博世先进陶瓷是全球技术陶瓷的创新引领者，业务范围涵盖汽⻋、医疗设备和化⼯等多个⾏业。⽬前，该公司专注于通过增材制造技术打印零部件，拥有丰富的陶瓷批量制造经验。本⽂将介绍博世先进陶瓷采⽤俐陶智3D打印机量产微型医疗部件的实例。2014年，博世先进陶瓷购⼊第⼀台俐陶智3D打印机。经过⼗年的发展，博世已成为陶瓷3D打印领域的领先者，拥有覆盖多种陶瓷打印技术的3D打印机，其中包括4台俐陶智LCM技术的陶瓷打印机。随着增材制造这⼀领先技术的不断成熟，博世与时俱进，不断提升其技术实⼒。腹腔镜套管设计复杂，其薄壁要求和中空结构对3D打印技术是⼀⼤挑战。本⽂将详细介绍博世先进陶瓷如何凭借其丰富的技术经验，成功实现设计要求并能稳定批量⽣产，通过俐陶智LCMCeraFab增材打印机，该套管单次批量⽣产1400件，年产50,000件。博世先进陶瓷位于德国南部的布莱夏赫⼯⼚，该⼯⼚以年产数百万汽⻋零件⽽闻名。⾃成⽴之初，博世先进陶瓷便充分将该⼯⼚的内部陶瓷专业知识与强⼤的增材制造能⼒相结合，为外部客⼾服务。![]()
图1:博世先进陶瓷总部位于德国南部，博世布莱查赫⼯⼚内，该⼯⼚以年产百万件汽⻋零部件⽽闻名（图⽚来源：博世）此前，博世先进陶瓷具备陶瓷注塑和增材制造两项技术能⼒，开发增材制造的初衷是为了探索技术可能性并为注塑提供原型制造，但如今随着增材制造快速成⻓为独⽴的⽣产⼯艺，博世将完全专注于提供陶瓷3D打印业务。⽬前博世⼀共拥有6台陶瓷3D打印机，其中4台是俐陶智CeraFab3D打印机。![]()
图2:博世先进陶瓷在德国南部的布莱查赫⼯⼚拥有四台俐陶智CeraFab3D打印机（图⽚来源：俐陶智）
2023年初，博世先进陶瓷迎来了⼀项新的合作机遇：为⼀家著名的医疗科技公司⽣产⼀款陶瓷绝缘套管，⽤于微创腹腔镜设备。经过详细的技术评估，发现⽣产难点在于尺⼨精度要求极⾼，如果能解决该难点，博世先进陶瓷可以实现有史以来在俐陶智CeraFab打印机平台单批次最⼤⽣产规模。![]()
表1:绝缘套管的主要参数（数据来源：博世先进陶瓷）
由于医疗设备对质量的严格要求，博世先进陶瓷的技术团队需要在满⾜客⼾⾼质量标准的前提下，完成每年⽣产20,000个零件的⽬标。表1展⽰了绝缘套管的关键参数。由于腹腔镜器械部件尺⼨很⼩并且要满⾜装配使⽤要求，显然制造该套管对制造团队提出了不⼩的挑战。在腹腔镜器械中，需要电绝缘体隔离两个导电部件，以防发⽣电击穿。所设计的陶瓷套管外径仅为1.3毫⽶。这种微型化设计符合当前医疗器械更⼩、更微创的发展趋势，不仅能减⼩⼿术切⼝，还能⼤⼤加快患者的愈合速度并减轻术后痛苦。该套管（如图3、图5和图6所⽰）⽤于包裹截⾯仅有0.35毫⽶的导线。由于器械直径有限，且导线必须具备⾜够的宽度，因此套管的内径设计为0.43毫⽶，上部的陶瓷壁厚仅为90微⽶。“我们⾯临的挑战是同时满⾜独特设计和医疗器械精密质量标准，打印产品批次间质量稳定，并实现年产2万件。”由于套管设计复杂且尺⼨微⼩，只有微型陶瓷注塑成型或3D打印两种⽣产⼯艺可选。微型陶瓷注射成型的模具成本较⾼，且实现所需的薄壁厚度难度⾼，⽆法制造结构过于复杂的设计。相⽐之下，3D打印⽆需使⽤模具，可以⾃由设计，能够打印出传统加⼯⽅式⽆法实现的复杂微细结构，同时确保产品达到尺⼨精度要求。这项技术不仅满⾜了部件功能需求，⽽且也实现机械性能要求。因此，3D打印成为医疗器械⼚商制作陶瓷部件的⾸选。“3D打印技术可实现多功能组合，不仅能⽣产电绝缘部件，也能满⾜所需的机械性能。”在选择材料时，技术陶瓷凭借其耐腐蚀，耐热冲击，电绝缘等多种优势，成为理想的选择。考虑到绝缘特性，⾦属材料显然不适合。此外，聚合物材料也被排除：因为⾼分⼦材料⽆法承受外科器械⾼温灭菌过程中的化学腐蚀；也⽆法承受⾼温环境；聚合物的电绝缘性能在充放电过程中也存在使⽤⻛险。“技术团队选择了俐陶智的LithaLox360氧化铝作为⽣产材料，完美满⾜客⼾对尺⼨、精度和电绝缘性的需求。”![]()
图3:博世先进陶瓷⽣产的套管（图⽚来源：博世先进陶瓷）
基于对增材制造的精度和批量⽣产批次稳定性的深⼊了解，客⼾选择博世先进陶瓷制造这⼀精密的医疗陶瓷部件。经过技术团队评估，博世先进陶瓷选⽤了俐陶智的LCM增材制造设备进⾏⽣产，这款机器的分辨率⾼达40微⽶。材料则选择了俐陶智的LithaLox360氧化铝，充分满⾜客⼾对尺⼨、精度和电绝缘性的需求。该零件是医疗器械中关键部分，任何微⼩的质量或尺⼨偏差都会导致产品⽆法使⽤，因此必须确保⾼精度和质量的稳定性，为此，博世先进陶瓷团队重点关注三⼤问题：双⽅制定了六个⽉内实现量产的计划，并最初设定了年产20,000个部件的⽬标。![]()
图4：俐陶智LCM陶瓷3D打印机的内部。该技术基于光聚合沉积⼯艺（VPP），能够⽣产极为复杂的⼏何形状和微型部件，实现传统陶瓷⼯艺难以达成的设计。（图⽚来源：俐陶智）在五个⽉的样品测试阶段，团队⾯临的主要问题在于如何在确保⾜够电绝缘性能的前提下，实现最⼩壁厚，为确保微⼩结构的精准成型同时避免过度光固化，团队反复测试了多个版本，最终确定了理想的⼯艺参数。在产品开发过程中，团队遇到了两个主要挑战。⾸先，他们需要确保在批量⽣产中批次间的⼀致性。在单个打印平台上⼀次可以⽣产1,400个部件，每个部件必须牢牢地固定在平台上，任何失误都可能导致整批产品报废。其次，团队专注于设计尽可能薄的壁厚，迭代了四次相同内部直径但不同壁厚和外径的产品。技术团队逐步减少壁厚，不断突破技术极限，尝试更薄的设计。“...迭代了四次内部直径相同、壁厚和外径不同的⽅案，并在每次测试中逐步减少壁厚。”![]()
图5：3D打印套管在清洗、拆除和烧结之前置于打印平台上的状态。（图⽚来源：博世先进陶瓷）
在样品测试阶段，需要进⾏多次迭代以找到最佳设计，这显⽰了陶瓷增材制造的优势，传统成型技术每次迭代需要⼗周左右完成所有测试，其中四到六周⽤于模具的制作，三到四周⽤于测试部件的适配性。陶瓷增材制造技术⽆需制作模具，直接进⾏四次的迭代⽣产，博世先进陶瓷为客⼾节省了⾄少⼋个⽉的交货时间，并节省了模具成本。清洗过程对部件质量⾄关重要。在打印完成后，未经烧结的部件⾮常脆弱，表⾯残留多余材料，需⼩⼼清洗。博世先进陶瓷采⽤半⾃动的清洗解决⽅案，能够温和地同时清洗⼤量部件，不造成破坏，确保在批量⽣产中批次间质量的⼀致性和可靠性。“博世先进陶瓷开发的半⾃动清洗⽅案可以温和⽽⾼效地清洗⼤量零件，避免损坏。这⼀过程对于确保产品质量的⼀致性⾄关重要。”经过多次调整，终于平衡了部件设计、⼯艺参数和材料技术要求，满⾜了客⼾的需求。然⽽，随之⽽来的新挑战是如何将⽣产规模从打样转向⼤批量⽣产，在量产过程中材料批次可能不同，打印数量和烧结批次也可能不同，都要确保批次间产品质量的⼀致性和稳定性，进⼊量产阶段后，整个⽣产流程的每个环节都很关键，能够帮助减少废品率并满⾜客⼾的要求。在设计过程中，需要考虑如何尽可能减少批量⽣产中的波动。客⼾设定的最⼤公差为±50微⽶，这意味着偏差范围⾮常有限，凭借其丰富的⽣产经验，博世先进陶瓷能够充分利⽤其专业知识，确保⽣产的每⼀部件都符合严格的质量标准。项⽬完成后，从每批1,400个部件中随机抽取了200个进⾏质量检测。在对这些部件逐⼀进⾏测试后，最终设计的公差带被确定为±30微⽶，低于客⼾所要求的公差范围。经过与客⼾五个⽉的密切合作，博世先进陶瓷成功实现了每年⽣产20,000个部件的⽬标。这⼀成就得益于单次打印的⾼产量。通过优化设计、先进的LCM技术、优质的氧化铝材料，以及博世先进陶瓷与俐陶智的专业知识的结合，能够在单个打印平台上⾼效⽣产1,400个医疗器械部件，充分展现了3D打印技术的显著优势。
基于在批量⽣产中取得显著成果，⽣产⽬标被提升⾄每年50,000个部件，超过客⼾初始需求的两倍。为实现这⼀增⻓，团队将进⼀步测试与协作，努⼒实现在多批次⼤量⽣产规模上的质量⾼标准和产品⼀致性。博世先进陶瓷成功将⽣产规模扩⼤⾄每年50,000个部件，标志着项⽬的圆满成功。这⼀成果展⽰了LCM打印技术在实现陶瓷材料复杂部件批量⽣产中的卓越能⼒，尽管批量庞⼤，所有部件仍保持⼀致的⾼质量，并满⾜了极薄壁厚的要求。博世先进陶瓷凭借LCM技术的独特优势，实现了从⼩批量样件到⼤批量⽣产，这项技术能保证⾼精度、批次间质量稳定和设计⾃由灵活，满⾜了现代腹腔镜⼯具对复杂微型部件的需求。![]()
图7:通过陶瓷3D打印的⼿术钳头（左）和套管（右)（图⽚来源：博世先进陶瓷）
⾼性能陶瓷材料对于实现技术要求⾄关重要，如LithaLox360氧化铝，具备耐⾼温、电绝缘、耐腐蚀等多种优势，配合使⽤分辨率可达40微⽶的CeraFab打印机，博世先进陶瓷成功实现90微⽶的陶瓷壁厚，打破传统制造⼯艺的限制。此外，博世先进陶瓷凭借其专有清洗⼯艺，处理过程中确保了⽣坯完整性，充分体现了其对整个⽣产链的专业掌控。博世先进陶瓷成功将年产量从20,000件提⾼到50,000件，并保持质量⼀致，在⾏业中树⽴了新的标杆。这⼀成就不仅验证了俐陶智3D打印机打印技术和陶瓷材料在⾼产量、⾼精度制造中的能⼒，还突显了博世先进陶瓷作为陶瓷打印服务⾏业领先者的实⼒，将创新技术、材料科学与⼯业专⻓的有效结合，为陶瓷增材制造的未来发展开拓了新的机遇。
