醫(yī)療器械維修領(lǐng)域三維打印技術(shù)的實(shí)踐

梁 昊

（大慶油田總醫(yī)院，黑龍江大慶 163001）

0 引言

在醫(yī)療器械維修時(shí)，經(jīng)常需要進(jìn)行一些損毀的精密醫(yī)療零部件更換，然而由于一些零部件來(lái)自于進(jìn)口醫(yī)療器械，不僅定價(jià)昂貴，而且有可能沒(méi)有貨源，從而增加了醫(yī)療器械維修難度與成本。為有效解決這一問(wèn)題，可以采用三維打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精密零部件的建模與快速打印，這對(duì)于提升醫(yī)療器械維修質(zhì)量水平有著重要的意義。

1 三維打印技術(shù)概述及優(yōu)勢(shì)分析

三維打印機(jī)雖然聽(tīng)起來(lái)比較“高大上”，但具體工作原理與普通打印機(jī)比較類似，并且在架構(gòu)組成方面，也是由一些基本的打印控制組件、機(jī)械組件、打印耗材等零部件材料組成。只不過(guò)傳統(tǒng)打印只能打印出2D（二維）產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)能夠打印出更為立體的3D（三維）產(chǎn)品。在實(shí)施三維打印技術(shù)前，通常需要先在電腦上完成一個(gè)完整的三維立體模型設(shè)計(jì)，然后以此為依據(jù)，完成從3D 模型到實(shí)物的打印輸出。傳統(tǒng)制造業(yè)在實(shí)際制造產(chǎn)品過(guò)程中，通常需要有一個(gè)較為復(fù)雜的流程，比如現(xiàn)開(kāi)模具然后進(jìn)行產(chǎn)品鑄造，最后還要進(jìn)行產(chǎn)品的切割與組裝，而三維打印技術(shù)則完全不需要上述復(fù)雜的流程，能夠直接一次性打印成型。因此，借助三維打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)制造技術(shù)上無(wú)法完成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，制作出更加復(fù)雜精巧的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

三維打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下5 個(gè)方面。

（1）能夠快速制造一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜精巧的產(chǎn)品且不會(huì)增加產(chǎn)品成本。在傳統(tǒng)制造工藝下，一般產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，需要耗費(fèi)的時(shí)間成本、材料成本較高，而三維打印技術(shù)則有效避免了這一問(wèn)題，改變了產(chǎn)品生產(chǎn)成本的方式。

（2）有效降低設(shè)備購(gòu)置成本。傳統(tǒng)的產(chǎn)品制造工藝通常會(huì)需要很多大型的機(jī)械設(shè)備，并且設(shè)備自身的制造功能也比較少，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品復(fù)雜精巧程度比較有限。而采用三維打印技術(shù)，只需要一個(gè)打印機(jī)與電腦，實(shí)際耗費(fèi)的產(chǎn)品成本更低。

（3）不需要進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)備組裝，生產(chǎn)效率更高。傳統(tǒng)的產(chǎn)品制造需要建立一套完整的生產(chǎn)線，在機(jī)器設(shè)備完成零部件生產(chǎn)后，再將這些設(shè)備組裝在一起才能夠形成一個(gè)完整的產(chǎn)品，期間需要耗費(fèi)大量的時(shí)間成本，而3D 打印則能夠一體化成型，不需要進(jìn)行組裝，能夠有效提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

（4）材料組成更加靈活多變。由于三維打印技術(shù)省去了零件制作、組裝等多種程序，能夠通過(guò)輸入材料直接產(chǎn)出成品，因此能夠更好地將多種材料融合在一起，有效提升產(chǎn)品制作效率。

（5）三維打印技術(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)空間更為廣闊。在傳統(tǒng)制造工藝下，受限于工藝本身的復(fù)雜性，因此實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品形狀有限，且結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的產(chǎn)品，需要耗費(fèi)的時(shí)間成本更多，而三維打印技術(shù)依托于自身“一次性成型”的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使得自身產(chǎn)品設(shè)計(jì)空間更為廣闊，不需要考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，能夠制作出各種復(fù)雜形狀的產(chǎn)品[1]。

2 常見(jiàn)的三維打印形式分析

三維打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)打印最為明顯的區(qū)別是在原料輸出方面，三維打印機(jī)輸入的材料不是墨水，而是真實(shí)的產(chǎn)品原材料，通過(guò)打印成一層層粘合材料，最終形成一個(gè)立體產(chǎn)品。當(dāng)前用于三維打印的材料有多種，比較常見(jiàn)的有塑料、金屬、陶瓷、橡膠等，還有一些三維打印機(jī)能夠結(jié)合不同的材料，使打印出的產(chǎn)品具有不同性質(zhì)。由此也能認(rèn)識(shí)到，三維打印能夠組合不同的打印材料，打印出性質(zhì)各異的產(chǎn)品。例如以色列Object 公司便是當(dāng)前掌握三維打印材料最多的公司，該公司在三維打印技術(shù)實(shí)施過(guò)程中，能夠采用14 種基本材料自由組合成107 種打印材料，從而賦予三維打印產(chǎn)品生產(chǎn)更多的可能性。當(dāng)前比較常見(jiàn)的三維打印方式主要有以下4 種。

（1）“噴墨”的形式。通過(guò)利用打印機(jī)噴頭，在鑄模托盤(pán)上噴涂一層極薄的液態(tài)塑料物質(zhì)，然后將其置于紫外線環(huán)境下作進(jìn)一步的處理，隨后控制鑄模托盤(pán)下降極小的一段距離，從而確保下一層打印的材料能夠繼續(xù)堆疊，最終成功打印堆疊成一個(gè)立體的產(chǎn)品。

（2）“熔積成型”的三維打印形式。在該打印形式下，主要是通過(guò)噴頭噴射一些內(nèi)熔化塑料，然后通過(guò)沉積塑料纖維的方式，堆疊形成立體的薄層，最終實(shí)現(xiàn)立體產(chǎn)品制作。

（3）“激光燒結(jié)”三維打印成型形式。這種打印主要采用的打印介質(zhì)是粉末微粒，通過(guò)噴頭直接噴撒在鑄模托盤(pán)上，在模具上形成一種極薄的粉末層，然后進(jìn)行激光熔鑄成指定形狀，最后噴頭會(huì)噴出一些特定的液態(tài)粘合劑，實(shí)現(xiàn)材料的固化成型處理。

（4）利用一種真空中電子流，將粉末微粒進(jìn)行熔化，最終實(shí)現(xiàn)三維打印，但當(dāng)針對(duì)于一些復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，比如產(chǎn)品包含精密的孔洞，那么在打印介質(zhì)中，還需要加入一些凝膠劑，從而使得材料成型更加穩(wěn)固，這部分粉末一般不會(huì)被直接熔鑄，只需采用水或氣流等介質(zhì)將支撐物沖洗干凈便能形成孔隙[2]。

3 醫(yī)療器械維修領(lǐng)域三維打印技術(shù)的實(shí)踐

在醫(yī)療設(shè)備維修領(lǐng)域，很多需要維修的設(shè)備本身并沒(méi)有太大的問(wèn)題，多是因?yàn)橐恍┹^小的零部件出現(xiàn)損壞而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障，而一些原裝零部件部件定價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)精巧，而且有可能沒(méi)有貨源，從而增加了醫(yī)療器械維修難度與成本。而三維打印技術(shù)則有效解決了這一問(wèn)題，通過(guò)三維打印，能夠快速生產(chǎn)出維修所用的零部件，有效提升維修效率，降低維修成本。因此針對(duì)于醫(yī)療器械維修領(lǐng)域中三維打印技術(shù)的實(shí)踐，提出了一種三維建模技術(shù)，將損毀的零配件進(jìn)行三維建模還原并采用三維打印機(jī)將其打印成成品，并將其與原零配件進(jìn)行了屬性比較，更好地展現(xiàn)三維打印技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備維修中的應(yīng)用價(jià)值。

目前三維建模模型技術(shù)有線框模型技術(shù)、實(shí)體模型技術(shù)、參數(shù)化建模技術(shù)等。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息中，約有70%的信息能夠在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用，在這一背景下，參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。將參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備維修，主要目的是提升維修效率，因此需要對(duì)損壞的醫(yī)用設(shè)備零件進(jìn)行參數(shù)化建模，獲得零件的三維數(shù)據(jù)，從而便于后續(xù)利用三維打印機(jī)進(jìn)行打印。針對(duì)于三維醫(yī)療設(shè)備零配件設(shè)計(jì)，應(yīng)體現(xiàn)出一定的柔性特點(diǎn)，在完成模型設(shè)計(jì)后，既要確保模型有著良好的實(shí)用性，同時(shí)又能迅速重構(gòu)，保證設(shè)計(jì)的零配件信息有著良好的重復(fù)利用性，因此在進(jìn)行醫(yī)療設(shè)備零配件建模時(shí)，采用參數(shù)化建模技術(shù)最為適合。在實(shí)際進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者能夠結(jié)合自身設(shè)計(jì)意圖，完成設(shè)計(jì)草圖的初步勾畫(huà)，然后再計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的幫助下，成功建立設(shè)計(jì)對(duì)象內(nèi)部各設(shè)計(jì)元素之間約束關(guān)系，從而設(shè)計(jì)者在進(jìn)行草圖尺寸等參數(shù)信息更新時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)同步更新，并獲取幾何特征點(diǎn)準(zhǔn)確位置分布。

建模實(shí)踐分析：在本次參數(shù)化建模過(guò)程中，采用了Solid Works 建模設(shè)計(jì)軟件，該軟件具有操作簡(jiǎn)單、兼容性高等優(yōu)點(diǎn)。本次建模對(duì)象是某進(jìn)口品牌注射泵零配件，該注射泵器械在實(shí)際使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)因操作失誤或其他原因?qū)е箩t(yī)療器械摔落損毀，比如因摔落導(dǎo)致注射泵推桿活動(dòng)卡槽斷裂，對(duì)于注射泵的正常使用功能帶來(lái)嚴(yán)重影響。由于該注射泵醫(yī)療器械是從國(guó)外進(jìn)口，因此實(shí)際維修所需的配件很難在國(guó)內(nèi)購(gòu)買(mǎi)，配件更換等到時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且對(duì)應(yīng)配件的更換過(guò)程也比較繁瑣。同時(shí)在臨床方面，由于注射泵功能損壞，導(dǎo)致醫(yī)務(wù)人員只能采用人工監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，不僅對(duì)臨床治療工作開(kāi)展帶來(lái)不利影響，還會(huì)為醫(yī)院帶來(lái)了較大損失。為了有效解決注射泵活動(dòng)卡槽斷裂問(wèn)題，下面結(jié)合注射泵實(shí)際功能需求，進(jìn)行了替代零配件的模型草圖設(shè)計(jì)，并借助游標(biāo)卡尺完成模型各面的精確測(cè)量，并在Solid Works 建模設(shè)計(jì)軟件的幫助下，完成零配件建模。之后在三維打印技術(shù)應(yīng)用方面，采用FDM（Fused Deposition Modelling，熔融沉積）三維打印技術(shù)，選用上位機(jī)控制軟件進(jìn)行模型切片進(jìn)行零配件打印制作。以下是具體流程：

（1）在完成推桿活動(dòng)卡槽三維模型設(shè)計(jì)后，需要將其轉(zhuǎn)換成STK 格式，便于三維打印機(jī)識(shí)別。然后在上位機(jī)控制軟件中載入推桿活動(dòng)卡槽三維模型，完成模型的切片制作?；顒?dòng)卡槽三維模型經(jīng)過(guò)切片后，能形成一層一層堆積的二維平面，在每個(gè)平面內(nèi)都有明顯的運(yùn)行軌跡，便于噴頭識(shí)別進(jìn)行噴圖堆積打印，同時(shí)還完成了三維打印機(jī)器能夠識(shí)別的G-code 代碼編譯。

（2）針對(duì)于建模好的卡槽模型，還需要作進(jìn)一步的應(yīng)力分析。例如針對(duì)于本次的注射泵，通過(guò)采用FLUKE IDA 4 PLUS輸液設(shè)備分析儀，測(cè)得針管阻塞壓強(qiáng)為500 mm Hg，通過(guò)將這一壓強(qiáng)進(jìn)行推桿壓力的轉(zhuǎn)化，可得出推桿壓力為47 N，在實(shí)際進(jìn)行零配件組裝時(shí)，需要在注射泵上固定好卡槽模型的后端底面，因此在分析應(yīng)力時(shí)，需要以該模型的后端底面為固定面，受力面則選擇固定針管推桿的卡槽，通過(guò)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在推桿在后段與中段的連接處，將會(huì)承受最大的壓強(qiáng)，具體壓力值為82 N。

（3）在完成應(yīng)力分析后，需要將FDM 三維打印機(jī)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行來(lái)接，然后將計(jì)算機(jī)之前獲取的切片G-code 代碼發(fā)送至打印機(jī)主控板，由三維打印機(jī)進(jìn)行代碼解析讀取，然后將其轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的模型打印指令，通過(guò)從X、Y、Z 三軸方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)打印機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，使得打印噴頭能夠按照之前設(shè)置好的運(yùn)行軌跡進(jìn)行打印。在這一過(guò)程中，需要將加熱套加熱至230 ℃，通過(guò)在擠絲電機(jī)的幫助下，將固態(tài)ABS 工程塑料絲擠入到加熱套中，使其能夠迅速融化，并從打印機(jī)噴頭中噴出，按照既定的打印軌跡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行堆疊打印，融化的塑料絲會(huì)迅速堆積到成型，在凝固過(guò)程中實(shí)現(xiàn)材料的緊密粘合，最終逐步形成一個(gè)立體的材料模型，成功完成零部件的打印制作。

（4）在完成零部件打印后，將其從成型臺(tái)上取下，然后將其固定在后端底面，同時(shí)在卡槽處選擇施加82 N 的推力，此時(shí)發(fā)現(xiàn)卡槽并沒(méi)有折斷的跡象，說(shuō)明打印的零部件質(zhì)量良好。因此在實(shí)際進(jìn)行三維打印時(shí)，選取30%的填充量即可滿足實(shí)際打印應(yīng)力要求。

（5）將打印好的零部件安裝至損壞的注射泵上，開(kāi)啟注射泵即可正常工作運(yùn)行。

4 總結(jié)

綜上所述，與傳統(tǒng)的工業(yè)制造技術(shù)相比，三維打印技術(shù)有著顯著優(yōu)勢(shì)，不僅制造效率更高、制作成本低，而且材料組合更加靈活多變，能夠進(jìn)行復(fù)雜的零部件制作，因此非常適合應(yīng)用于醫(yī)用機(jī)械設(shè)備的維修。它能夠在短時(shí)間內(nèi)打印出醫(yī)用設(shè)備維修所需要的零件，有效提升醫(yī)用設(shè)備維修效率，降低維修成本?？梢灶A(yù)見(jiàn)，三維打印技術(shù)在醫(yī)用機(jī)械設(shè)備維修領(lǐng)域?qū)?huì)有著非常廣闊的應(yīng)用前景。