論三維打印技術(shù)在醫(yī)療器械維修中的應(yīng)用

趙松濤

摘? 要：三維打印技術(shù)可以使傳統(tǒng)制造技術(shù)不能做到的產(chǎn)品設(shè)計得以實現(xiàn)，并且能夠制作出精巧度以及復(fù)雜度更高的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。在醫(yī)療器械維修領(lǐng)域中，需要常常更換損壞的精密醫(yī)療零件及部件，但是因為部分零件及部件屬于進口醫(yī)療器械，除了貨源稀少之外，價格還較為高昂，在這些因素的作用下，導(dǎo)致醫(yī)療器械維修的成本以及難度大大增加。本文將三維打印技術(shù)在醫(yī)療器械維修中的應(yīng)用作為主要研究對象，對三維打印技術(shù)及其具有的優(yōu)勢進行簡單分析，介紹一些使用率較高的三維打印形式，同時分析探討三維打印技術(shù)在醫(yī)療器械維修中的實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維打印技術(shù)? 醫(yī)療器械? 維修? 應(yīng)用

中圖分類號：TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0048-03

Discussion on the application of three-dimensional printing technology in the maintenance of medical equipment

ZHAO? Songtao

（Heilongjiang Daqing Longnan Hospital Medical Equipment Management Center，Daqing， Heilongjiang Province， 163000? China）

Abstract： Three dimensional printing technology can realize the product design that traditional manufacturing technology can not do， and can produce a more exquisite and complex product structure. In the field of medical device maintenance， damaged precision medical parts and components often need to be replaced. However， because some parts and components belong to imported medical devices， in addition to scarce supply， the price is relatively high. Under the influence of these factors， the cost and difficulty of medical device maintenance are greatly increased. The following takes the application of 3D printing technology in medical device maintenance as the main research object， makes a simple analysis of 3D printing technology and its advantages， introduces some 3D printing forms with high utilization rate， and analyzes and discusses the practical application of 3D printing technology in medical device maintenance.

Key Words： 3D printing technology; Medical equipment; Maintenance; Application

1? 三維打印技術(shù)及其優(yōu)勢介紹

三維打印機的基本工作原理和常規(guī)的打印機相差不大，其構(gòu)成部分主要包括：打印耗材、打印控制組件以及機械組件等。但是傳統(tǒng)打印只支持二維產(chǎn)品的打印，三維打印技術(shù)則可以打印出立體程度更高的三維產(chǎn)品。通常情況下，在開展三維打印之前，應(yīng)當(dāng)先在計算機上設(shè)計一個完整度較高的三維立體模型，完成設(shè)計工作之后，將其作為打印依據(jù)[1]，進行從3D模型至實物的打印輸出操作。相較于傳統(tǒng)制造業(yè)中的復(fù)雜流程，三維打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一次性打印成型，工作效率及工作質(zhì)量更高。由此可知，利用三維打印技術(shù)可以使傳統(tǒng)制造技術(shù)不能做到的產(chǎn)品設(shè)計得以實現(xiàn)，并且能夠制作出精巧度以及復(fù)雜度更高的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

三維打印技術(shù)的優(yōu)勢如下：優(yōu)勢1，成本低;優(yōu)勢2，組裝簡易;優(yōu)勢3，材料組成靈活多變;優(yōu)勢4，設(shè)計空間更為廣闊。

2? 分析常見的三維打印形式

相較于傳統(tǒng)的打印機，三維打印機最大的不同之處體現(xiàn)在原料輸出上，傳統(tǒng)打印機輸入的材料為墨水，而三維打印機所輸入的材料則是真實的產(chǎn)品原材料，其將這些產(chǎn)品原材料打印為一層層粘合材料[2]，從而形成一個立體化的產(chǎn)品。在三維打印中應(yīng)用的材料種類較多，較為常見的主要包括下列4種：第一，陶瓷;第二，金屬;第三，塑料;第四，橡膠。除此之外，部分三維打印機也可與不同的材料相結(jié)合，所打印出的產(chǎn)品性質(zhì)也各有差異。

現(xiàn)階段中，較為常見的三維打方式為下列4種。

第一，“激光燒結(jié)”三維打印成型形式。這一打印形式的特點為：將粉末微粒作為打印介質(zhì)，借助噴頭將其直接噴撒在鑄模托盤上[3]，從而使模具表層逐漸生成一層薄粉末層，接著利用激光將其熔鑄成所指定的形狀，然后在噴頭處會噴出一種液態(tài)粘合劑，繼而達到材料固化成型的目的。

第二，“噴墨”形式。借助打印機噴頭，將一層薄度極高的液態(tài)塑料物質(zhì)噴涂在鑄模托盤上，把其放置在紫外線環(huán)境之下，對其進行進一步的處理，然后將鑄模托盤控制住，讓其降低極小的一段距離，以此來保證下一層的打印材料可以持續(xù)堆疊，最終實現(xiàn)一個立體產(chǎn)品的打印堆疊。

第三，借助真空中的電子流，熔化粉末微粒，以此來使三維打印得以實現(xiàn)。但是對于部分復(fù)雜度較高的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，例如，具有較為精密的孔洞的產(chǎn)品，在打印介質(zhì)的過程中，應(yīng)當(dāng)注意添加適當(dāng)?shù)哪z劑，以此來進一步提升材料成型的穩(wěn)固性，一般而言，這部分粉末不會直接被熔鑄，只要使用氣流或者是水來沖洗支撐物即可形成相應(yīng)的孔隙。

第四，“熔積成型”形式。這一打印形式一般是利用噴頭來對部分熔化塑料進行噴射，接著利用沉積塑料纖維這一方法來堆疊形成一個較為立體的薄層[4]，繼而達到制作立體產(chǎn)品的目的。

3? 三維打印技術(shù)在醫(yī)療器械維修的應(yīng)用

在醫(yī)療器械維修領(lǐng)域中，大多數(shù)需要進行維修的器械及設(shè)備本身并無太嚴重的問題，大多數(shù)設(shè)備均是由于一些較為精巧細小的零件及部件發(fā)生損害而致使設(shè)備發(fā)生故障或異常，部分原裝零部件結(jié)構(gòu)精巧度極高，且價格較為高昂、貨源稀少，因此使得醫(yī)療器械的維修成本以及維修難度大大提升。針對這一問題，可將三維打印技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療器械維修中，利用三維打印，可以快速生產(chǎn)維修工作中所需的零件及部件，繼而使維修成本得到有效的降低，進一步提高維修效率及維修質(zhì)量。所以，將三維打印技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療器械維修領(lǐng)域中，并且提出一種三維建模技術(shù)，對損壞的零件及部件實施三維建模還原，并且將其打印為成品（圖1為三維打印機）。

現(xiàn)階段中，三維建模模型技術(shù)主要包括3種：第一，參數(shù)化建模技術(shù);第二，有線框模型技術(shù);第三，實體模型技術(shù)。在醫(yī)療器械維修中應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計，其能夠使維修效率得到有效的提升。所以可對損毀的零部件實施參數(shù)化建模，以此得到相應(yīng)零部件的三維數(shù)據(jù)[5]，為后期借助三維打印機打印提供一定的方便。對于三維醫(yī)療器械零部件的設(shè)計，必須具備一定的柔性，在模型設(shè)計完成之后，除了應(yīng)當(dāng)保證模型的實用性之外，還要可以快速重構(gòu)，確保零部件信息具備一定的重復(fù)利用性。所以，在開展醫(yī)療器械零部件建模的過程中，適用性最高的技術(shù)即參數(shù)化建模技術(shù)。在開展參數(shù)化設(shè)計的時候，設(shè)計人員可以充分結(jié)合自身的設(shè)計理念及設(shè)計意圖，在設(shè)計草圖的初步勾畫設(shè)計完成之后，通過計算機系統(tǒng)來構(gòu)建設(shè)計對象中各個設(shè)計元素間應(yīng)具有的約束關(guān)系，通過這樣的方式來確保設(shè)計人員在更新草圖參數(shù)信息的時候，系統(tǒng)可以實現(xiàn)信息自動同步更新，同時得到幾何特征點的實際位置分布信息。

分析建模實踐：在此次參數(shù)建模中，所使用的軟件為Solid Works建模設(shè)計軟件[6]，這一設(shè)計軟件優(yōu)點顯著，主要包括：具有較高的兼容性以及簡易方便。某進口品牌的注射泵零配件為此次建模的主要對象，在實際應(yīng)用的時候，這一注射泵常常會由于使用人員操作不合理或者是其他因素而出現(xiàn)醫(yī)療器械損壞的情況，例如：由于摔落而致使注射泵的推桿活動卡槽出現(xiàn)斷裂，從而在不同程度上影響注射泵的正常使用功能。為使注射泵活動卡槽斷裂這一問題得到有效解決，接下來在與注射泵實際使用功能相結(jié)合的基礎(chǔ)上，設(shè)計替代零配件的模型草圖，同時使用游標(biāo)卡尺來精確測量該模型的相關(guān)參數(shù)，利用Solid Works 建模設(shè)計軟件實現(xiàn)零配件建模[7]。然后借助FDM三維打印技術(shù)來進行零配件的打印機制作，具體的操作過程如下。

第一，在設(shè)計好注射泵活動卡槽的三維模型之后，應(yīng)當(dāng)及時把所設(shè)計好的三維模型轉(zhuǎn)換為STK格式，為后續(xù)三維打印機的識別提供方便。接著將注射泵推桿活動卡槽的三維模型載入上位機控制軟件里，實現(xiàn)模型的切片制作。在切片之后，活動卡槽的三維模型會逐漸形成一層層堆積的2D平面，在每一個2D平面中均會存在較為顯著的運行軌跡，從而為噴頭識別開展噴圖堆積打印提供一定的便利。

第二，對于已經(jīng)完成建模的卡槽模型而言，還應(yīng)當(dāng)對其應(yīng)力進行分析。比如，對于此次案例中的注射泵，可以利用FLUKE IDA 4 PLUS輸液設(shè)備分析儀[8]，所測量的針管阻塞壓強是500mmHg，借助壓強來轉(zhuǎn)化推桿壓力，然后得到推桿壓力是47N，在開展零配件的組裝工作過程中，應(yīng)當(dāng)將卡槽模型的后端底面固定在注射泵上，所以，在進行應(yīng)力分析工作的時候，應(yīng)當(dāng)將模型的后端底面作為固定面，同時將固定針管的卡槽作為受力面，在計算之后，發(fā)現(xiàn)推桿承受壓強最大的位置在中段和后端的連接之處，壓力值是82N。

第三，在應(yīng)力分析工作完成之后，應(yīng)當(dāng)連接計算機和FDM三維打印機，接著把之前計算機所獲得的切片 G-code代碼傳送到打印機的主控板中，由這一三維打印機來解析代碼、讀取代碼，把其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模型打印指令，將X軸、Y軸以及Z軸作為方向，對打印機進行聯(lián)動控制，確保打印噴頭可以根據(jù)所設(shè)定好的運行軌跡來開展打印工作。在這一過程中，應(yīng)當(dāng)把加熱套的溫度提升至230℃，利用擠絲電機來把固態(tài)ABS工程塑料絲擠進加熱套里，讓其快速熔化，同時從打印機的噴頭里噴出來，根據(jù)指定的軌跡來開展堆疊打印工作，熔化的塑料絲會在一個較短的時間內(nèi)堆積成型，在漸漸凝固的過程中緊密沾合，最后慢慢形成一個立體化的材料模型，實現(xiàn)零部件的打印及制作。

第四，在打印好零部件之后，取下打印好的模型，將其固定在后端底面，并且在卡槽位置施加82N推力，在這一過程中，發(fā)現(xiàn)卡槽無折斷痕跡，提示所打印的零部件具有較為良好的質(zhì)量，所以，在開展三維工作的時候，填充量只需30%就能達到實際打印的應(yīng)力標(biāo)準。

第五，把打印完成的零部件安裝到注射泵中，嘗試啟動注射泵，發(fā)現(xiàn)無異常，可正常運行。

4? 結(jié)語

總而言之，相較于傳統(tǒng)的制作技術(shù)，三維打印制作成本更低、制造效率較高，在材料組合上具有一定的多樣性及靈活性，對于醫(yī)療器械維修具有較高的適用性。其可以在短期內(nèi)將所需的零部件打印出來，縮短維修等待時間，進一步提高醫(yī)療器械設(shè)備的維修質(zhì)量及維修效率，應(yīng)用前景較為廣闊。

參考文獻

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