快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用

1、模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 圖7-1 對(duì)RP模型需求的行業(yè) 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 圖7-2 對(duì)RP模型需求的目的 第二節(jié)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)依托于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和數(shù)控技術(shù)與裝 備進(jìn)行了CAD/CAM的高度集成，顯著提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量。然 而，從CAD到CAM一直以來都存在著一個(gè)縫隙，即產(chǎn)品的CAD總不能在 CAM之前盡善盡美?？焖俪尚图夹g(shù)的出現(xiàn)，恰當(dāng)好處地彌補(bǔ)了產(chǎn)品CAD 與CAM之間的這個(gè)縫隙。正因?yàn)槿绱耍琑P模型的早期應(yīng)用主要集中在產(chǎn) 品設(shè)計(jì)階段的

2、外觀評(píng)估、裝配與功能檢驗(yàn)方面，而且這幾方面的應(yīng)用至今 仍然占據(jù)著較大的需求。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 一、概念模型可視化 計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展使傳統(tǒng)的圖紙式設(shè)計(jì)走向現(xiàn)代化的三維概念設(shè) 計(jì)。盡管目前造型軟件的功能十分強(qiáng)大，但設(shè)計(jì)出來的概念模型仍然停留 在計(jì)算機(jī)屏幕上，概念模型的可視化是設(shè)計(jì)人員修改和完善設(shè)計(jì)十分渴求 而又十分必要的。有人比較形象化地形容，快速成型系統(tǒng)相當(dāng)于一臺(tái)三維 打印機(jī)，能夠迅速地將CAD概念設(shè)計(jì)的物理模型非常高精度地“打印”出 來。這樣，在

3、概念設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者就有了初步設(shè)計(jì)的物理模型，借助于 物理模型，設(shè)計(jì)者可以比較直觀地進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，大大提高了產(chǎn)品設(shè) 計(jì)的效率和可靠性。如設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行模型的合理分析和模型的觀感分析， 根據(jù)原型或零件評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)正確與否并可加以改正，如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 新產(chǎn)品的開發(fā)總是從外形設(shè)計(jì)開始的，外觀是否美觀和實(shí)用往往決定了 該產(chǎn)品是否能夠被市場接受。傳統(tǒng)的加工方法中，二維工程視圖在設(shè)計(jì)加 工和檢測方面起著重要作用。其做法是根據(jù)設(shè)計(jì)師的思想，先制作出效果 圖及手工模型，經(jīng)決策層評(píng)審后再進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。但由于二維工程視圖或 三維觀感圖不夠

4、直觀，表達(dá)效果受到很大限制，而手工制作模型耗時(shí)又長， 精度較差，修改也困難。 快速成型制造技術(shù)能夠迅速地將設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思想變成三維實(shí)體模型， 既可節(jié)省大量的時(shí)間，又能精確地體現(xiàn)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念，為產(chǎn)品評(píng)審決 策工作提供直接、準(zhǔn)確的模型，減少了決策工作中的不正確因素。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 二、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià) 利用快速成型制造技術(shù)制作出的樣件能夠使用戶非常直觀地了解尚未投 入批量生產(chǎn)的產(chǎn)品外觀及其性能并能及時(shí)作出評(píng)價(jià)，使廠方能夠根據(jù)用戶 的需求及時(shí)改進(jìn)產(chǎn)品，為產(chǎn)品的銷售創(chuàng)造有利條件并避免由于盲目生產(chǎn)可 能造成的損失。同時(shí)，投標(biāo)方在工程投標(biāo)中采用

5、樣品，可以直觀、全面地 提供評(píng)價(jià)依據(jù)，使設(shè)計(jì)更加完善，為中標(biāo)創(chuàng)造有利條件。 在產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)過程中，由于設(shè)計(jì)手段和其他方面的限制，每一項(xiàng)設(shè) 計(jì)都可能存在著一些人為的設(shè)計(jì)缺陷。如果未能及早發(fā)現(xiàn)，就會(huì)影響后續(xù) 工作，造成不必要的損失，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)的失敗。使用快速成型制 造技術(shù)可以將這種人為的影響減少到最低限度?？焖俪尚椭圃旒夹g(shù)由于成 型時(shí)間短、精度高，可以在設(shè)計(jì)的同時(shí)制造高精度的模型，使設(shè)計(jì)者能夠 在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品的整體或局部進(jìn)行裝配和綜合評(píng)價(jià)，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的 缺陷與不合理因素，改進(jìn)設(shè)計(jì)。 因此，快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用可把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷消失在設(shè)計(jì)階段， 最終提高產(chǎn)品整體的設(shè)計(jì)質(zhì)量。 模具工

6、程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 下圖給出的是某新型豪華客車用于外觀評(píng)估的經(jīng)過噴漆等處理的RP模型， 該模型大小為實(shí)際尺寸的1/10 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 三、裝配校核 進(jìn)行裝配校核、干涉檢查等對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)，尤其是在有限空間內(nèi)的復(fù)雜、 昂貴系統(tǒng)（如衛(wèi)星、導(dǎo)彈）的可制造性和可裝配性檢驗(yàn)尤為重要。 如果一個(gè)產(chǎn)品的零件多而且復(fù)雜就需要做總體裝配校核。在投產(chǎn)之前，先 用快速成型制造技術(shù)制作出全部零件原型，進(jìn)行試安裝，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理 性和安裝工藝與裝配要求，若發(fā)現(xiàn)有缺陷，便可以迅速、方便地進(jìn)行糾正， 使所有

7、問題在投產(chǎn)之前得到解決。下圖為某發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸部件中氣缸蓋改進(jìn) 設(shè)計(jì)后制作的用于裝配檢驗(yàn)的LOM模型。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 四、性能和功能測試 快速原型除了可以進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和裝配校核外，還可以直接用于性能和功能參 數(shù)試驗(yàn)與相應(yīng)的研究，如機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、流動(dòng)分析、應(yīng)力分析、流體和空氣動(dòng)力學(xué) 分析等。 采用快速成型制造技術(shù)可嚴(yán)格地按照設(shè)計(jì)將模型迅速地制造出來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試， 對(duì)各種復(fù)雜的空間曲面更體現(xiàn)快速成型制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。如風(fēng)扇、風(fēng)轂等設(shè)計(jì)的功 能檢測和性能參數(shù)確定，可獲得最佳扇葉曲面、最低噪音的結(jié)構(gòu)。如果用傳統(tǒng)的方 法制造原型，這種測試與比較

8、幾乎是不可能的。 下圖給出的是為檢驗(yàn)凸輪設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)某機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)而制作的用于傳動(dòng)功 能檢測的LOM模型。通過裝機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)檢測，根據(jù)反饋的信息進(jìn)行了數(shù)次改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終 獲得了能夠完全滿足運(yùn)動(dòng)要求的凸輪結(jié)構(gòu)。 第三節(jié)快速模具的母模 快速原型的另一大類應(yīng)用就是作為翻制快速經(jīng)濟(jì)模具的母模，如硅橡 膠模具、聚氨酯模具、金屬噴涂膜具、環(huán)氧樹脂模具等軟質(zhì)模具進(jìn)行單件 小批量的試制以及澆注石膏、陶瓷、金屬基合成材料、金屬等硬質(zhì)模具進(jìn) 行塑料件或金屬制件的批量生產(chǎn)?？焖僭陀米骺焖倌＞叩哪改Ｊ强焖俪?型制造技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的延伸和另一亮點(diǎn)。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的

9、應(yīng)用 （1）硅橡膠模具的母模 硅橡膠軟模在小批量制作具有精細(xì)花紋和無拔模斜度甚至倒拔模斜度的樣件方 面具有突出的優(yōu)越性，幾乎所有的RP原型都可以作為硅橡膠模具制作的母模。下 圖給出的是采用LOM原型翻制硅橡膠模具并進(jìn)行產(chǎn)品快速制作的例子。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 （2）砂型鑄造的木模 砂型鑄造的木模一直以來依靠傳統(tǒng)的手工制作，其周期長，精度低?？焖俪尚?技術(shù)的出現(xiàn)為快速高精度制作砂型鑄造的木模提供了良好的手段，尤其是基于 CAD設(shè)計(jì)的復(fù)雜形狀的木模制作，快速成型技術(shù)更顯示了其突出的優(yōu)越性。下圖 給出的是砂型鑄造的產(chǎn)品和通過快速成型技術(shù)制作

10、的木模。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 （3）環(huán)氧樹脂模具的母模 環(huán)氧樹脂模具因?yàn)槌杀镜土抑萍?shù)量較硅橡膠模具大而適合于小批量產(chǎn)品的 試制。環(huán)氧樹脂模具的制作同樣需要RP模型做母模，通過樹脂材料及添加材料澆 注而成，模具的壽命可以達(dá)到數(shù)百件，模具的表面質(zhì)量主要取決于原型母模的表 面質(zhì)量，尺寸精度可以達(dá)到0.1mm。下圖給出的是環(huán)氧樹脂模具制作產(chǎn)品的例子。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 第四節(jié)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用 RP技術(shù)出現(xiàn)以來，除了在新產(chǎn)品開發(fā)階段具有較為廣泛的需求外，一 直在鑄造領(lǐng)域有著比較活

11、躍的應(yīng)用。在典型鑄造工藝如熔模鑄造等中為單 件或小批量鑄造產(chǎn)品的制造帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 在鑄造生產(chǎn)中，模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模等的制造往往是靠機(jī)械加 工的辦法，有時(shí)還需要鉗工進(jìn)行修整，費(fèi)時(shí)耗資，而且精度不高。特別是 對(duì)于一些形狀復(fù)雜的薄壁鑄件，例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、船用螺旋漿，汽 車、拖拉機(jī)的缸體、缸蓋等，模具的制造更是一個(gè)老大難的問題。雖然一 些大型企業(yè)的鑄造廠也進(jìn)口了一些數(shù)控機(jī)床、仿型銑等高級(jí)設(shè)備，但除了 設(shè)備價(jià)格昂貴之外，模具加工的周期也很長，而且由于沒有很好的軟件系 統(tǒng)支持，機(jī)床的編程也很困難。面對(duì)今天世界上經(jīng)濟(jì)市場的競爭，產(chǎn)品的 更新?lián)Q代日益加快，鑄造模具加工的現(xiàn)狀很難適應(yīng)當(dāng)前

12、的形勢。而快速成 型制造技術(shù)的出現(xiàn)為解決這個(gè)問題提供了一條頗具前景的新路。 目前，快速成型技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用主要有以下3個(gè)方面： 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 模具工程技術(shù)研究中心 METRC 直接澆注鑄件 這種方法適用于形狀復(fù)雜的單件生產(chǎn)，例如航空航天工業(yè)中的特鑄件，或者是在新產(chǎn)品 試制時(shí)先做一兩個(gè)鑄件供進(jìn)一步試驗(yàn)用。具體操作是將RP原型或者用熔模鑄造方法制殼澆注 鑄件，或者用消失模鑄造方法直接澆注鑄件。 用原型翻制母模后再澆注鑄件 對(duì)鑄件數(shù)量需要較多時(shí)可以應(yīng)用這種方法。它是先用硅橡膠方法、石膏型方法等翻制母模， 然后制蠟?zāi)；蛑苯訚沧⒊设T件。

13、如SLS法所使用的原料為石蠟、尼龍或聚碳酸酯等，用聚碳酸 酯材料燒結(jié)制成的原型，在許多性能上優(yōu)于石蠟，可以做許多復(fù)雜的高精度件。 美國克萊斯勒公司和通用機(jī)器公司應(yīng)用SLS法減少新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件的開發(fā)費(fèi)用?？巳R 斯勒公司用SLS法制成蠟?zāi)?，生產(chǎn)形狀很復(fù)雜的汽車進(jìn)排氣管，通用機(jī)器公司也用這種方法來 制造航天器上的復(fù)雜零件。美國的Rorketdyhe公司甚至用蠟和尼龍來做復(fù)雜的六缸氣缸體模樣， 然后用熔模鑄造的方法生產(chǎn)鑄件。 利用原型模樣制造模具 這個(gè)方面的應(yīng)用最廣泛，可用于鑄件的大量生產(chǎn)。 美國福特汽車公司用LOM法制造長685mm的汽車曲軸模樣，先分3塊做，然后再拼裝成砂型 鑄造用的模板，尺寸

14、精度達(dá)到0.13mm。 7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 一、熔模鑄造 熔模鑄造也稱為失蠟鑄造，是一種可以由幾乎所有的合金材料進(jìn)行凈形制造金 屬制件的精密鑄造工藝，尤其適合于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄壁件的制造。快速成型技 術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為熔模精密鑄造消失型的制作提供了速度更快、精度更高、結(jié) 構(gòu)更復(fù)雜的保障。尤其是3DSystems公司開發(fā)的QuickCast工藝，更加突出了RP 技術(shù)在熔模鑄造領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)越性。 熔模鑄造的工藝過程如下： 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 澆注法制作熔模鑄造的消失型蠟?zāi)?，如圖所示。 將蠟質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)澆注系統(tǒng)（澆口

15、和澆道）和蠟型組裝， 如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 將組裝后的蠟型與澆注系統(tǒng)浸入到陶瓷漿中，反復(fù)掛砂和 干燥形成68mm的硬殼 ，如圖所示。 向硬型殼中通入熱水或蒸汽，使蠟型熔化并排出，得到空型 殼 ， 如圖所示。 硬型殼高溫焙燒，進(jìn)一步除去殘留的蠟，得到可進(jìn)行 澆注熔化金屬的高強(qiáng)度陶瓷硬型殼 ， 如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 將陶瓷硬型殼預(yù)熱至一定溫度后，注入熔化金屬 ，如圖所 示。 冷卻后，除去陶瓷殼，得到工件和澆注系統(tǒng)，再除去澆注系統(tǒng)， 便得到了金屬制件 ， 如圖所

16、示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 美國Sundstrand公司用快速成型件作母模，進(jìn)行了大量的熔模鑄造，取得了明顯的效益，如表 所示。由表中的數(shù)據(jù)可見，采用快速成型技術(shù)后節(jié)省工時(shí)4370，節(jié)省成本6494。 二、直接模殼鑄造 美國麻省理工大學(xué)開發(fā)了一項(xiàng)基于立體噴墨印刷技術(shù)的直接模殼制造(Direct Shell Production CastingDSPC)的鑄造技術(shù)。這一技術(shù)隨后授權(quán)于Soligen Inc. 公司用于金屬鑄造。DSPC首先利用CAD軟件定義所需的型腔，通過加入鑄造圓 角、消除可待后處理時(shí)通過機(jī)加工生成的小孔等結(jié)構(gòu)對(duì)模型進(jìn)行

17、檢驗(yàn)和修飾，然 后根據(jù)鑄造工藝所需的型腔個(gè)數(shù)生成多型腔的鑄模。DSPC的工藝過程是這樣的： 首先在成型機(jī)的工作臺(tái)上覆蓋一層氧化鋁粉，然后將微細(xì)的硅膠沿著工件的外廓 噴射在這層粉末上；硅膠將氧化鋁粉固定在當(dāng)前層上，并為下一層的氧化鋁粉提 供粘著層；每一層完成后，工作臺(tái)就下降一個(gè)層的高度，使下一層的粉末繼續(xù)復(fù) 敷和粘固；未粘固在模型上的粉末就堆積在模型的周圍和空腔內(nèi)，起著支撐的作 用；整個(gè)模型完成后，型腔內(nèi)所充填的粉末必須去除。這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)已商業(yè)化，它 使熔模鑄造行業(yè)得以直接制造模殼而節(jié)省了制造蠟?zāi)Ｄ＞吆拖災(zāi)１旧淼某杀尽?模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用

18、 第五節(jié)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 現(xiàn)代RP技術(shù)在20世紀(jì)80年代末期一經(jīng)出現(xiàn)，很多制造行業(yè)即對(duì)其表現(xiàn) 出濃厚的興趣。最早采用RP技術(shù)的是航空、汽車和醫(yī)學(xué)工業(yè)。雖然醫(yī)學(xué)應(yīng) 用仍然只占10%的RP市場，但醫(yī)學(xué)又對(duì)RP的應(yīng)用提出了更高的要求。RP 已經(jīng)運(yùn)用于種植體原型、監(jiān)視系統(tǒng)和很多其它醫(yī)療設(shè)備原型的制作。運(yùn)用 生理數(shù)據(jù)采用SLA、LOM、SLS、FDM等技術(shù)快速制作物理模型，對(duì)想不 通過開刀就可觀看病人骨結(jié)構(gòu)的研究人員、種植體設(shè)計(jì)師和外科醫(yī)生等能 夠提供非常有益的幫助。這些技術(shù)在很多專科如顱外科、神經(jīng)外科、口腔 外科、整形外科和頭頸外科等得到了廣泛應(yīng)用，幫助外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)規(guī) 劃。 模具工程技術(shù)研究中心

19、METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 一、設(shè)計(jì)和制作可植入假體 快速成型用于種植體設(shè)計(jì)已經(jīng)有很長一段時(shí)間了，工程師利用CAD軟件可以很 快地設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品，而RP設(shè)備的快速性允許設(shè)計(jì)師在很短的時(shí)間內(nèi)多次驗(yàn)證并修 改其設(shè)計(jì)，這樣就在設(shè)計(jì)過程中節(jié)約了時(shí)間和成本。 運(yùn)用RP技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)特定病人的CT或MRI數(shù)據(jù)而不是標(biāo)準(zhǔn)的解剖學(xué) 幾何數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)并制作種植體，如圖所示。這樣極大地減少了種植體設(shè)計(jì)的出錯(cuò) 空間，并且這種適合每個(gè)病人解剖結(jié)構(gòu)的種植體確實(shí)能設(shè)計(jì)一個(gè)更好的手術(shù)結(jié)對(duì) 病人的麻醉時(shí)間，還能減少整個(gè)手術(shù)的費(fèi)用。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成

20、型制造技術(shù)的應(yīng)用 從CT數(shù)據(jù)到骨骼3D數(shù)值模型 應(yīng)用RP模型設(shè)計(jì)植入體 二、外科手術(shù)規(guī)劃 復(fù)雜外科手術(shù)往往需要在三維模型上進(jìn)行演練以確保手術(shù)的成功。快速成型技 術(shù)可滿足這種要求。由于有了解剖模型，醫(yī)生可以有效地與病人溝通，借助于病 人自己的解剖模型，醫(yī)生可以指出關(guān)鍵的區(qū)域，從而增加病人的理解。模型增加 了病人對(duì)治療的理解，這比晦澀的二維X光照片要好理解得多。模型也能讓醫(yī)生對(duì) 病人以前的手術(shù)經(jīng)歷一目了然。此外，模型還能讓醫(yī)生在手術(shù)之前對(duì)著模型進(jìn)行 手術(shù)規(guī)劃，如圖所示。僅時(shí)間節(jié)省這一項(xiàng)就使得模型制作在很多復(fù)雜手術(shù)中顯得 非常重要和必要。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速

21、成型制造技術(shù)的應(yīng)用 RP模型幫助手術(shù)計(jì)劃 三、頜面修復(fù) 目前，美國、澳大利亞、新加坡、日本以及歐洲等許多國家對(duì)快速原型在醫(yī) 療領(lǐng)域的應(yīng)用非常重視。美國在牙科手術(shù)、面部矯正手術(shù)方面，新加坡在面部矯 正手術(shù)方面，澳大利亞在頭顱和面部修復(fù)手術(shù)方面，德國和法國等在頭顱和頜骨 修復(fù)手術(shù)方面，都依靠快速原型技術(shù)，取得了明顯的效果。國內(nèi)的醫(yī)療領(lǐng)域目前 也在嘗試對(duì)快速原型技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究，但是，成功的案例還十分少見。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 基于CT技術(shù)和快速成型技術(shù)的人體頜面 部缺損修復(fù)手術(shù)，是快速原型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng) 域里比較有價(jià)值的臨床應(yīng)用。對(duì)患者頭部

22、進(jìn) 行螺旋CT掃描，得到最小間距的二維CT數(shù) 據(jù)。通過設(shè)定骨骼的灰度閾值，提取CT圖 像中的骨骼輪廓，得到患者病變區(qū)域的頭顱 模型，如圖所示。圖像中左側(cè)因腫瘤病變進(jìn) 行了切除。手術(shù)的目的就是通過切取病人體 內(nèi)的腿骨修復(fù)左側(cè)下頜的缺損。在數(shù)據(jù)處理 時(shí)還進(jìn)行了右側(cè)下頜骨的提取并鏡像，用于 制作快速原型以輔助手術(shù)。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 將上述處理完畢的數(shù)據(jù)文件，按要求的格式輸入到快速原型系統(tǒng)進(jìn)行加工制 作。下圖為具有缺損的患者頭顱骨SLA模型、患者小腿骨SLA模型及患者左側(cè)完 好的下頜骨模型的鏡像頜骨SLA模型。 模具工程技術(shù)研究中心 ME

23、TRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 手術(shù)的方案是，以對(duì)應(yīng)缺損部位的正常部位的鏡像體為參考模型，對(duì)從腿部 切下的小腿骨進(jìn)行分割拼湊到缺損部位，然后，用金屬植入體進(jìn)行相應(yīng)的固定和 定位。具體步驟如下： 將頜面部缺損的局部頭蓋骨原型和對(duì)應(yīng) 缺損部位的正常部位的鏡像體拼合到一起， 如圖所示，觀察結(jié)合部位上下牙齒咬合的程 度，如果咬合程度好，就可以定型作為手術(shù) 規(guī)劃和演練的目標(biāo)實(shí)體。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 將成型鈦板支架固定在吻合好的下頜模 型上，定型后采用螺釘固定，如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)

24、的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 將小腿腓骨SLA模型進(jìn)行切割拼湊處理， 使切割骨的形狀與鈦板形狀吻合，測量每一 段小腿腓骨模型的長度并標(biāo)記對(duì)應(yīng)于整體腓 骨的位置，作為手術(shù)過程的依據(jù)，如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 按照上述手術(shù)規(guī)劃和方案，實(shí)施下頜骨修 復(fù)手術(shù)，如圖所示。 四、義耳制作 全耳廓缺損在臨床上是一種較為常見的疾病。外耳缺失不僅影響美觀，而且聽 力也大受影響。全耳缺損的修復(fù)方法一般有2種：手術(shù)和義耳。手術(shù)再造耳的外形 不夠理想，且存在費(fèi)用高，危險(xiǎn)大，周期長，效果不滿意等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技 術(shù)的發(fā)展，CT圖像處理和三維重構(gòu)技術(shù)的迅

25、速發(fā)展，伴隨著快速成型技術(shù)的成熟， 兩者結(jié)合為義耳的制作提供了一種新工藝。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 在頜面修復(fù)領(lǐng)域，義耳贗復(fù)體形態(tài)制作一直存在仿真程度不高的問題?；卺t(yī) 學(xué)CT三維重構(gòu)技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到義耳及義耳注型模具的三維模型，采用 快速成型技術(shù)進(jìn)行義耳注型模具的快速制作。同時(shí)對(duì)澆注的硅橡膠材料進(jìn)行配色， 再利用快速成型制作的義耳注型模具，進(jìn)行義耳贗復(fù)體的真空注型，便可得到幾 何形狀仿真度比較滿意的義耳贗復(fù)體。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速

26、成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 五、心血管模型制作 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 圖7-21 左、右心血管的三維結(jié)構(gòu) 圖7-22 右心血管SLS模型 心血管系統(tǒng)由心臟、動(dòng)脈、靜脈、毛細(xì)血管等組成，準(zhǔn)確復(fù)制心臟、血管、 血管瘤、氣管等軟組織結(jié)構(gòu)可以提供個(gè)性化軟組織模型，在診療、手術(shù)和醫(yī)學(xué)教 學(xué)等領(lǐng)域具有很大的意義。圖7-21為由心臟器官CT數(shù)據(jù)提取出來的右、左半部分 心血管的三維結(jié)構(gòu)。 六、生物工程 快速成型技術(shù)在生物工程的應(yīng)用剛剛起步，但也取得了令人可喜的

27、成果。針對(duì) 骨的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行CAD造型，然后利用內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)仿生建模技術(shù)及分層制造， 常溫下用生物可降解材料邊分層制造邊加入生物活性因子及種子細(xì)胞。用快速成 型技術(shù)制成的細(xì)胞載體框架結(jié)構(gòu)來創(chuàng)造一種微環(huán)境，以利于細(xì)胞的粘附、增殖和 功能發(fā)揮，以此達(dá)到組織工程骨的并行生長，加速材料的降解和成骨過程。此外， 有關(guān)文獻(xiàn)還報(bào)道了用一種結(jié)合表面活性劑和顆粒模板的稱為軟平板印刷的方法， 來形成有功能的納米結(jié)構(gòu)，其研究已經(jīng)達(dá)到了分子水平。歸納起來，目前RP模型 的醫(yī)學(xué)應(yīng)用如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 醫(yī)學(xué)應(yīng)用的每一個(gè)RP模型都需要原型設(shè)備和材料的

28、特殊搭配才能產(chǎn)生預(yù)期效果， 某種情況可能需要半透明的硬塑料，而另一種情況可能需要軟的生物兼容材料。 有時(shí)需要消毒材料，有時(shí)卻并不需要。RP醫(yī)學(xué)應(yīng)用中設(shè)備和材料的選擇可參考表 所示。USP VI級(jí)材料是通過安全測試并能消毒的材料。目前只有少數(shù)幾種RP材料 符合這一要求，SLA有一種，F(xiàn)DM有一種，SLS有兩種，LOM有幾種。表中的另 一類材料是可植入材料，目前仍然很弱，將來有望該類材料能夠得到迅速增長。 3DP與SLS等RP技術(shù)在這方面具有較大的優(yōu)越性。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 從醫(yī)學(xué)圖象得到的解剖模型有一系列的要求。有些模型最適合用半透明

29、材料做， 有的最適合用不透明材料制作以便更好的觀察表面。在大多數(shù)情況下，這些模型 是在手術(shù)之前使用，特定情況下需要把模型消毒用于手術(shù)時(shí)的參考。 隨著生物材料知識(shí)的發(fā)展，快速成型產(chǎn)品在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的臨床應(yīng)用將不斷增長， 從骨再生植入到器官置換，應(yīng)用范圍非常廣。 目前正在研究的人工骨制作是RP技術(shù)非常有前景的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，目前有兩種 制造骨骼植入體的方法。一種方法是采用選擇性沉積磷酸鈣粉末的工藝來制作多 孔的種植體。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，這些多孔種植體在新骨生長性能方面表現(xiàn)了優(yōu)異的 性能。經(jīng)過一定的時(shí)間，這些多孔種植體將變成動(dòng)物骨架的一部分。這些多孔種 植體在相對(duì)密度為50%時(shí)，強(qiáng)度要比原先降低到70MPa。

30、因而他們的用途局限于不 承載的部分，如面部和顱骨部分。第二種工藝是用SLS準(zhǔn)備碳素模具，熔融的磷酸 鈣在1100的熔化溫度下澆注到模具中。這樣得到的全密度玻璃態(tài)部件可以通過 退火得到半結(jié)晶的合成物，抗壓強(qiáng)度超過170MPa。這些可用于承載種植體如牙齒， 骨頭螺釘和脊椎骨。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 一些RP設(shè)備制造商的長期目標(biāo)是將RP機(jī)器放到臨床設(shè)備中，例如X光部門的一 臺(tái)RP機(jī)器可在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)向外科醫(yī)生提供非常有用的物理解剖模型，這樣可讓外 科醫(yī)生在很短的時(shí)間內(nèi)作出精確的手術(shù)計(jì)劃。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的障礙之一是醫(yī)院缺少 熟練的操作人員，除此之外，

31、設(shè)備成本，組織機(jī)構(gòu)的增加，材料成本等因素都限 制了RP設(shè)備直接放在醫(yī)院這一構(gòu)想。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 七、定制骨植入體 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 人體內(nèi)一共有206塊骨頭，這些骨頭的大小和形狀因人而異。在重建、整形外科手術(shù)中，如 果病人可以經(jīng)濟(jì)的定制到通過醫(yī)用CT掃描的骨植入體是非常有用的。如果可能的話，需要對(duì) 事故前的受傷部位進(jìn)行CT掃描，或者使用相應(yīng)身體的另一側(cè)未受傷骨頭的鏡像。按照實(shí)際尺 寸定制的植入體可以減少進(jìn)行醫(yī)用培植步驟的過程，降低病人的風(fēng)險(xiǎn)。 采用快速原型制造技術(shù)制作

32、骨植入體一般采用一種羥基磷灰石（HA）和磷酸鹽的玻璃相粉 末混合物的聚合材料體系，這種材料與人體具有生物相容性并且可以制作成LOM工藝中的薄 層材料。應(yīng)用LOM工藝制作羥基磷灰石定制骨植入體的流程如圖7-24所示。 圖圖7-24 定制骨植入體制造流程圖定制骨植入體制造流程圖 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 這種復(fù)合材料體系包括羥基顆粒和磷酸鈣的玻璃相，如圖7-25所示。玻璃相的磷酸鈣被用 做粘合劑，當(dāng)燒結(jié)時(shí)，玻璃相熔化，并把羥基磷灰石熔和在一起。適當(dāng)比例的玻璃添加物使 HA燒結(jié)工藝在較低溫渡下執(zhí)行，（等于或稍高于玻璃的熔化溫度）從而降低了HA損失

33、羥基和 分解的趨勢。此外，燒結(jié)后收縮率也明顯低于純固態(tài)燒結(jié)的。 a) (b) 圖圖7-25 羥基磷灰石定制骨植入體復(fù)合材料體系羥基磷灰石定制骨植入體復(fù)合材料體系 a) HA顆粒顆粒 b) 磷酸鈣的玻璃相磷酸鈣的玻璃相 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 陶瓷薄層材料制作工藝如圖7-26所示。HA/玻璃相薄層的厚度范圍從125m到250m。薄層 的微結(jié)構(gòu)如圖7-27所示，燒結(jié)后由于粘合劑的去除，顆粒顯示更為清晰。多數(shù)薄層材料會(huì)產(chǎn)生 一定程度肉眼可見的裂縫。采用LOM工藝對(duì)上述制備的薄層材料進(jìn)行疊加成形，制作出60層 的腕骨（大約25mm6.356mm）

34、，如圖7-28所示。 圖7-26 陶瓷薄層材料制作工藝 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 a) b) 圖7-27 陶瓷薄層材料微結(jié)構(gòu) a) 生羥基磷灰石/玻璃相帶 b) 粘合劑燒結(jié)后的羥基磷灰石/玻璃相帶 圖7-28 用LOM法制作的陶瓷帶的羥基磷灰石/玻璃相腕骨植入體 八、PCL多孔支架制作 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 復(fù)雜關(guān)節(jié)如顎關(guān)節(jié)的修復(fù)與重建對(duì)骨組織工程提出了很大的挑戰(zhàn)?；颊唧w內(nèi) 對(duì)異源體、非生物材料的惡性反應(yīng)使治療結(jié)果大打折扣，自體移植則要求從患者其 他部位移植骨，這將導(dǎo)致患者其他部位的

35、并發(fā)癥。為此，支架必須與解剖缺陷相吻 合，擁有能夠承受活體負(fù)載的機(jī)械性能，加強(qiáng)組織生長，產(chǎn)生具有生物相容性的降 解產(chǎn)物。 PCL是一種生物可消溶聚合物，在骨與軟骨修復(fù)方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 PCL支架可由多種快速成型技術(shù)制得，包括熔融沉積技術(shù)、光固化成型技術(shù)、精密 擠壓沉積、三維打印等，而采用SLS技術(shù)制作能夠容易實(shí)現(xiàn)具有多種內(nèi)部結(jié)構(gòu)與孔 隙率的PCL支架。 圖7-29a給出的是在UG三維造型軟件上設(shè)計(jì)的圓柱形多孔支架（直徑12.7mm， 高度25.4mm），圖7-29b為Sinterstation 2000TM設(shè)備上使用PCL粉末制作SLS支架模 型。圖7-30給出的是豬顎關(guān)節(jié)的三維構(gòu)形及

36、多孔支架設(shè)計(jì)與SLS模型。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 a) b) 圖7-29 PCL多孔支架的設(shè)計(jì)與制造 a) 孔徑1.75mm的多孔支架的STL模型 b) 采用SLS工藝制作的PCL支架 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 a) b) c) 圖7-30 PCL多孔支架在豬顎關(guān)節(jié)制造中的應(yīng)用 a) 實(shí)際豬顎關(guān)節(jié) b) PCL支架的STL設(shè)計(jì)描述 c) SLS模型 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 思思 考考 題題 1、列舉對(duì)快速原型需求較多的領(lǐng)域有哪些

37、？ 2、列舉快速原型應(yīng)用的目的或用途主要有哪些？ 4、快速原型作為快速模具的母模主要應(yīng)用于哪幾個(gè)方面？ 5、快速原型在鑄造領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用集中在哪幾個(gè)方面？ 3、快速原型在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要有哪幾個(gè)方面？ 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 圖7-1 對(duì)RP模型需求的行業(yè) 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 三、裝配校核 進(jìn)行裝配校核、干涉檢查等對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)，尤其是在有限空間內(nèi)的復(fù)雜、 昂貴系統(tǒng)（如衛(wèi)星、導(dǎo)彈）的可制造性和可裝配性檢驗(yàn)尤為重要。 如果一個(gè)產(chǎn)品的零件多而且復(fù)雜就需要做總體裝配校核。在投產(chǎn)

38、之前，先 用快速成型制造技術(shù)制作出全部零件原型，進(jìn)行試安裝，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理 性和安裝工藝與裝配要求，若發(fā)現(xiàn)有缺陷，便可以迅速、方便地進(jìn)行糾正， 使所有問題在投產(chǎn)之前得到解決。下圖為某發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸部件中氣缸蓋改進(jìn) 設(shè)計(jì)后制作的用于裝配檢驗(yàn)的LOM模型。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 三、裝配校核 進(jìn)行裝配校核、干涉檢查等對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)，尤其是在有限空間內(nèi)的復(fù)雜、 昂貴系統(tǒng)（如衛(wèi)星、導(dǎo)彈）的可制造性和可裝配性檢驗(yàn)尤為重要。 如果一個(gè)產(chǎn)品的零件多而且復(fù)雜就需要做總體裝配校核。在投產(chǎn)之前，先 用快速成型制造技術(shù)制作出全部零件原型，進(jìn)行試安裝，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理 性和安裝工藝與裝配要求，若發(fā)現(xiàn)有缺陷，便可以迅速、方便地進(jìn)