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跨国药企仔细对比3D打印机,EnvisionTEC 3D打印机脱颖而出

高分辨率快速原型系统正在加速医疗设备的开发。Novartis使用详细的计划来选择3D打印机,最终找到理想的EnvisionTEC 3D打印机。

获得正确的细节

高分辨率快速原型系统正在加速医疗设备的开发。

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这张图片展示了对照零件。第一行(从左到右):Perfactory MML,Fortus 200mc和Dimension Elite。第二行(从左到右):ProJet HD3000, Alaris 30和Eden260 V。模具零件在最下面一行。

最近几年,最先进的原型制作系统能够快速生产出具有精细细节的高分辨率零件。其中一些系统现在可以生产医用级塑料零件,包括适合植入式使用的VI级材料。一个医疗设备工程师团队最近需要做出购买决策,因此对这些系统中的几个进行了评估,发现它们都具有很强的能力,每个系统都有自己独特的优势。具体项目要求限制了他们的决策,但具有不同需求的不同群体可能会发现其他系统更合适。本文对所考虑的系统进行了高级别的审查,并描述了用于做出购买决策的框架。

评价

评估工作由一家大型制药公司进行,由该公司专门从事干粉吸入器(DPI)的设备开发团队开发。DPI有一系列独特的需求,需要多维的高精度和表面性能,以确保干粉药物可重复和可靠地雾化,并且作为内部机制,其系统鲁棒性可以让使用者使用和滥用,在不同环境下都可以涂上粉末。在过去的开发项目中,一些服务商常常提供使用3D Systems的Viper HD机器光固化成型(SLA)部件。

这些部件展示了最终模塑部件应该有的性能,但是在最大长度偏差为0.002英寸的情况下,无法真实地再现这些设备所需的一些更精细的特征或表面。当团队需要更快开发新设备时,显然他们需要一种快速原型制作的新方法。有问题的零件小且复杂。此外,该团队预计在开发前期不需要大量的零件,并且资源不可能都用在操作机器上。过去,交付周期需要两到三天(包括创建采购订单,进入队列,等待交付),部分零件一晚就能完成,或者在某些情况下,通过迭代,经过几个小时的运转就能看出设备性能和实现鲁棒性。

审查系统

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表1.对照零件的显微图

该团队评估了六个快速原型系统以做出决定,下面将详细介绍每个系统。信息来自公司手册以及与公司代表的直接讨论。

  • 3D Systems ProJet HD3000.
  • EnvisionTEC Perfactory Mini Multi Lens.
  • Objet Alaris30.
  • Objet Eden260V.
  • Stratasys Dimension Elite.
  • Stratasys Fortus 200mc.

ProJet HD3000。ProJet HD3000由3D Systems制造,采用多点喷墨建模建模(MJM)技术(类似于喷墨打印头)来铺设和固化树脂,用蜡支撑结构填充中空,蜡支撑结构通过热处理熔化掉。可以用有机溶剂的超声波清洗进一步净化。截至发稿时,HD3000的VisiJet材料均未提供医疗级产品。由于用于支撑结构的材料不同,因此产生的表面不需要打磨,这SLA不同,SLA支撑的树脂与零件相同,并且需要手动移除。而这就会形成下更好的表面,因为没有残留的支撑,并且没有过度打磨的可能性。在38×38×32μm时,HD3000的精度和分辨率非常出色,但该团队担心后处理步骤能否完全去除蜡质表面涂层,以及势能面对公司粉末在设备中沉积的影响。这些问题可能与许多应用无关。对照件的关键特征的显微照片(参见表1的第1行)表明外观和细节的良好还原,但是并不清晰。计量表明,与Pro / Engineer CAD组件文件相比,这些部件能够极其精确地再现。Perfactory Mini Multi Lens(MML)。Envision TEC的这种系统与光固化立体造型术类似,通过使用德州仪器DLP芯片控制的光进行硬化,用液态树脂构建部件。相对于SLA,Perfactory MML将零件倒转过来打印。结果是,Perfactory MML可以生产具有出色分辨率(16-μm像素)的零件,只是要接受其非常小的打印范围以及在后处理中移除支撑的要求。

EnvisionTEC有多种材料可供选择,具有多种不同的机械性能,包括一些经过CE认证并根据ISO 10993分类为IIa级生物兼容性的材料。在所有调研的系统中,Perfactory后处理要求最复杂,包括清洁和固化的几个步骤,以及可移除。另一个限制因素是在最精细的分辨率下,其构建尺寸为44×33×230 mm。对于所考虑的应用,这被认为是可接受的,因为所需的大部分部件都非常小。但是,对于其他用途,这样的尺寸可能是不合格的。从好的方面来说,无支撑面的表面质量非常好,并且有各种各样的材料可供选择,包括医用级和陶瓷填充树脂Alaris30和Eden260V。Objet采用PolyJet聚合物喷射技术(另一种头部打印工艺),具有不同的支撑材料和多个同步运行的头,以加快打印时间。在这种情况下,用高压水除去支撑结构。这项技术很吸引人,因为从后处理的角度来看它很容易使用,而Alaris机器是一个相当小巧易携带的桌面设备。Objet还为其较大的Eden3D打印配备了许多其他材料,其中一些材料满足延长曝光的医疗设备和其他具有弹性体特性所需的VI级要求。两台机器的规格以及后处理简单让它看起来前景光明。但是,其脆弱属性最终不符合团队的特定需求(参见表I,第3行和第4行)。作为与Objet讨论的一部分,该团队展示了由其高端Connex机器生产的零件,这些机器可以在一次打印中生产包含多种材料的零件,包括弹性体。这些机器还可以混合不同的材料,实现双色部件的原型设计和硬度计测量。Connex技术非常有趣,但超出了预期应用的范围(和预算)。

Stratasys生产基于熔融沉积成型(FDM)技术的机器。在FDM中,拉伸出细塑料线并找到零件的几何形状以创建最终零件。FDM在所调查的系统中是独一无二的,因为它能够使用真实材料,如ABS和聚碳酸酯,还有各种颜色。Fortus可以加工更广泛的材料,包括符合VI级要求的聚碳酸酯。零件可以快速形成,但精度受当前可用电线尺寸的限制。气密性是团队产品的要求,本质上很难实现。该团队最初关注的是Startasys Dimension系列的高端系列Dimension Elite系列。很明显,该技术针对更大的产品进行了优化,该团队研究了高端Fortus系列中最小的机器,该机器具有更高的准确性和生产量。显微照片(见表I,第五行)显示伸出塑料的厚度实际上大于团队的预期。鉴于只做某些尺寸是成本较低,该系统似乎非常适合快速制造很少关键的精细细节的大型零件,这些特征可以进行最终的抛光打磨,例如机械零件或塑料外壳。

对照件

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表II.系统特点的比较

评估的一个重要部分是对照件的比较。每个供应商需要生成相同的部件,基于从Pro / Engineer导出的相同STL文件,可以使用最短的弦高。该团队从最近的设备中选择了一个具有特别具有挑战性的功能的组件,需要精致的细节来产生锋利的牙齿以及直径1毫米的孔,并且提供了区分每个过程的相对准确性的良好方法。该部件已经投入生产,这使得团队可以将对照件与注塑成型部分进行比较。每个部分放大约50倍拍摄,聚焦于相同的三个关键特征区域,以提供共同的比较点(见表I)。要求每个部件都交付完成并且附有任意的支撑材料,以便工程师能够了解需要进行哪些后处理。零件通常是从服务机构订购的,因此,团队在某种程度上不受移除支撑的影响。他们要在公司内拥有一台机器。详细审查这些系统的过程使团队更好地理解在做出购买决策时需要做出的权衡考虑。创建决策矩阵以便于以结构化方式对系统进行排名。起点是制造商代表直接提供的信息,并通过他们提供或独立征集的参考文件的对话提供支持。对照件提供了一个真实的比较,可以清楚看到需要考虑的权衡取舍。在表II中,团队使用关于系统特征的数据,使用关键决策标准填充表III中的系统选择矩阵的左侧数据。在讨论数据之前,团队会议讨论了相对权重。由于该技术固有的精度限制,该团队在最终评估中未考虑Stratasys Dimension Elite或Fortus 200mc。使用质量功能部署(QFD)的原则之一,设置参数的权重,使得最重要或最关键的参数的权重为9,重要但不关键的重量为3,并且给其他因素赋予一个权重。一旦权重达成一致,系统就会根据关键标准进行排名。最终得分被隐藏到评级过程完成。

Maltz_Table  对于这个应用,工程团队最终更关注快速生成可用于评估精细特征和表面处理的零件的能力,并且愿意忍受更费力的后处理步骤。这将精确度和分辨率推到了列表的顶部,这最终让他们选择了Perfactory MML,这主要归功于对照件中所展示的精细度控制。团队在启动和运行Perfactory MML方面是一条坎坷的道路,但这个过程运行得相当顺利。经过两天的培训,他们做好准备,他们对如何操作机器有很好的把握。但是,他们没有足够的背景知道在设置机器时有哪些重要因素及其原因。当他们接收新材料时,他们很难确定为适应新的条件需要改变的参数。经过几次安装,团队现在可以让机器打印所需的部件。然而,他们需要一些经过失败的打印和EnvisionTEC技术人员的多次调用来提取必要的信息以正确设置机器; 提供的文档缺乏关键细节和故障排除建议。最重要的是,团队是因为打印出来的应用部件的最终质量而做出选择的。易用性略低于预期,可能更适合那些能够将技术人员的大部分时间用于学习和运行系统的组织,而不适合繁忙的工程师。目前有几种最先进的技术可用于精细零件的快速原型制作。每个调查的系统都具有特定的优势,适用于某些应用。评估小组发现,用于做出决策的严格且结构化的流程可以全面展现所有这些系统的相对优势。该过程还有助于澄清团队的想法并证明购买的合理性。该过程还确保所涉及的每个人都理解选择的因素和需要考虑的权衡。

David Maltz is director, device technology at Novartis Pharma (San Carlos, CA)

Published in MD+DI, April 2010, Volume 32, No. 4

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