医疗器械维修领域三维打印技术的实践

梁 昊

（大庆油田总医院，黑龙江大庆 163001）

0 引言

在医疗器械维修时，经常需要进行一些损毁的精密医疗零部件更换，然而由于一些零部件来自于进口医疗器械，不仅定价昂贵，而且有可能没有货源，从而增加了医疗器械维修难度与成本。为有效解决这一问题，可以采用三维打印技术，实现精密零部件的建模与快速打印，这对于提升医疗器械维修质量水平有着重要的意义。

1 三维打印技术概述及优势分析

三维打印机虽然听起来比较“高大上”，但具体工作原理与普通打印机比较类似，并且在架构组成方面，也是由一些基本的打印控制组件、机械组件、打印耗材等零部件材料组成。只不过传统打印只能打印出2D（二维）产品，而三维打印技术能够打印出更为立体的3D（三维）产品。在实施三维打印技术前，通常需要先在电脑上完成一个完整的三维立体模型设计，然后以此为依据，完成从3D 模型到实物的打印输出。传统制造业在实际制造产品过程中，通常需要有一个较为复杂的流程，比如现开模具然后进行产品铸造，最后还要进行产品的切割与组装，而三维打印技术则完全不需要上述复杂的流程，能够直接一次性打印成型。因此，借助三维打印技术能够实现传统制造技术上无法完成的产品设计，制作出更加复杂精巧的产品结构。

三维打印技术的优势主要体现在以下5 个方面。

（1）能够快速制造一些结构复杂精巧的产品且不会增加产品成本。在传统制造工艺下，一般产品结构越复杂，需要耗费的时间成本、材料成本较高，而三维打印技术则有效避免了这一问题，改变了产品生产成本的方式。

（2）有效降低设备购置成本。传统的产品制造工艺通常会需要很多大型的机械设备，并且设备自身的制造功能也比较少，生产出来的产品复杂精巧程度比较有限。而采用三维打印技术，只需要一个打印机与电脑，实际耗费的产品成本更低。

（3）不需要进行复杂的设备组装，生产效率更高。传统的产品制造需要建立一套完整的生产线，在机器设备完成零部件生产后，再将这些设备组装在一起才能够形成一个完整的产品，期间需要耗费大量的时间成本，而3D 打印则能够一体化成型，不需要进行组装，能够有效提升生产效率，降低生产成本。

（4）材料组成更加灵活多变。由于三维打印技术省去了零件制作、组装等多种程序，能够通过输入材料直接产出成品，因此能够更好地将多种材料融合在一起，有效提升产品制作效率。

（5）三维打印技术产品设计空间更为广阔。在传统制造工艺下，受限于工艺本身的复杂性，因此实际生产的产品形状有限，且结构越复杂的产品，需要耗费的时间成本更多，而三维打印技术依托于自身“一次性成型”的绝对优势，使得自身产品设计空间更为广阔，不需要考虑产品结构的复杂程度，能够制作出各种复杂形状的产品[1]。

2 常见的三维打印形式分析

三维打印机与传统打印机打印最为明显的区别是在原料输出方面，三维打印机输入的材料不是墨水，而是真实的产品原材料，通过打印成一层层粘合材料，最终形成一个立体产品。当前用于三维打印的材料有多种，比较常见的有塑料、金属、陶瓷、橡胶等，还有一些三维打印机能够结合不同的材料，使打印出的产品具有不同性质。由此也能认识到，三维打印能够组合不同的打印材料，打印出性质各异的产品。例如以色列Object 公司便是当前掌握三维打印材料最多的公司，该公司在三维打印技术实施过程中，能够采用14 种基本材料自由组合成107 种打印材料，从而赋予三维打印产品生产更多的可能性。当前比较常见的三维打印方式主要有以下4 种。

（1）“喷墨”的形式。通过利用打印机喷头，在铸模托盘上喷涂一层极薄的液态塑料物质，然后将其置于紫外线环境下作进一步的处理，随后控制铸模托盘下降极小的一段距离，从而确保下一层打印的材料能够继续堆叠，最终成功打印堆叠成一个立体的产品。

（2）“熔积成型”的三维打印形式。在该打印形式下，主要是通过喷头喷射一些内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式，堆叠形成立体的薄层，最终实现立体产品制作。

（3）“激光烧结”三维打印成型形式。这种打印主要采用的打印介质是粉末微粒，通过喷头直接喷撒在铸模托盘上，在模具上形成一种极薄的粉末层，然后进行激光熔铸成指定形状，最后喷头会喷出一些特定的液态粘合剂，实现材料的固化成型处理。

（4）利用一种真空中电子流，将粉末微粒进行熔化，最终实现三维打印，但当针对于一些复杂的产品结构，比如产品包含精密的孔洞，那么在打印介质中，还需要加入一些凝胶剂，从而使得材料成型更加稳固，这部分粉末一般不会被直接熔铸，只需采用水或气流等介质将支撑物冲洗干净便能形成孔隙[2]。

3 医疗器械维修领域三维打印技术的实践

在医疗设备维修领域，很多需要维修的设备本身并没有太大的问题，多是因为一些较小的零部件出现损坏而导致设备出现故障，而一些原装零部件部件定价昂贵、结构精巧，而且有可能没有货源，从而增加了医疗器械维修难度与成本。而三维打印技术则有效解决了这一问题，通过三维打印，能够快速生产出维修所用的零部件，有效提升维修效率，降低维修成本。因此针对于医疗器械维修领域中三维打印技术的实践，提出了一种三维建模技术，将损毁的零配件进行三维建模还原并采用三维打印机将其打印成成品，并将其与原零配件进行了属性比较，更好地展现三维打印技术在医疗设备维修中的应用价值。

目前三维建模模型技术有线框模型技术、实体模型技术、参数化建模技术等。在产品设计信息中，约有70%的信息能够在新产品设计中进行应用，在这一背景下，参数化设计技术应运而生。将参数化设计应用于医疗设备维修，主要目的是提升维修效率，因此需要对损坏的医用设备零件进行参数化建模，获得零件的三维数据，从而便于后续利用三维打印机进行打印。针对于三维医疗设备零配件设计，应体现出一定的柔性特点，在完成模型设计后，既要确保模型有着良好的实用性，同时又能迅速重构，保证设计的零配件信息有着良好的重复利用性，因此在进行医疗设备零配件建模时，采用参数化建模技术最为适合。在实际进行参数化设计过程中，设计者能够结合自身设计意图，完成设计草图的初步勾画，然后再计算机系统的帮助下，成功建立设计对象内部各设计元素之间约束关系，从而设计者在进行草图尺寸等参数信息更新时，系统能够自动同步更新，并获取几何特征点准确位置分布。

建模实践分析：在本次参数化建模过程中，采用了Solid Works 建模设计软件，该软件具有操作简单、兼容性高等优点。本次建模对象是某进口品牌注射泵零配件，该注射泵器械在实际使用过程中，经常会因操作失误或其他原因导致医疗器械摔落损毁，比如因摔落导致注射泵推杆活动卡槽断裂，对于注射泵的正常使用功能带来严重影响。由于该注射泵医疗器械是从国外进口，因此实际维修所需的配件很难在国内购买，配件更换等到时间过长，且对应配件的更换过程也比较繁琐。同时在临床方面，由于注射泵功能损坏，导致医务人员只能采用人工监测其运行状态，不仅对临床治疗工作开展带来不利影响，还会为医院带来了较大损失。为了有效解决注射泵活动卡槽断裂问题，下面结合注射泵实际功能需求，进行了替代零配件的模型草图设计，并借助游标卡尺完成模型各面的精确测量，并在Solid Works 建模设计软件的帮助下，完成零配件建模。之后在三维打印技术应用方面，采用FDM（Fused Deposition Modelling，熔融沉积）三维打印技术，选用上位机控制软件进行模型切片进行零配件打印制作。以下是具体流程：

（1）在完成推杆活动卡槽三维模型设计后，需要将其转换成STK 格式，便于三维打印机识别。然后在上位机控制软件中载入推杆活动卡槽三维模型，完成模型的切片制作。活动卡槽三维模型经过切片后，能形成一层一层堆积的二维平面，在每个平面内都有明显的运行轨迹，便于喷头识别进行喷图堆积打印，同时还完成了三维打印机器能够识别的G-code 代码编译。

（2）针对于建模好的卡槽模型，还需要作进一步的应力分析。例如针对于本次的注射泵，通过采用FLUKE IDA 4 PLUS输液设备分析仪，测得针管阻塞压强为500 mm Hg，通过将这一压强进行推杆压力的转化，可得出推杆压力为47 N，在实际进行零配件组装时，需要在注射泵上固定好卡槽模型的后端底面，因此在分析应力时，需要以该模型的后端底面为固定面，受力面则选择固定针管推杆的卡槽，通过进行计算，发现在推杆在后段与中段的连接处，将会承受最大的压强，具体压力值为82 N。

（3）在完成应力分析后，需要将FDM 三维打印机与计算机进行来接，然后将计算机之前获取的切片G-code 代码发送至打印机主控板，由三维打印机进行代码解析读取，然后将其转化成对应的模型打印指令，通过从X、Y、Z 三轴方向，实现对打印机联动控制，使得打印喷头能够按照之前设置好的运行轨迹进行打印。在这一过程中，需要将加热套加热至230 ℃，通过在挤丝电机的帮助下，将固态ABS 工程塑料丝挤入到加热套中，使其能够迅速融化，并从打印机喷头中喷出，按照既定的打印轨迹运动进行堆叠打印，融化的塑料丝会迅速堆积到成型，在凝固过程中实现材料的紧密粘合，最终逐步形成一个立体的材料模型，成功完成零部件的打印制作。

（4）在完成零部件打印后，将其从成型台上取下，然后将其固定在后端底面，同时在卡槽处选择施加82 N 的推力，此时发现卡槽并没有折断的迹象，说明打印的零部件质量良好。因此在实际进行三维打印时，选取30%的填充量即可满足实际打印应力要求。

（5）将打印好的零部件安装至损坏的注射泵上，开启注射泵即可正常工作运行。

4 总结

综上所述，与传统的工业制造技术相比，三维打印技术有着显著优势，不仅制造效率更高、制作成本低，而且材料组合更加灵活多变，能够进行复杂的零部件制作，因此非常适合应用于医用机械设备的维修。它能够在短时间内打印出医用设备维修所需要的零件，有效提升医用设备维修效率，降低维修成本。可以预见，三维打印技术在医用机械设备维修领域将会有着非常广阔的应用前景。