醫(yī)用增材制造金屬粉末床熔融工藝過程控制和確認的思考

謝能 姜歆 何婷 上海市醫(yī)療器械化妝品審評核查中心 （上海 200020）

內容提要： 提出針對金屬粉末床熔融打印工藝驗證和控制的思路及方法，探索醫(yī)用增材制造工藝的控制措施。采用醫(yī)療器械驗證中的“3Q”要求（即按照安裝鑒定，運行鑒定，性能鑒定）以及過程監(jiān)測和產品放行的驗證模型加以闡述分析。在整個驗證過程中，對設備的性能運行和工藝參數的驗證方法加以探討，摸索出一條金屬粉末床熔融打印工藝驗證方法，以保證醫(yī)療器械產品的質量。

目前主流的醫(yī)用增材制造金屬粉末床熔融工藝主要分為電子束熔融和激光選區(qū)熔融兩種主流的打印方式，電子束熔融主要通過電子束激發(fā)高能能量融化金屬粉末，進而逐點逐層的打印，形成打印件。激光選取熔融的發(fā)射源為激光，通過高能量密度的激光照射金屬粉末，使金屬粉末融化，再迅速冷卻，逐層結合最終形成打印件。由于激光遇到金屬粉末表面會發(fā)生一定的反射現象，所以常規(guī)上激光的穿透能力會弱于電子束打印[1]。

由于沒有現成的針對醫(yī)用金屬粉末床熔融增材制造工藝的驗證模型，所以在具體執(zhí)行過程中驗證方案、方式五花八門，對后期的監(jiān)管及產品的質量造成了一定的風險，急需出臺相應的標準和規(guī)程來加以監(jiān)控和管理。

本文從工藝過程的監(jiān)管角度考慮，除了對人員、設備、環(huán)境、原材料等方面加以控制之外，明確了相應的工藝過程控制要求。不同于常規(guī)大規(guī)模工業(yè)生產，醫(yī)療器械的生產具有起其自身特有的安全有效性要求。在工藝驗證過程中需遵循“3Q”要求。

1.安裝確認(Installation Qualification，lQ)

證明設備已按照規(guī)范要求提供和安裝，獲得并形成文件化證據的過程。

1.1 電源

電源模塊是整個設備中重要的環(huán)節(jié)，在3D打印中需要高功率的能源、同時設備還應帶有應急電源。因為在打印過程中、一旦出現斷電等情況，系統(tǒng)能保持應急狀態(tài)，保證打印的連續(xù)性。醫(yī)用金屬打印件往往成本高，時效要求反應迅速，質量要求穩(wěn)定。打印過程存在斷續(xù)情況，可能存在一定的安全隱患，所以具備相應的高功率電源和應急電源模塊，以保證打印的長期可連續(xù)性[2]。

1.2 氣源

在打印過程中，設備需要采用惰性氣體進行真空保護。惰性保護氣體在風機的作用下，以一定的速度吹過腔室，在打印區(qū)域上空形成一個均勻風場。保證惰性氣體分布的均勻性和有效性，從而保證在規(guī)定的范圍內保證打印出產品的氧含量處于規(guī)定的濃度范圍內，所以應對整個氣源的完整性予以確認。包括但不限于濾芯的完整性，循環(huán)風場將過煙塵帶走，然后經濾芯以后再返回到腔室內。假如濾芯部分失效會導致整個濾芯的阻力上升，部分煙塵滯留在腔室內，煙塵中的粉末無法全部帶走，散落在工作表面上，造成整個工作件表面的缺陷，進而影響刮刀的完整性，導致打印件的失敗。假如濾芯失效，在長期的打印過程中，腔室氣場中粉塵含量過高，會造成爆炸。氧含量超標會造成結構件性能下降和不合格。

由于增材制造金屬粉末床熔融工藝采用的是粉末制造加工，粉末存在燃爆性的可能。故此在安裝鑒定環(huán)節(jié)，必須對除靜電設施加以重點的關注。在過往的案例中有在收集金屬粉末時，產生靜電釋放，導致燃爆造成員工重度燒傷故事[3]。必須對防靜電措施加以確認，以避免嚴重的安全隱患。

核對氣源的運轉功率，保證供氣的穩(wěn)定性。在安裝鑒定階段，需核對氣源的運轉功率符合設備的出廠額定值。

2.運行鑒定(Operational Qualification，OQ)

證明已安裝的設備按運行程序使用時能在預定限值內運行，獲得并形成文件化證據的過程。

2.1 刮刀

在鋪粉過程中，刮刀的結構完整性保證了整個粉末層平鋪的完整、精細度。在3D打印過程中，每打印一層整個粉床就要下降，然后通過刮刀將粉末均勻的地鋪在整個工作表面的表層。刮刀的破損會導致整個打印面鋪粉的不均勻，在某些點形成凸起和凹下，造成打印件的失效。應核對刮刀刀刃是否完整完好，保證在送出粉后，整個粉末層厚度的均勻一致[4]。

2.2 基板

基板是整個粉末床的底部?；宓钠矫娑葲Q定了整個打印件的成功與否?；搴痛蛴∏皫讓臃勰┑慕Y合力直接影響后期打印效果。假如發(fā)生結合力不夠的情況，會導致在后期的打印過程中，由于熱應力的積累，打印工件逐漸發(fā)生翹曲，與基板分離發(fā)生翹曲，最終導致打印的失敗。應核對整個基本的平面度以及粗糙度，根據不同的基板粗糙度來進行打印，同時在運行前應對基板表面進行擦拭和核對，以明確是否存在污物、油漬等[5]。

2.3 升降軸

升降軸的精度特別重要，在整個打印過程中，升降系統(tǒng)卡殼失效會造成打印失敗。升降結構精度和速度予以確認。

2.4 傳送裝置

打印設備在X，Y軸向的平面有傳送結構的裝置。由于長期的運行，可能導致結構件磨損，導致速度降低。因在年度的運行確認中，對該部分的裝置予以再確認。傳送定位裝置在初始環(huán)節(jié)速度是精準的，經過一段時間使用后，結構件存在磨損，速度存在衰減，整個的打印設施設備和樣件，由于速度衰減會存在打印熔池變大，導致整個產品結構精度下降。

應進行打印區(qū)域一致性的測試，以保證在X軸，Y軸方向，按照同樣線寬，速度，傳動機構打印出來的樣品尺寸一致。

2.5 發(fā)射系統(tǒng)

發(fā)射能源系統(tǒng)都存在功率衰減的問題，功率衰減會導致設備的性能存在下降，如在打印過程中功率衰減后，部分打印區(qū)域可能存在粉末球化現象，導致粉末未徹底熔融，在打印件內部形成縮孔、縮松現象。需要在運行確認過程環(huán)節(jié)，對設備的發(fā)射系統(tǒng)功率予以確認，以保證打印過程穩(wěn)定性和有效性。

2.6 真空系統(tǒng)

在打印過程中或需充填惰性氣體，一方面保證整個系統(tǒng)盡量降低氧含量，保證打印件物理性能，一方面防止發(fā)生粉塵爆炸。為了保證真空度，可核對具體泄露情況，進行整個設備真空泄漏率的測試，以保證真空度符合要求。

2.7 溫度場

首先需要對溫度采集采的點與設備予以確認。包括對整個粉末床中溫度場（溫度場布點示意圖見圖1。）的采集點予以確認，在打印過程中，粉末溫度的均勻性起到了至關重要的作用。

圖1.溫度場布點示意圖

溫度采集主要通過熱電偶進行信號采集，經過AD轉換后獲得相應的溫度數值。必須要對溫度采集傳感器進行驗證并取得相應的校準證書。

在整個粉末床中，通過均勻布置溫度采集器，會測得一個溫度最低點（即通常意義上所說的冷點）。在一個溫度場中，即使保證了溫度場的均勻性，也必然存在一定的差異性。明確該溫度場中冷點后，在后期性能驗證中，在冷點予以隨爐樣塊的打印。在冷點打印的樣件，相對其他溫度較高的點，容易發(fā)生粉末球化現象，進而導致縮孔、縮松發(fā)生。所以在運行階段，通過空載溫度場的測量，進而明確冷點，為下一步最差情況的驗證做好準備。

同時，應明確在不同體積的溫度場中，所需要的溫度傳感器數量是不同的，應根據工作床容積的大小來確定所需溫度傳感器的數量。建議數量如下。

2.8 軟件

2.8.1 上位機軟件

在3D打印中，使用軟件分為幾部分，第一部分是上位機軟件。

上位機軟件，通過將獲得的DICOM數據格式文件，轉化為三維模型，并予以切片。

上位機三維重新建模形成三維圖形，在重建過程中由于成型結構的復雜性，會產生微小的不連續(xù)面，需要在后續(xù)操作執(zhí)行前進行修補，已保證模型的完整性[6]。

打印軟件需要考慮到支撐，軟件的支撐設置和打印的質量密切相關。針對骨科植入物、口腔義齒和手術導板，都是使用部位復雜。存在部分懸臂梁結構，懸臂梁結構在打印過程中需要設計相應的支撐。如果沒有支撐，在打印間過程中，懸臂結構下層會發(fā)生整個面的塌陷。支撐的密度設置也應合理。支撐設置過于密集，在去除支撐時會造成后處理的加工困難。如有支撐接觸點未打磨處理干凈，容易造成殘余應力的集中，導致產品遠期失效風險。支撐設計密度如果過低，可能無法起到支撐作用，導致部分懸臂結構塌陷，進而形成應力翹曲變形，導致打印的失敗。

對于成型軟件，應進行建模精確度的驗證，確保模型的成型質量。設置成型模型和打印件進行比對。選取不同的閾值，對不同閾值下模型的精度加以評估，保證建模精度符合實際需求[7]。

目前切片的算法主要以平面切片和自適應切片兩種，平面切片的切片厚度與時間緊密相關，切片的厚度越薄，所需要的打印時間相應的也會急劇增加，但是打印的精細度會大幅度提高，臺階效應也會相應的減少。而自適應切片是目前在開發(fā)中的一種新型的切片方式，根據曲面來進行自適應的切片。在驗證部分需對切片的方法加以驗證，明確厚度與打印時間的關系，保證打印的精度和時間均符合要求。

2.8.2 下位機軟件

下位機軟件，計算機根據切片所得的結果進行加工線路的設計，形成完整的加工線路。

在下位機軟件中，可執(zhí)行的NC加工操作路線規(guī)范與否，在設計加工路線中速度不同，支撐設計的不同都會產生不同的影響。比如說長臂梁結構，如設計不合理會產生塌陷和應力翹曲反應等。

合理的加工路徑可以減少產品的熱應力、殘余應力，保證打印的成功。目前在路徑規(guī)劃中，有多種的掃描路徑方式。包括光柵掃描、螺旋掃描，但是在單向往復的光柵掃描中遇到空孔等結構時，需要將能量源關閉進行空跳。故此對于不同結構的工件，因有對應的路徑規(guī)劃方法加以保證，如進行分塊掃描，以充分釋放產品的熱應力，保證產品不發(fā)生翹起變形等。

控制軟件，就是設備的控制系統(tǒng)。軟件對整個設備的溫度、濕度、氣體濃度等諸多指標予以監(jiān)控的軟件。在運行過程中，應對整個過程的相關參數加以監(jiān)測。

2.9 氣體濃度

在打印過程中惰性氣體的含量決定了整個設備的氧含量的高地而過關氧含量會導致產品的物理性能的變形，所以應進行氣體濃度的測量與控制，保證氣體濃度在符合的規(guī)定范圍內。

3.性能鑒定(Performance Qualification，PQ)

證明已按操作程序安裝和運行的設備，可持續(xù)地按預定規(guī)范生產出符合規(guī)格的產品，獲得并形成文件化證據的過程。

金屬粉末床熔融工藝過程如下，首先使用能量源對金屬粉末進行照射升溫，當粉末的溫度超過它的熔點時，粉末逐漸融化變成液相。當液相粉末的數量不斷擴大，逐漸形成熔池熔融。通過毛細作用和對流現象，熔池把周邊的粉末吸引過來，一并進行融化，最終經過冷卻固化后，形成致密的打印件。

目前諸多設備廠商提供的打印參數可供參考，但仍需對激光束的功率、掃描速度、掃描間距、粉末回收次數等的打印工藝參數進行驗證，保證產品的拉伸的性能，含氧量，表面，質量，硬度，顯微結構孔隙率，耐磨性能，疲勞性能等符合要求。

工藝參數的驗證可考慮進行多參數的正交實驗。目前打印粉末和設備之間多是閉環(huán)的關系，但也有越來越多的設備和粉末采用開源打印，即一種設備打印不同廠商、品牌、規(guī)格型號的粉末。不同廠商由于制造工藝、方法等，粉末的粒徑分布是不同的。不同的粒徑分布，導致打印參數的不同。粉末的粒徑大，需要完全熔融的能量功率也就高，粉末的粒徑小，需要的熔融的能量功率也會小，所以只有相對統(tǒng)一的粒徑分布，才能保證打印工藝參數的有效性，避免后期的縮孔縮松等質量問題。

3.1 工藝參數的影響

3.1.1 鋪粉厚度

鋪粉的厚度直接決定了打印的成敗。當層厚過厚時，部分粉末無法全部融化，導致有粉末殘余夾雜在打印加工件內。粉末殘余夾雜在打印件內，無法取出，造成打印內部形成了應力集中點，造成遠期的疲勞破損。如果層厚過薄，導致下層結構再次融化，刮刀刮粉厚，易造成結構件的變形。

3.1.2 掃描速度

在掃描中，掃描速度的快慢也影響產品的質量和工藝的穩(wěn)定性。當掃描速度過快時，部分粉末被照射的能量尚未達到熔點，造成部分的粉末無法完全融化，只有少量的液相，形不成致密的表面結構。當掃描速度過慢時，會導致熔池的不斷擴大，熔池擴大造成熔池的溫度不斷上升。當達到一定的溫度時，會造成熔池中的液體飛濺，飛濺的金屬液體，隨機布撒在粉末的表層上，造成整個打印件的失敗。同時部分的液體飛濺，可能會散布在能源掃描的窗口，造成掃描振鏡損壞和艙室的破損，打印終止失敗。

3.1.3 掃描搭接率

搭接率也是提高產品致密度的一個重要工藝參數。在實際的生產過程中，部分產品的搭接率過低，打印區(qū)域之間的結合力下降，無法滿足完整的產品的力學性能要求。通過提高一定比例的搭接率，部分粉末會有二次熔融過程，以進一步提高產品的緊密度，加強產品性能。在打印過程中，掃描的搭接率過大，造成熔池的擴大，部分的粉末會經過多次的熔融造成積液，而積液由于來不及向其他的區(qū)域進行流動，短時間內的快速冷卻，形成球化現象，造成打印件的致密度下降。

3.1.4 掃描功率

在生產過程中，設備的功率會隨著使用時間的增長而發(fā)生衰減，所以應該對功率加以確認，以保證在生產過程中實際的功率能滿足產品的生產需要。當功率衰減過低時，會造成產品的粉末無法打到規(guī)定的熔點進行融化，部分粉末留存在打印件內造成縮孔、縮松，影響產品的整體力學性能。當功率過大時，部分粉末容易發(fā)生球化現象，造成打印件的應力集中點。

3.2 物理性能鑒定

3.2.1 試樣的制備

在性能確認中應考慮到最差情況，包括整個打印區(qū)域內的冷點，進行試樣的打印。需要測試試樣在不同方向上的受力情況，同時測試樣件應考慮醫(yī)用產品的特性。醫(yī)用植入物，如髖關節(jié)等需要骨長入，一般進行測試樣件打印時，應選用多孔結構以模擬骨小梁結構?？壮叽鐟x擇設計孔徑的下限，打印后測試多余粉末從小孔中清洗完畢。

在實際打印過程，存在多參數交叉影響的現象，應根據實際工藝情況，對包括但不限于鋪粉厚度、掃描速度、掃描搭接率、掃描功率的工藝參數進行正交實驗，已明確工藝窗口[5]。

在打印過程中，需明確上述的參數的上下限。在實際生產過程中，工藝參數會圍繞設置值上下波動。工藝參數上下限的驗證可以保證產品的生產工藝參數在合理工藝窗口范圍內。

3.2.2 后處理方式的確認

由于工藝方式，產品存在熱應力。應對相應的后處理方式加以驗證，以充分的釋放產品應力和提高產品致密度，避免產品的遠期失效。

目前廠家多使用熱處理，進行殘余應力的釋放，應對不同尺寸產品的熱處理時間、熱處理溫度、冷卻方式和時間加以驗證和確認。

3.3 化學性能鑒定

打印中不可避免會使用到粉末回收，需驗證產品的氧含量經幾次會達到極限，在打印過程中特定部位對應的結構特性變化，均需進行驗證，以明確打印次數的要求[4]。進行極限情況的挑戰(zhàn)試驗，對氣體濃度予以測試，保證在最低的惰性氣體濃度下，粉末回收的最大次數予以驗證和確認。

當前企業(yè)的粉末循環(huán)使用主要有三種方式：第一種是只使用循環(huán)的粉末，第二種方式是使用循環(huán)粉末加新粉，第三種方式是只使用循環(huán)次數相同的粉末，其中前兩者占據主流[8]。但是由于不同品牌、不同種材料的粉末性能，與不同設備之間的適配性均不一致。需采用準備量產的粉末與設備之間進行適配性驗證，保證粉末循環(huán)使用的最大次數，產品的致密度、氧含量、物理化學性能均能達標。

3.4 生物性能鑒定

應對極限情況下打印的多孔結構試樣進行生物學的測試。包括但不限于細胞毒性，致敏。

4.再鑒定

再確認是指生產過程中，系統(tǒng)設備經過驗證并在使用一個階段以后，為證實其狀態(tài)仍符合要求而進行的確認。企業(yè)應對是否需要再確認，再確認的范圍，再確認的頻次及變更情況進行評估，一般應當在以下情況下予以再確認。

經過一定的生產周期，建議再確認周期不超過一年。在整個生產過程中，設備會發(fā)生老化及功率衰減的問題，所以應定期對設備進行再確認。

當產量發(fā)生了急劇增長，產量的增長會帶來設備的加速老化，應在該期間內進行老化的評估和確認。同時遇到如打印，金屬粉末的材質，粉末供應商，設備軟件發(fā)生了變化，應進行再確認。

5.產品的打印放行

在打印過程中，通過前期的運行鑒定和性能鑒定已明確了，設備的冷點和最差打印情況，在冷點上進行每批次隨爐樣塊（極限情況挑戰(zhàn)）打印。

隨爐樣塊的物理化學性能測試予以通過，同時相應的工藝參數在驗證的參數范圍內，可允許產品放行。

綜上所述，只有對醫(yī)用增材制造工藝的設備進行安裝鑒定、運行鑒定，對產品進行性能鑒定，才能有效建立管控模型，提高和穩(wěn)定增材制造醫(yī)療器械的產品質量。