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

（新疆醫(yī)科大學(xué)第五附屬醫(yī)院，新疆烏魯木齊 830011）

0.引言

三維打印技術(shù)目前在諸多領(lǐng)域內(nèi)均有應(yīng)用，并且隨著技術(shù)成熟度不但提升，應(yīng)用的范圍、領(lǐng)域也更加廣泛。在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)，三維打印技術(shù)主要用于假肢、手術(shù)模型及植入物的制造中，在醫(yī)療器械維修領(lǐng)域中應(yīng)用尚少。對(duì)于醫(yī)療器械維修而言，由于器械精密性高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，正常維修不僅成本較高，且維修時(shí)間較長(zhǎng)，給醫(yī)療器械的使用帶來(lái)不利影響。本文通過實(shí)際案例分析，對(duì)醫(yī)療器械中缺失、損壞零部件采用三維打印技術(shù)進(jìn)行維修，取得了較好的維修效果，滿足當(dāng)前醫(yī)療器械維修的要求。

1.三維打印技術(shù)

1.1 三維打印技術(shù)概述

三維打印，即3D打印，與普通打印技術(shù)相比，三維打印技術(shù)的工作原理基本類似，也是由打印控制組件、打印耗材、機(jī)械組件等組成。但和傳統(tǒng)二維打印技術(shù)相比，三維打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的立體化打印。三維打印技術(shù)在實(shí)施中，需要先通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)完整三維立體模型，然后通過打印機(jī)將模型打印出來(lái)[1]。自三維打印技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，使傳統(tǒng)制造業(yè)面臨的開模、鑄造、切割及組裝等復(fù)雜的工序流程被顛覆，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了一次打印成型。使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精度、復(fù)雜性都大幅提升。

1.2 三維打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）對(duì)一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品能夠快速制造，且制造成本不會(huì)增加。傳統(tǒng)工藝下，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品制造時(shí)，往往需花費(fèi)大量的時(shí)間及成本，三維打印技術(shù)則改變了產(chǎn)品生產(chǎn)成本方式。（2）減少了設(shè)備購(gòu)置成本。傳統(tǒng)產(chǎn)品制造中，產(chǎn)品越精細(xì)，對(duì)設(shè)備制造功能要求越高，所以在一些結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的產(chǎn)品制造中，往往需要花費(fèi)大量的成本購(gòu)置相應(yīng)的設(shè)備。而三維打印技術(shù)，只需要一臺(tái)電腦、一臺(tái)打印機(jī)即可完成復(fù)雜產(chǎn)品的制造，減少了設(shè)備成本投入。（3）無(wú)需設(shè)備組裝，生產(chǎn)效率更高。傳統(tǒng)產(chǎn)品制造中，完整的產(chǎn)品呈現(xiàn)需一整套生產(chǎn)線來(lái)完成，在生產(chǎn)線組裝中需花費(fèi)大量時(shí)間。而三維打印技術(shù)應(yīng)用中，無(wú)需組裝設(shè)備，可直接進(jìn)行生產(chǎn)，所以生產(chǎn)效率大幅提升。（4）材料組成多樣。較傳統(tǒng)制造工藝相比，三維打印技術(shù)在應(yīng)用中省去了制造、組裝零件的過程，只需要將原材料輸入后，產(chǎn)品成品直接打印出來(lái)，多種材料能有效融合在一起，產(chǎn)品生產(chǎn)效率得到提升。（5）產(chǎn)品設(shè)計(jì)空間廣闊。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中，產(chǎn)品的狀態(tài)受制于工藝本身的復(fù)雜性影響，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與形態(tài)并不復(fù)雜，且生產(chǎn)中時(shí)間成本消耗較大。三維打印技術(shù)則在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具有廣闊的空間，得益于其一次成型的優(yōu)勢(shì)，能夠制作各種形態(tài)復(fù)雜的產(chǎn)品，不收產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的影響[2]。

2.醫(yī)療企業(yè)維修中三維打印技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

目前，在諸多領(lǐng)域內(nèi)對(duì)三維打印技術(shù)已經(jīng)推廣應(yīng)用，在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)主要用于假肢、植入物、手術(shù)模型及手術(shù)設(shè)備的定制與打印，而在醫(yī)療器械維修領(lǐng)域中，應(yīng)用相對(duì)較少。對(duì)于醫(yī)療器械而言，在維修中印配件定價(jià)高、零配件缺損等因素的影響，維修難度通常比較大。而三維打印技術(shù)的應(yīng)用，則能夠?qū)?fù)雜的醫(yī)療器械在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行維修，成本也比較低，最大限度挽回醫(yī)療器械損壞給醫(yī)院帶來(lái)的損失，三維打印技術(shù)在醫(yī)療器械維修中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也更加明顯。本文主要通過對(duì)參數(shù)化建模方式在醫(yī)療器械維修領(lǐng)域中的應(yīng)用情況進(jìn)行分析。

2.1 參數(shù)化建模

數(shù)字空間內(nèi)，包含一維、二維、三維3種信息形式，事物三維建模是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的難點(diǎn)。建模的目的是利用計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)字化表示、控制、分析等功能，將現(xiàn)實(shí)世界中的物體、屬性，用幾何形態(tài)表現(xiàn)出來(lái)。根據(jù)使用方法的不同，當(dāng)前建模技術(shù)主要由實(shí)體模型、特征建模、表面模型、裝配模型、線框模型及參數(shù)化建模等。現(xiàn)階段，70%以上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息，會(huì)被用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，這一背景下就出現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)。醫(yī)療器械維修的關(guān)鍵在于縮短維修時(shí)間，所以對(duì)設(shè)備、器械及零部件快速進(jìn)行建模，獲得三維數(shù)據(jù)，是三維打印技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵。同時(shí)對(duì)零部件原有設(shè)計(jì)信息也需要利用，所以在醫(yī)療器械維修建模中，參數(shù)化建模更為適用。參數(shù)化建模在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者可按照自己的設(shè)計(jì)意愿先勾畫出草圖，借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)草圖中各個(gè)內(nèi)部設(shè)計(jì)元素之間的約束關(guān)系自動(dòng)建立，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)草圖某一部位尺寸變動(dòng)的時(shí)候，其他相應(yīng)部位的尺寸也同時(shí)改變，實(shí)現(xiàn)草圖幾何形狀的自動(dòng)校正與更新，并獲得幾何圖形中各個(gè)特征位置點(diǎn)的正確分布[3]。

2.2 零配件三維建模

SolidWords設(shè)計(jì)軟件支持參數(shù)化建模，且軟件兼容性較高，操作也比較簡(jiǎn)單。因此本次研究在進(jìn)行醫(yī)療器械零部件三維建模中采用SolidWords設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，以某進(jìn)口品牌注射泵零配件三維建模及打印成型為例進(jìn)行研究。醫(yī)療器械、設(shè)備在使用過程中，受使用不當(dāng)、掉落等原因的影響，注射泵活動(dòng)卡槽容易出現(xiàn)斷裂的情況，對(duì)注射泵的使用產(chǎn)生影響。并且進(jìn)口注射泵在零部件更換時(shí)，配件更換過程繁瑣、周期較長(zhǎng)；如果注射泵輪轉(zhuǎn)使用不暢、緊缺等情況出現(xiàn)，需要人工進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，醫(yī)護(hù)人員的工作壓力也會(huì)相應(yīng)的增大。所以，在注射泵卡槽斷裂的維修中，采用三維打印技術(shù)前，需要對(duì)活動(dòng)卡槽進(jìn)行配件更換，先設(shè)計(jì)草圖，再對(duì)模型各邊長(zhǎng)尺寸用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，最后在SolidWords軟件中進(jìn)行建模。

2.3 零配件成型制作

在零配件成型制作中本次采用具備熔融沉淀工藝的打印機(jī)，模型切片與零配件制作選擇上位機(jī)控制軟件（Bao Yan Printer）及DOGO 480型熔融沉淀工藝打印機(jī)。首先，將電腦中設(shè)計(jì)好的活動(dòng)卡槽三維模型格式轉(zhuǎn)化為STL格式，以便能夠給打印機(jī)識(shí)別，在上位機(jī)控制軟件中載入三維模型并進(jìn)行切片，經(jīng)切片后形成若干二維平面，層層堆積，各平面中顯示的是打印機(jī)噴頭的行動(dòng)軌跡，同時(shí)編制G-code代碼以便打印機(jī)識(shí)別。其次，分析活動(dòng)卡槽模型應(yīng)力，采用輸液設(shè)備分析儀，對(duì)注射針管內(nèi)50ml液體阻塞壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果為50mmHg，經(jīng)轉(zhuǎn)化，推桿壓力為47N。在受力分析中，以模型后端底面需為固定面，對(duì)卡槽受力面進(jìn)行固定，對(duì)推桿中段、后段連接處最大壓強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，壓力計(jì)算結(jié)果為82N。再次，采用USB接口將計(jì)算機(jī)與打印機(jī)連接在一起，向打印機(jī)主控板分批發(fā)送計(jì)算機(jī)內(nèi)切片后所得的G-code代碼。主控板對(duì)代碼讀取后翻譯為機(jī)器語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)對(duì)打印機(jī)X、Y、Z三軸的聯(lián)動(dòng)控制，打印機(jī)在控制下對(duì)每一層行動(dòng)軌跡進(jìn)行記憶。然后加熱打印噴頭到230℃，固態(tài)ABS工程塑料絲在擠絲電機(jī)作用下進(jìn)入加熱套受熱熔化。沿最底層軌跡，打印機(jī)噴頭與擠絲電機(jī)同時(shí)工作，將熔化的塑料絲噴涂在設(shè)計(jì)好的路徑上，隨著成型臺(tái)的凝固上下兩層緊密結(jié)合，逐漸完成噴頭在所有軌跡的運(yùn)動(dòng)，最終完成打印。最后，從成型臺(tái)上取下打印完成的活動(dòng)卡槽模型，對(duì)后端底面進(jìn)行固定，施加82N的推力在卡槽上，卡槽完好無(wú)折斷，表明在該零件的打印中，選擇30%的填充量可滿足打印要求。隨后，將打印好的零部件安裝在受損注射泵上，注射泵可正常工作，維修完成。

3.結(jié)語(yǔ)

三維打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，優(yōu)勢(shì)更加明顯，不僅提高了制造效率，還降低了制造成本。在醫(yī)療器械維修領(lǐng)域內(nèi)，三維打印技術(shù)的應(yīng)用，滿足了醫(yī)療器械短時(shí)間內(nèi)維修好的要求，降低了維修成本。但需要注意的是，采用三維打印技術(shù)前，需要對(duì)打印的零部件建立模型，而建模方法比較多，需要根據(jù)所打印零部件的復(fù)雜性、幾何形態(tài)等因素合理選擇與確定，以確保利用三維打印技術(shù)打印出的零部件滿足精度要求。