3D 打印对精加工工件夹具提出挑战
在位于安大略省基奇纳的 Renishaw 加拿大解决方案中心进行 CNC 精加工之前，制作钛原型髋关节追踪器板。金属 3D 打印可以实现新医疗设备的快速、低成本迭代，因为不涉及加工成本。
所有设备都需要测试以发现问题并开发解决方案——允许“免费”改变产品形状是一个强大的优势增材制造 (AM)。除了支持更复杂的几何形状之外，增材制造带来的其他好处还包括提高精度且无组件公差叠加，以及简化供应链并减少零件数量。
打印通常不是流程的终点。几乎总是，在印刷和任何热处理之后，金属零件需要一些在几个领域进行加工。有时是为了提高表面光洁度，更多时候是为了让紧固件将部件锁定到位。例如，脊柱夹具可以通过活动铰链展开，或者可以将固定球和窝打印成一体并用固定螺钉锁定。在这两种情况下，螺纹将被加工而不是打印。如果只需要在一个方向上进行加工，那么有时可以在构建板上加工零件。通常需要从多个方向进行加工，并且不可能通过印在板上的多个零件进入这些区域。
工件夹持的挑战是如何在从构建中移除后最好地夹持零件进行加工...到复杂的几何形状（尽管钳口的设计可能比简单的布尔值更耗时从塑料中减去该成分）。当产品测试后设计发生变化时，很容易打印一套新的钳口。
塑料钳口的主要缺点是它们在拧紧时经常会扭曲组件。尽管钳口牢固地固定零件以进行加工，但当零件从夹具上松开时，任何机加工孔可能不再是完美的圆形，并且随着零件松弛回到其未加载的形状，特征的真实位置将略有移动。
臀部追踪器使用紫外线粘合到 Blue Photon 夹具上。该解决方案可牢固地固定零件，但不会因塑料夹爪的夹紧力而导致变形。雷尼绍、滑铁卢大学和 Intellijoint Surgical 最近开展的一项合作项目调查了光学跟踪器的打印替代设计用于全髋关节置换术。跟踪器为外科医生提供术中测量，从而能够正确建立臼杯位置、平衡腿长以及恢复或维持偏移和关节旋转中心。
跟踪器主体采用钛合金 Ti6-4 整体打印，消除应力，然后从构建板上切割，准备好对运动支架和固定光学反射器球体的四个柱进行精加工。
一组塑料钳口设计用于夹紧零件，同时离开加工区域暴露。尽管塑料钳口牢固地夹紧零件，但它们永远不会重复夹紧零件，因此必须使用机器探针和最佳拟合软件（例如 Metrology Software Products Ltd. (MSP) 的 NC-PerfectPart）找到零件的准确位置。该软件最初是为加工高价值的航空航天和一级方程式复合材料结构而开发的，非常适合应对精确定位的挑战n 没有明显基准特征的有机形状增材制造零件。
在 CAD 环境中在组件上选择点，并通过 CNC 机器上的探针测量与标称位置的偏差。然后 NC-PerfectPart 软件创建一个最佳拟合对齐，它是一个 6 轴坐标转换——包括平移和旋转。在执行 CNC 程序之前，此坐标偏移会自动调回机器控制器。
机器测头还用于通过采用“切割/测量/切割”策略自动实现非常高的公差。特征是半成品、测量和自动应用补偿，以在最终加工道次上实现严格的绘图规范。这种方法考虑到变量，例如刀具/零件在负载下的偏转，以及刀具与编程尺寸的变化。
问题和解决方案
不幸的是，当塑料钳口时，臀部跟踪器组件会轻微弯曲被夹住，重新导致加工柱上的真实位置误差大于 0.3mm。虽然该部件已针对手术期间的负载进行了优化，但其设计并未抵抗加工力。
为了精确加工零件，必须不使用机械夹具弯曲它，而是在同时增加刚性同样重要。解决方案是使用 Blue Photon 的紫外线激活粘合剂和夹具。通过将零件粘在四个夹持柱上（传输紫外线以在大约 90 秒内固化胶水），臀部追踪器被牢固地固定但仍处于自由状态。
塑料共形钳口和最佳拟合坐标变换在 CNC 探测后由 NC-PerfectPart 软件执行。加工铝块以将四个夹具柱固定在跟踪器主体的正确位置。初始米三个直接粘合到夹具上的立柱加工成功，但一个立柱悬臂悬在夹具上方，并在加工过程中振动。印刷了一个塑料支撑块来支撑这个柱子并消除了这个问题。通过支撑部件，支撑块还允许在胶水固化之前更准确地定位跟踪器。胶水厚度最佳为 1 毫米左右，加工后只需将组件浸入近沸水中几分钟，然后剥离即可分离零件和夹具。
唯一的缺点是使用胶水夹具似乎是设计和加工夹具夹具的额外工作。然而，在随后的工业叶轮项目中，雷尼绍使用塑料印刷代替机械加工来生产夹具夹具。这证明，稳健的定制工件夹具解决方案的制造可以简化为一夜之间的桌面打印。
改进程序：Generative Design
生产胶水夹具夹具的改进工作流程是使用生成式设计软件，例如 Autodesk 的 Fusion 360。它会自动创建夹具之间所需的连接，例如固定夹具的卡盘在数控机床上。
自动设计用于颅骨板的 Blue Photon 夹具的工作流程。生成式设计工作区 (Autodesk Fusion 360) 显示绿色保护区和红色障碍物几何体。此过程不需要专业的 CAD 设计时间，并且会自动优化以在施加的加工负载下最大限度地提高刚度。针对特定患者的医疗设备（例如颅骨板）的过程如下。夹具的数量和位置将由制造工程师决定。然后将围绕每个 g 定义“保留”区域松土器作为圆柱形“衬套”，在每个夹具的上方和下方轴向突出障碍物间隙区域，以允许插入和固定螺母放置。颅骨板也被定义为必须避免的障碍。将定义并约束一个保护环，以使完成的夹具能够固定在卡盘中。负载被添加到夹持器衬套保留区域以表示必须抵抗的加工力。然后，该软件可以解决所有部件的结构连接以获得最大刚度。
采用患者特定解决方案的障碍之一是通常涉及的高设计成本。将衍生式设计与塑料打印结合使用是一种创新解决方案，可在很大程度上自动化 Blue Photon 的粘性夹持器的工件夹持过程。
