tạo ra những chi tiết có hình dạng từng được cho là không thể. Khi quá trình hoàn tất, (các) bộ phận cuối cùng được vùi trong một lớp bột kim loại. Khi bệ được nâng lên, chi tiết sẽ xuất hiện khi bột rơi xuống.

MTI là công ty tiên phong trong việc sử dụng công nghệ sản xuất bồi đắp (AM). Công ty này được thành lập vào năm 1994, tập trung tạo ra các nguyên mẫu nhựa bằng máy in li-tô lập thể. 9 năm sau, họ đã mang chiếc máy in với công nghệ nung nóng bằng laser (DMLM) đầu tiên đến Hoa Kỳ.

Nhanh chóng khẳng định mình là chuyên gia trong công nghệ PBF, MTI quyết định đa dạng hóa sản phẩm của mình bằng một công nghệ AM khác. Đầu năm 2012, công ty mua lại máy A2 EBM (Electron Beam Melting) từ Arcam. Tôi vốn đã đam mê AM và chiếc máy này đã giúp tôi càng thêm hứng thú với công nghệ bồi đắp kim loại. Tôi tin rằng AM sẽ là một đột phá lớn đối với các phương pháp sản xuất truyền thống.

Giờ đây, cả Morris Technologies và Arcam đều đã trở thành một phần của GE. Cùng với đó, kiến thức và chuyên môn về quy trình EBM đã được đưa vào DNA của công ty chúng tôi. Dave Bartosik, kỹ sư cấp cao của GE Additive, chuyên gia về EBM sẽ giải thích về cách thức hoạt động của quy trình khi chúng tôi thực hiện phần này.

Giống như máy DMLM, máy Arcam EBM cũng nấu chảy các lớp bột kim loại để chế tạo các bộ phận. Tuy nhiên, sự khác biệt giữa DMLM và EBM rất rõ ràng. Nó thể hiện rõ ràng nhất khi đánh giá về cách nó được ứng dụng trong lĩnh vực cấy ghép y tế.

Khả năng tối đa hóa năng suất của buồng in

Một trong những khía cạnh nổi bật nhất của EBM là khả năng tối đa hóa khổ in. Bạn sẽ không bị giới hạn về số lượng bộ phận có thể vừa với trục X và Y. Với EBM, các bộ phận có thể được lồng vào nhau và xếp chồng lên nhau. Một trong những dự án đầu tiên chúng tôi in trên máy là một quả bóng lưới có đường kính một inch. Chúng tôi có thể sản xuất hơn 200 chiếc trong một bản dựng nhờ tính năng xếp chồng. Điều này được chuyển thành các ứng dụng y tế trong đời thực khi chúng ta thấy ổ cối được sản xuất bằng EBM theo cách tương tự.

Điều gì khiến công nghệ EBM làm được như vậy?

Dave giải thích: “Khi một lớp bột được phân bổ khắp bàn in, toàn bộ lớp đó sẽ được thiêu kết nhẹ trước khi bột tan chảy dựa trên hình dạng của bộ phận. Lớp bột bán thiêu kết cung cấp sự hỗ trợ cơ học cần thiết cho việc lồng 3D. Để lồng các bộ phận vào bất kỳ vị trí nào trong vật thể, chúng chỉ cần ~20 mm giá đỡ trên các bề mặt hướng xuống dưới.

Mặc dù cần có các giá đỡ trên các bề mặt có góc nhỏ hơn 60 độ so với phương ngang nhưng chúng chỉ cần mở rộng 20 mm bên dưới bộ phận. Các giá đỡ đóng vai trò vừa là neo cơ học vừa là ổn định nhiệt cho lớp đang được xử lý.”

Nhiệt độ cao loại bỏ nhu cầu giảm áp lực, tiết kiệm thời gian

Trong quy trình laser sau khi tấm nền được lấy ra khỏi máy và bột đã được hút hết, nó thường sẽ được đưa đi để giảm bớt căng thẳng. Sau đó, nó sẽ được máy dây EDM tách các bộ phận khỏi bàn in. Các bộ phận EBM không cần phải giảm ứng suất do nhiệt độ cao trong buồng in. Ngoài ra, các bộ phận không bị nóng chảy trực tiếp vào bệ nên không cần phải tách bằng thao tác thứ cấp. Kết hợp hóa các bước sản xuất trong một máy duy nhất mang lại những cải tiến đáng kể về thời gian quay vòng tổng thể và tuân theo các nguyên tắc Sản xuất Tinh gọn. Kết quả cuối cùng là tiết kiệm thời gian cho nhà sản xuất.

Dave cho biết: “Do nhiệt độ xử lý cao (dẫn đến ứng suất bên trong các bộ phận thấp), nên không cần phải cố định các bộ phận đã in vào một bàn in”. “Với quy trình EBM, có tùy chọn in các bộ phận trực tiếp trên tấm in hoặc đặt các bộ phận trên các giá đỡ. Khi sử dụng hợp kim EBM phổ biến nhất, Ti64 , các bộ phận được in trên tấm xây dựng có thể được tháo ra mà không cần quá trình cắt như cưa vòng hoặc dây EDM. Bởi vì thép không gỉ (vật liệu của bàn in) và hợp kim titan (vật liệu in) có khả năng hàn không tương thích, các bộ phận chỉ đơn giản bật ra khỏi bàn khi quá trình chế tạo hoàn tất và nguội đi.”

Tính toàn vẹn của bột EBM tái chế giúp tiết kiệm tiền

Ngoài ra, tương tự như DMLM, phần lớn bột còn thừa đều có thể thu hồi được. Tuy nhiên, với EBM, các bộ phận được bọc trong một bánh bột cần được thổi rời trong trạm thu hồi bột, nơi sử dụng cùng loại bột cho chất nổ để tránh nhiễm bẩn và đảm bảo tính nguyên vẹn của bột.

Dave cũng chia sẻ một số khía cạnh độc đáo khác của EBM. “Vì chùm tia được điều khiển thông qua thấu kính điện từ nên chúng tôi có thể điều khiển chùm tia nhanh hơn nhiều so với máy quét laser thông thường. Với khả năng thay đổi nhanh chóng tốc độ và tiêu điểm chùm tia, EBM sử dụng kỹ thuật đa điểm để mô phỏng nhiều chùm tia. Có thể duy trì tới 100 bể hàn đồng thời để giảm thời gian in.

“In trong môi trường chân không cho phép chúng tôi sản xuất các thành phần có độ tinh khiết cao. Chân không cũng cho phép duy trì nhiệt độ xử lý cao trong suốt quá trình in. Các hợp kim thường bị nứt trong điều kiện đông đặc nhanh và lạnh (ví dụ: aluminua titan) giờ đây có thể được in và để nguội từ từ, tạo ra cấu trúc vi mô mong muốn.”

Bồi đắp kim loại tiếp tục phát triển. Nó không chỉ là một công nghệ hấp dẫn mà còn là một cách hiệu quả để chế tạo các bộ phận và giải phóng sức mạnh của trí tưởng tượng, khuyến khích các nhà thiết kế nghĩ xa hơn những điều không thể. Chúng tôi đã chứng kiến việc sử dụng rộng rãi EBM trong ngành y tế để sản xuất nhiều loại thiết bị y tế và điều này ngày càng gia tăng khi ngày càng nhiều khách hàng chỉnh hình nhận ra lợi ích của công nghệ.

Cải thiện hình dạng lồng và tích hợp chức năng
Cấu trúc xốp tùy chỉnh để mô phỏng xương người
Cấu trúc mở để ghép xương bổ sung và tăng diện tích bề mặt
Cải thiện địa hình bề mặt để tăng cường tích hợp xương
Tối ưu hóa trọng lượng và giảm lãng phí vật liệu