医疗器械维修领域三维打印技术的实践分析

（新疆医科大学第五附属医院，新疆乌鲁木齐 830011）

0.引言

三维打印技术目前在诸多领域内均有应用，并且随着技术成熟度不但提升，应用的范围、领域也更加广泛。在医疗领域内，三维打印技术主要用于假肢、手术模型及植入物的制造中，在医疗器械维修领域中应用尚少。对于医疗器械维修而言，由于器械精密性高、结构复杂，正常维修不仅成本较高，且维修时间较长，给医疗器械的使用带来不利影响。本文通过实际案例分析，对医疗器械中缺失、损坏零部件采用三维打印技术进行维修，取得了较好的维修效果，满足当前医疗器械维修的要求。

1.三维打印技术

1.1 三维打印技术概述

三维打印，即3D打印，与普通打印技术相比，三维打印技术的工作原理基本类似，也是由打印控制组件、打印耗材、机械组件等组成。但和传统二维打印技术相比，三维打印技术实现了产品的立体化打印。三维打印技术在实施中，需要先通过计算机设计完整三维立体模型，然后通过打印机将模型打印出来[1]。自三维打印技术出现以来，使传统制造业面临的开模、铸造、切割及组装等复杂的工序流程被颠覆，产品实现了一次打印成型。使得产品结构精度、复杂性都大幅提升。

1.2 三维打印技术优势

（1）对一些结构复杂的产品能够快速制造，且制造成本不会增加。传统工艺下，对结构复杂的产品制造时，往往需花费大量的时间及成本，三维打印技术则改变了产品生产成本方式。（2）减少了设备购置成本。传统产品制造中，产品越精细，对设备制造功能要求越高，所以在一些结构、复杂的产品制造中，往往需要花费大量的成本购置相应的设备。而三维打印技术，只需要一台电脑、一台打印机即可完成复杂产品的制造，减少了设备成本投入。（3）无需设备组装，生产效率更高。传统产品制造中，完整的产品呈现需一整套生产线来完成，在生产线组装中需花费大量时间。而三维打印技术应用中，无需组装设备，可直接进行生产，所以生产效率大幅提升。（4）材料组成多样。较传统制造工艺相比，三维打印技术在应用中省去了制造、组装零件的过程，只需要将原材料输入后，产品成品直接打印出来，多种材料能有效融合在一起，产品生产效率得到提升。（5）产品设计空间广阔。传统生产工艺中，产品的状态受制于工艺本身的复杂性影响，产品的结构与形态并不复杂，且生产中时间成本消耗较大。三维打印技术则在产品设计中具有广阔的空间，得益于其一次成型的优势，能够制作各种形态复杂的产品，不收产品结构复杂程度的影响[2]。

2.医疗企业维修中三维打印技术的应用实践

目前，在诸多领域内对三维打印技术已经推广应用，在医疗领域内主要用于假肢、植入物、手术模型及手术设备的定制与打印，而在医疗器械维修领域中，应用相对较少。对于医疗器械而言，在维修中印配件定价高、零配件缺损等因素的影响，维修难度通常比较大。而三维打印技术的应用，则能够对复杂的医疗器械在短时间内进行维修，成本也比较低，最大限度挽回医疗器械损坏给医院带来的损失，三维打印技术在医疗器械维修中应用优势也更加明显。本文主要通过对参数化建模方式在医疗器械维修领域中的应用情况进行分析。

2.1 参数化建模

数字空间内，包含一维、二维、三维3种信息形式，事物三维建模是虚拟现实技术中的难点。建模的目的是利用计算机内部数字化表示、控制、分析等功能，将现实世界中的物体、属性，用几何形态表现出来。根据使用方法的不同，当前建模技术主要由实体模型、特征建模、表面模型、装配模型、线框模型及参数化建模等。现阶段，70%以上的产品设计信息，会被用于新产品设计中，这一背景下就出现了参数化设计技术。医疗器械维修的关键在于缩短维修时间，所以对设备、器械及零部件快速进行建模，获得三维数据，是三维打印技术应用中的关键。同时对零部件原有设计信息也需要利用，所以在医疗器械维修建模中，参数化建模更为适用。参数化建模在实际应用中，设计者可按照自己的设计意愿先勾画出草图，借助计算机系统，对草图中各个内部设计元素之间的约束关系自动建立，这样就实现了对草图某一部位尺寸变动的时候，其他相应部位的尺寸也同时改变，实现草图几何形状的自动校正与更新，并获得几何图形中各个特征位置点的正确分布[3]。

2.2 零配件三维建模

SolidWords设计软件支持参数化建模，且软件兼容性较高，操作也比较简单。因此本次研究在进行医疗器械零部件三维建模中采用SolidWords设计软件来实现，以某进口品牌注射泵零配件三维建模及打印成型为例进行研究。医疗器械、设备在使用过程中，受使用不当、掉落等原因的影响，注射泵活动卡槽容易出现断裂的情况，对注射泵的使用产生影响。并且进口注射泵在零部件更换时，配件更换过程繁琐、周期较长；如果注射泵轮转使用不畅、紧缺等情况出现，需要人工进行监测时，医护人员的工作压力也会相应的增大。所以，在注射泵卡槽断裂的维修中，采用三维打印技术前，需要对活动卡槽进行配件更换，先设计草图，再对模型各边长尺寸用游标卡尺进行测量，最后在SolidWords软件中进行建模。

2.3 零配件成型制作

在零配件成型制作中本次采用具备熔融沉淀工艺的打印机，模型切片与零配件制作选择上位机控制软件（Bao Yan Printer）及DOGO 480型熔融沉淀工艺打印机。首先，将电脑中设计好的活动卡槽三维模型格式转化为STL格式，以便能够给打印机识别，在上位机控制软件中载入三维模型并进行切片，经切片后形成若干二维平面，层层堆积，各平面中显示的是打印机喷头的行动轨迹，同时编制G-code代码以便打印机识别。其次，分析活动卡槽模型应力，采用输液设备分析仪，对注射针管内50ml液体阻塞压强进行测定，结果为50mmHg，经转化，推杆压力为47N。在受力分析中，以模型后端底面需为固定面，对卡槽受力面进行固定，对推杆中段、后段连接处最大压强进行计算，压力计算结果为82N。再次，采用USB接口将计算机与打印机连接在一起，向打印机主控板分批发送计算机内切片后所得的G-code代码。主控板对代码读取后翻译为机器语言，实现对打印机X、Y、Z三轴的联动控制，打印机在控制下对每一层行动轨迹进行记忆。然后加热打印喷头到230℃，固态ABS工程塑料丝在挤丝电机作用下进入加热套受热熔化。沿最底层轨迹，打印机喷头与挤丝电机同时工作，将熔化的塑料丝喷涂在设计好的路径上，随着成型台的凝固上下两层紧密结合，逐渐完成喷头在所有轨迹的运动，最终完成打印。最后，从成型台上取下打印完成的活动卡槽模型，对后端底面进行固定，施加82N的推力在卡槽上，卡槽完好无折断，表明在该零件的打印中，选择30%的填充量可满足打印要求。随后，将打印好的零部件安装在受损注射泵上，注射泵可正常工作，维修完成。

3.结语

三维打印技术与传统制造技术相比，优势更加明显，不仅提高了制造效率，还降低了制造成本。在医疗器械维修领域内，三维打印技术的应用，满足了医疗器械短时间内维修好的要求，降低了维修成本。但需要注意的是，采用三维打印技术前，需要对打印的零部件建立模型，而建模方法比较多，需要根据所打印零部件的复杂性、几何形态等因素合理选择与确定，以确保利用三维打印技术打印出的零部件满足精度要求。