基于3D 打印技術(shù)的個(gè)性化鼻罩設(shè)計(jì)

白路遙，惠延波，周穎，李君帥，汪楊智，禹軍安

(河南工業(yè)大學(xué)先進(jìn)制造研究所，鄭州 450001)

過敏性鼻炎(AR)是一個(gè)全球性的健康問題，在過去的幾十年中，AR 的患病率在全球范圍內(nèi)逐漸增加，在一項(xiàng)為期6 年的針對(duì)中國普通成年人的AR 自我報(bào)告調(diào)查中顯示，成人AR 的標(biāo)準(zhǔn)化患病率從2005 年的11.1%上升到2011 年的17.6%[1]。目前AR 并不能被完全治愈，只能通過環(huán)境控制以及藥物治療等來預(yù)防和改善。吸入性過敏源是AR 癥狀的主要誘因，患者遇到干冷的空氣、粉塵、花粉、真菌以及有害顆粒物等，會(huì)引起呼吸道不適，從而導(dǎo)致患者產(chǎn)生咳嗽、呼吸困難等癥狀，也會(huì)對(duì)工作效率、社交生活以及心理狀態(tài)等方面產(chǎn)生不利影響。為此該人群需要長時(shí)間佩戴防護(hù)產(chǎn)品，隔離過敏源，比如口鼻罩等。但患者使用可重復(fù)性的口罩，材質(zhì)多為棉紗，其對(duì)面部的覆蓋面積大，容易滋生細(xì)菌、螨蟲，對(duì)于日常使用也會(huì)帶來不便，而使用一次性口罩，會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)。而鼻罩的覆蓋面小，一般不干涉人臉的其它部位，并且其無效腔小，加強(qiáng)了二氧化碳的排放效率[2]。針對(duì)目前市場(chǎng)上已有的鼻罩，生產(chǎn)商只是根據(jù)使用者的性別、年齡的不同，按照一定的規(guī)律，進(jìn)行參數(shù)化生產(chǎn)。此類產(chǎn)品往往與使用者本身的實(shí)際身體參數(shù)并不貼合，會(huì)使得該產(chǎn)品的防護(hù)效果大打折扣并且影響使用者的感官舒適性[3]。

3D 打印技術(shù)是結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)以及材料制造技術(shù)等多項(xiàng)學(xué)科交叉產(chǎn)生的一項(xiàng)新型制造技術(shù)。它以數(shù)字模型文件為基本，將各種類型的原材料如塑料、金屬、樹脂、陶瓷等，通過使用逐層打印的方式制作出具有個(gè)體特異性的實(shí)體[4]。

3D 打印技術(shù)具有許多相對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，比如新產(chǎn)品研發(fā)的周期短、材料利用率高、成型后精度高以及成本低廉等特點(diǎn)，因此在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用研究有很多。醫(yī)療器械的個(gè)性化可直接關(guān)系到治療效果，而3D 打印技術(shù)在精準(zhǔn)化以及個(gè)性化定制方面具有很大優(yōu)勢(shì)[5]。S. Santos 等[6]通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及3D 打印結(jié)合，打印出的膝關(guān)節(jié)支具相較于傳統(tǒng)支具有著更高的矯正率及舒適度。B. Khodaei 等[7]利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)設(shè)計(jì)相結(jié)合，制造出足部支具，測(cè)量足底壓力分布為預(yù)測(cè)腳部受力提供依據(jù)。熊偉等[8]為一名年青患者切除了頸胸段三節(jié)受腫瘤侵犯的椎體，并通過3D 打印技術(shù)為其植入個(gè)性化人工脊椎。

筆者選取人的鼻子為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將逆向工程與正向設(shè)計(jì)相結(jié)合，利用人體工程學(xué)相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)出貼合面部的鼻罩，再通過3D 打印技術(shù)生產(chǎn)出產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)鼻罩個(gè)性化產(chǎn)品的研發(fā)制造。圖1 為工作的主要流程。

圖1 流程圖

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)使用Handyscan 3D 手持式三維激光掃描儀對(duì)人體面部進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，獲得stl 格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。手持式三維激光掃描儀通過測(cè)量物體外部空間結(jié)構(gòu)，從而得到測(cè)量點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速構(gòu)建出被測(cè)物體的線、面、體特征以及三維模型等各種圖像數(shù)據(jù)[9]。

掃描過程主要分為兩部分：首先根據(jù)掃描對(duì)象的大小、形狀、外觀特征等特點(diǎn)選擇掃描方式，其次是處理掃描物體外觀面。本次是個(gè)性化鼻罩的設(shè)計(jì)，因此需要對(duì)鼻子進(jìn)行掃描，只需獲取其外表面特征即可，但是由于鼻子尺寸結(jié)構(gòu)特殊，空間位置復(fù)雜，掃描到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤無法使用，因此為定位鼻子的三維空間坐標(biāo)，需要對(duì)面部進(jìn)行簡(jiǎn)單的特征掃描。必要時(shí)可在人體面部非重要部分標(biāo)記一定數(shù)量的特征點(diǎn)，確保掃描儀掃描到的面部點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

采集時(shí)，可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)域尺寸和分辨率，選擇想要的局部，得到細(xì)節(jié)特征更好的表面。分辨率越高，運(yùn)算的數(shù)據(jù)量越大，耗費(fèi)的時(shí)間就越長。然而更高的分辨率不一定就意味著更好的結(jié)果。由于會(huì)有更多不需要的不完善部分被捕捉到，表面可能會(huì)有更多噪點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的部分參數(shù)設(shè)置見表1 。

表1 Handyscan 激光掃描儀部分參數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理及模型重構(gòu)

為了能使鼻罩更加貼合面部，加強(qiáng)鼻罩的佩戴舒適性，因此基于逆向工程在重構(gòu)后的面部曲面上截取鼻子部位曲面，通過正向設(shè)計(jì)出三維鼻罩模型。逆向工程一般采用非接觸式掃描儀對(duì)物體表面進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建NURBS 曲面，得到數(shù)字化三維模型[10]。

2．1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在掃描過程中，會(huì)由于掃描儀的校準(zhǔn)精度、儀器的抖動(dòng)、多次掃描和光線環(huán)境等因素使得采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差和偶然誤差，出現(xiàn)掃描漏洞、噪點(diǎn)、雜點(diǎn)和冗余點(diǎn)等。

將激光掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Design X 中，結(jié)果如圖2a 所示。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接關(guān)系著所建曲面的質(zhì)量，因而需要對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。從得到的stl 格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取所需要的部分，筆者只截取鼻子周圍部分，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，如通過雜點(diǎn)消除和根據(jù)曲率采樣來減少單位點(diǎn)云量。平滑點(diǎn)云數(shù)據(jù)降低鼻子外側(cè)輪廓的粗糙度，并將點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量面片，對(duì)面片進(jìn)行檢測(cè)修補(bǔ)，結(jié)果見圖2b、圖2c。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理圖

2．2 模型重構(gòu)

(1)領(lǐng)域劃分。

在Geomagic Design X 中，使用領(lǐng)域組功能，根據(jù)設(shè)定的敏感度值以及模型本身的特征結(jié)構(gòu)，進(jìn)行領(lǐng)域分割，被劃分的特征領(lǐng)域具有與之相對(duì)應(yīng)的幾何信息(如平面、圓柱等)，針對(duì)不同特征顯示出不同顏色的區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)更快速的建模。在領(lǐng)域劃分前，可以根據(jù)模型的復(fù)雜程度選擇相應(yīng)的敏感度值，復(fù)雜程度越高，敏感度值一般越大。若劃分后的領(lǐng)域組數(shù)據(jù)不能滿足后期建模要求，可對(duì)領(lǐng)域組進(jìn)行重新分割、合并等。本次選取敏感度值為50，劃分13 個(gè)領(lǐng)域，結(jié)果見圖3。

圖3 領(lǐng)域組劃分

(2)曲面擬合。

面片擬合是將曲面擬合到單元面或領(lǐng)域上，該方法可以快速高效地提取出精確的自由曲面，可以對(duì)有復(fù)雜曲面的模型進(jìn)行編輯修改。鼻子模型屬于復(fù)雜非規(guī)則特征模型，在精確曲面階段進(jìn)行逆向建模，通過探測(cè)曲率再構(gòu)建曲面片。將上述編輯好的曲面片進(jìn)行面片擬合，獲得與之對(duì)應(yīng)曲面模型。最終得到的NURBS 曲面模型如圖4 所示。

圖4 NURBS 曲面模型

(3) Geomagic Control X 偏差分析。

逆向工程軟件Geomagic Control X 是一種能精準(zhǔn)、迅速地將重構(gòu)后的三維模型數(shù)據(jù)和根據(jù)原實(shí)物測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)檢測(cè)的檢測(cè)軟件[11]。其中3D 比較則是將重構(gòu)完成的CAD 模型整體與測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，計(jì)算出參考值與測(cè)量值之間的整體偏差結(jié)果，生成三維偏差色譜圖，通過比較分析，能檢測(cè)出重構(gòu)后的模型與原點(diǎn)云的偏離程度，如圖5 所示。NURBS 曲面模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的整體3D 偏差檢測(cè)結(jié)果見表2。

圖5 3D 比較偏差圖

表2 整體3D 偏差檢測(cè)結(jié)果 mm

由圖5、表2 可看出，NURBS 曲面模型的整體模型的曲面質(zhì)量較好，最大偏差為0.861 6 mm，最小偏差為–0.861 6 mm；在鼻唇溝處的部分偏差較大，可在逆向建模時(shí)細(xì)化曲面網(wǎng)格來進(jìn)一步減小。

3 個(gè)性化設(shè)計(jì)和3D 打印成型

3．1 鼻罩模型的設(shè)計(jì)

為了確定鼻罩的三維尺寸以及結(jié)構(gòu)，使用Geomagic Design X 軟件提取原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測(cè)得所需的基本參數(shù)信息，包括底邊線長(一般為兩側(cè)唇面溝選取點(diǎn)的直線距離)、前中長(根據(jù)鼻梁到人中的距離)、側(cè)高(根據(jù)鼻尖到從唇面溝的垂直方向距離)，測(cè)量可知底邊線長54 mm，前中長40 mm，側(cè)高20 mm。

(1)為防止鼻罩與鼻梁、面頰進(jìn)行過多的無效干涉，設(shè)置參考平面將鼻子分為左右兩部分，其與鼻子曲面模型的輪廓線為中心線，設(shè)鼻尖處為中心點(diǎn)，作出其余的參考平面與輔助線，獲得曲面輪廓線，以確定鼻罩內(nèi)表面輪廓。

(2)成人的平均每次呼吸量大約為500 mL，因此在鼻孔處剪切曲面，然后進(jìn)行曲面偏移，在偏移后的曲面上，根據(jù)剪切的截面輪廓，向外延長曲面，以鼻尖垂直于面部方向的平面向下偏移13 mm，作為延長截止面，在截止面上陣列通氣孔，直徑為1 mm。

(3)由于人在呼吸時(shí)，鼻翼會(huì)擴(kuò)大或縮小，為使鼻罩內(nèi)具有一定的空間、減輕與鼻翼、鼻尖的摩擦，以及在進(jìn)行呼吸時(shí)鼻罩內(nèi)可保持一定的濕度，因此對(duì)得到的內(nèi)表面輪廓進(jìn)行曲面偏移，向外偏移0.5 mm。

(4)將兩曲面設(shè)計(jì)為可嵌套式，兩邊打孔用于固定鼻罩，在鼻罩夾層中放置過濾芯，進(jìn)一步過濾過敏源。

(5)鼻罩是三維有效實(shí)體，因此其結(jié)構(gòu)必定具有厚度。考慮到佩戴的舒適性，其厚度一般較小，基于內(nèi)表面曲面向外賦厚0.8 mm，得到鼻罩的實(shí)體模型，如圖6 所示。

圖6 鼻罩模型

3．2 3D 打印成型

實(shí)例中鼻罩將由光固化激光快速成型機(jī)3DSL打印，打印材料是SPR6000 類ABS 立體光敏樹脂，該材料有機(jī)揮發(fā)成分少、氣味低、固化速度快、成型精度高，制品表面質(zhì)量好、防水、力學(xué)強(qiáng)度高、耐儲(chǔ)存、通用性強(qiáng)，可應(yīng)用于汽車、醫(yī)療器械，消費(fèi)電子等領(lǐng)域的母模制作、概念模型、珠寶首飾鑄造壓膜、水流量分析、風(fēng)管測(cè)試等。該材料在固化成型后力學(xué)性能見表3。光固化打印(SLA)原理是利用液態(tài)光敏樹脂在紫外激光的照射下吸收光能，發(fā)生聚合反應(yīng)而成型[12]。

表3 SPR6000 固化后的力學(xué)性能

將模型文件導(dǎo)入到3D 打印預(yù)處理軟件Magics中，有時(shí)導(dǎo)入的部分模型會(huì)出現(xiàn)壞邊、交叉重疊三角面片、孔洞等缺陷，為避免在打印時(shí)因缺陷而導(dǎo)致打印失敗，首先對(duì)原始模型進(jìn)行檢查修復(fù)處理。然后調(diào)整模型的擺放位置和角度、添加支撐、切片處理。最終將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D 打印機(jī)中，打印模型。圖7為SLA 光固化打印機(jī)打出的模型，表4 為SLA 成型工藝參數(shù)。

圖7 打印完成的鼻罩實(shí)物

表4 SLA 成型工藝參數(shù)

打印完后的模型還需用無水乙醇清洗，去支撐處理以及二次固化等處理。隨后可根據(jù)需求進(jìn)行噴漆上色處理。

患者穿戴鼻罩滿意度評(píng)估見表5，整體對(duì)鼻罩較為滿意。該鼻罩產(chǎn)品，與患者整體貼合度好、尺寸小、易攜帶、易清洗，在此期間鼻炎癥狀有所緩解，呼吸更為通暢，正常呼吸時(shí)鼻罩四周未出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，不影響日常生活。

表5 患者穿戴鼻罩滿意度評(píng)估

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有鼻罩佩戴尺寸差異的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了基于逆向工程與3D 打印技術(shù)在面部產(chǎn)品的個(gè)性化定制，提出了從點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取到模型重構(gòu)以及二次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再到運(yùn)用3D 打印技術(shù)快速生成產(chǎn)品的一整套流程，其省去了模具制作等流程，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低制造成本，節(jié)約社會(huì)資源。該流程具有一定的可行性，對(duì)其它同類型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。