3D打印康復輔具優勢明顯 當仍有一問題亟需解決

來源:金智創新    關鍵詞:3D打印, 增材制造,    發布時間:2019-03-05

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摘要:3D打印又被稱作增材制造(AM),是根據設計的立體模型,通過3D打印設備逐層的增加材料,最終得到所需3D實體的工藝過程。由于3D打印具備個性化定制的特點,所以在醫療行業的應用極為廣泛,譬如利用3D打印技術可以打印出不同的人體生物器官、患者的手術模型和適配的康復輔助器具等。本文重點介紹3D打印技術制作康復輔具的優勢和目前存在的問題。


康復輔具市場一直都是3D打印技術的重點應用領域。近年來,3D打印技術逐漸在矯形器、假肢和助聽器等康復輔具上得到了廣泛應用。因為需要康復的對象身體情況存在差異性,所以醫療輔具市場的定制化需求較為明顯。而3D打印技術不僅可以解決這種定制化需求,還能大大的降低康復輔具的制作成本,為老年和殘障人士帶來了新的希望。

3D打印在輔具制作上優勢明顯

3D打印技術與傳統制造輔具相比,3D打印可以省去模具制造的時間成本,提高研發速度,降低研發失敗的成本。3D打印技術可以根據計算機的圖形數據,增材制造出各種形狀的輔具產品,能提高材料的利用率,在較短的時間內制造出結構更為復雜的輔具產品。

傳統制造康復輔具的制作流程較為復雜,首先企業要根據患者的大體情況分類來進行不同型號產品的設計。然后模具制造廠根據設計開發圖紙,進行模具制造。由于模具制造的費用較高,廠家一般都會設定基本的型號,來控制成本。模具制造完成后,還需要為模具設計開發出合適的工裝夾具。完成模具和夾具開發后,企業才會進行大批量的注塑。得到的產品尺寸少,型號有限,難以與患者的身體結構精準匹配。整個制作過程生產量大、流程復雜、周期長、型號規格較少。

然而運用3D打印技術制作醫用康復輔具的流程就較為簡單,首先要取得患者的骨骼、皮膚或體型等相關數據圖像,三維重建后進行設計,然后將設計好的數據模型導入“打印機”(預備好相關的制作材料),打印后再進行簡單的處理加工就能得到定制式的康復輔具。整個制作過程方便、簡單、快捷,而且具備精準化、個性化特點,不僅縮短了時間成本而且提高產品與患者身體結構的匹配度。


圖1 3D打印技術與傳統制作輔具的生產過程

(資料來源:中國知網)

3D 打印技術在輔具制作上的應用

3D 打印技術適用于個性化定制需求,提供的產品基本上都是定制的。3D 打印技術在輔具制作上的引入,大大降低了定制的成本。目前3D打印應用于以下兩個方面:一是無須留在體內的醫療器械,包括醫療模型、假肢、助聽器、診療器械、各種輔助器具、手術導板等; 二是個性化永久性人體植入物,使用相關打印材料如鈦合金、生物陶瓷等通過設備打印出人體所用的牙齒、骨骼和關節等。

目前,3D打印技術在輔具制作中有兩種應用方式,一是用激光掃描設備對人體特定部位掃描采集數據,經專業人士對數據進行處理形成三維模型數據,此數據經過數控人員的操作編出數控加工程序,將程序輸入到數控加工設備中,加工設備根據電腦程序加工出與數據模型一模一樣的產品,最后再進行修整。二是利用磁共振技術和CT掃描采集完整的骨骼數據,然后在計算機上構建出殘疾人骨骼的3D圖像,通過3D打印設備打印出完整的與殘疾人相同的材料模型。根據模型殘缺的情況,設計制造出假體模擬安裝和修整,模擬安裝完成后,再使用相關材料打印出真正的植入假體。

3D打印技術在輔具制作上需要解決的問題

現在市面上的3D 打印機是將塑料加熱,然后通過噴嘴噴出設計模型。這一過程會產生有害的廢氣和毒氣影響人體及環境。

其次,由于康復輔具是患者長期佩戴的,所以就要求生產出來的輔具盡可能輕便。原材料要求耐濕、輕便柔軟等屬性,以保證患者的佩戴舒適。同時材料應具有良好的生物性能和足夠的力學強度,所以要求材料必須能夠液化、絲化、粉末化,經打印后可以重新結合。對于金屬粉末而言,材料的粒度分布、流動性、氧含量、松裝密度等性能的要求會更高。目前,金屬粉末原料包括高溫合金和鈦合金,這種高規格的原材料只能依靠進口解決,周期長、價格高。

除了機器和材料上需要解決的問題外,3D打印行業標準的欠缺是國內外共同面臨的問題。3D打印所需要的材料與傳統不同,所以現有的行業標準并不適用,需要研究并制定相應的行業標準。另外,傳統的監管模式能否適應這種高效的3D打印技術,也是需要進行驗證的。

我國在3D打印輔具上的研發成效顯著

我國在假肢制作方面已具備基本的3D打印技術和研究實力,以假肢為例,北京假肢研究所已經開發出適合我國人體體型的接受腔CAM/CAD 系統;清華大學、中科院合肥智能機械研究所、中科院成都分院等單位均有三維測力臺產品。

值得一提的是清華大學研發團隊還推出了“M-RPMS 型多功能快速原型制造系統”,該系統是世界上唯一擁有兩種快速成型工藝的系統,并且擁有自主知識產權。之后又改進了產品化工作,這是在世界上首先完成無木模鑄型制造工藝的技術。

總結

3D打印作為先進制造領域的代表性技術,在康復輔具制作上具有明顯優勢,但目前應用程度尚淺,仍然存在諸多問題有待解決。3D 打印技術對于康復輔助器具的創新發展以及推廣應用都有重大推動,隨著科學的進步,研究人員對3D打印的不斷探索,3D打印技術在輔具的應用上必將有一個革命性的突破。
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