CN101310964B - 医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法，是指测量病人器官获得医用植入体的原始数据；采用三维CAD软件将原始数据转化为三维CAD模型，并进行二次加工，然后再进行切片处理，从而获得医用植入体的多层切片的二维CAD数据模型；对各切片的二维CAD数据模型进行扫描路径规划，得到扫描路径数据，导入到选区激光熔化快速成型装置的上位机，采用分层快速扫描方法，对石蜡粉末进行选区激光熔化快速成型，从而制得所述医用植入体蜡模；取出医用植入体蜡模，对其表面的多余蜡粉进行清理。本发明切片处理过程不涉及STL格式数据；成型蜡模组织致密，无需渗蜡后处理，可实现成型设备小型化，降低设备制造成本，缩短成型时间。

Description

医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法及装置

技术领域

本发明涉及医用植入体的制造技术，具体是指医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法及装置。

背景技术

当前，医用植入体已在临床上得到了广泛的应用，如义牙、正畸矫治器、骨骼缺损修复块、人工关节、脊柱矫形内固定系统等。这些医用植入体零件具有生产周期短、个性化程度强、结构复杂、单件小批量等特点，一些传统的零件加工技术(车、刨、铣、磨)难以胜任医用植入体零件的制作。

快速成型技术(Rapid Prototyping-RP)是一项20世纪80年代后期由工业发达国家率先开发的新技术，其主要技术特征是成型的快捷性及成型结构的复杂性，能自动、快捷地将具有复杂结构的三维CAD模型转变成一定功能的产品原型或直接制造零部件，因而该项技术特别适合医用植入体的制作。

快速成型技术有多种工艺方法，其中选区激光烧结快速成型技术已发展的比较成熟。该技术采用铺粉辊将一层粉末平铺在已成型零件的上表面，先将粉末预热到烧结点下的某一温度，然后控制系统控制激光束按照当前图层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升高，粉末中低熔点的成份熔化，通过液相烧结，使未熔化的成份粘结起来，同时也使当前层与下面已成型的部分实现粘接。当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺粉辊又在上面铺一层粉末，进行新一图层截面轮廓的烧结，直至完成整个三维实体模型的成型。可用于选区激光烧结的材料较多，常用的有石蜡、尼龙、聚碳酸酯、金属粉末等。该技术的特点是制造工艺比较简单，成型材料范围广，材料利用率高，价格便宜，无需支撑结构。

由于选区激光烧结技术既具有快捷、成型不受零件复杂程度影响的通用快速成型技术特点，又具有成型工艺简单、材料利用率高、可选材料广泛等特点，因而在医用植入体领域得到了广泛应用。

但是选区激光烧结技术是基于烧结成型的原理，即烧结温度在材料熔点以下，因而所获得的蜡型多孔疏松，还需经渗蜡后处理才能用于铸造成型。并且通常采用烧结法成型蜡模，必须进行预热预处理，使成型室的气氛温度接近烧结温度才可进行烧结成型，预热装置的存在增加了设备制造成本、也加长了整个烧结成型时间。

此外，当前快速成型工艺中，多数需要将三维CAD模型转化为STL格式，再进行二维切片获得切片数据。但是STL格式数据存在数据冗余，文件庞大；缺乏拓扑信息，容易出现悬面、悬边、点扩散、面重叠、孔洞等错误，以及存在曲面误差，诊断与修复困难的不足。这使使得在实际成形中所得到的产品原型的成形精度不高，表面质量不好。

发明内容

本发明克服了上述现有技术的缺点与不足，提供医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法，其采用完全熔化的方式实现成型，成型蜡模组织致密，无需渗蜡后处理，且可以实现成型设备小型化，降低设备制造成本，缩短成型时间。

本发明的目的还在于提供实现上述医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法的装置。

本发明通过下述技术方案实现：本医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法，包括以下步骤：

(1)测量病人器官的外形结构数据，作为制造相应医用植入体的原始数据；

(2)采用三维CAD软件将原始数据转化为三维CAD模型，并进行二次加工(如对牙科植入体添加正畸矫治器、对病变器官进行整形、去除多余的假牙等)，然后再进行切片处理，从而获得医用植入体的多层切片的二维CAD数据模型；

(3)对所有切片的二维CAD数据模型进行扫描路径规划，得到医用植入体的扫描路径数据；

(4)将该医用植入体的扫描路径数据导入到选区激光熔化快速成型装置的上位机，然后采用分层快速扫描方法，对石蜡粉末进行选区激光熔化快速成型，从而制得所述医用植入体蜡模；其中，激光的聚焦光斑直径≤100μm，扫描速度＞1m/s，扫描范围≤100mm×100mm，所述石蜡粉末铺层厚度≤50μm；

(5)取出所述医用植入体蜡模，对其表面的多余蜡粉进行清理。

为更好地实现本发明，步骤(1)所述病人器官的外形结构数据的测量采用CT断层扫描，或非接触的三维扫描仪直接扫描测量，所述扫描精度优于0.02mm；步骤(1)所述原始数据格式为DICOM格式；步骤(2)所述三维CAD软件将所述原始数据转化为三维CAD模型，并进行二次加工，然后直接进行切片处理，所述切片处理过程不涉及STL格式数据；所述切片的二维CAD数据模型为CLI格式或SSL格式。

所述三维CAD软件可以采用Mimics软件。

步骤(4)所述分层快速扫描方法，具体包括以下步骤：

(4.1)通过上位机控制送粉及铺粉操作，进行石蜡粉末铺层；

(4.2)上位机根据所述扫描路径数据，控制激光扫描当前石蜡粉末铺层，将选区内的石蜡粉末完全熔化在基底上；

(4.3)反复进行步骤(4.1)及步骤(4.2)，直到完成最后一层石蜡粉末铺层的扫描。

所述基底有两种情况，当石蜡粉末铺层为第一层时，基底为选区激光熔化快速成型装置的成型缸，当石蜡粉末铺层为第一层外的其它层时，基底为已经熔化的前一层石蜡粉末层。

所述激光为波长10.6μm的CO2激光，其很容易被非金属材料吸收；为提高成型精度以及获得高的激光功率密度，采用TEM00的基模射频CO2激光，以保证光束质量因子M2≤1.2，同时考虑医用石蜡熔点低(52～55℃)以及减少设备重量及体积，激光功率≤10W。

所述石蜡粉末采用普通医用石蜡粉，粉末粒子尺寸≤20μm，以保证能配合铺粉精度及激光光斑直径。

实现上述医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法的装置，包括上位机、激光聚焦及扫描系统、粉末铺设系统，所述激光聚焦及扫描系统采用先扫描后聚焦方式，其包括依次光路连接的激光器、扩束镜、X轴扫描振镜、Y轴扫描振镜、聚焦透镜；所述激光器采用TEM00模的射频CO2激光器，输出功率≤10W，波长10.6μm，光束质量因子M2≤1.2，激光器输出光斑直径≤4mm；扩束镜的扩束倍数为5～8倍；X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜响应速度＜1ms；聚焦透镜为扫描范围≤100mm×100mm，焦距为70～150mm的CO2激光专用F-θ透镜。

为更好地实现本发明，所述粉末铺设系统包括成型缸、送粉装置、铺粉装置，所述上位机的控制模块与所述激光器、X轴扫描振镜、Y轴扫描振镜、成型缸的活塞伺服电机、送粉装置的步进电机、铺粉装置的步进电机分别驱动连接，所述铺粉装置设于成型缸内，送粉装置设于铺粉装置的上方。

所述成型缸的活塞与缸壁采用零接触设计，保证了升降运动不受活塞与缸壁的摩擦影响；所述活塞的活塞杆采用精度为±1μm的精密丝杆。

所述铺粉装置包括铺粉辊、两条直线运动导轨，所述铺粉辊为绕自身轴线作回转运动的滚辊，其架设在两条直线导轨上方，与工作台平面间无接触，铺粉辊与工作台平面的平行度误差在运动过程中稳定保持在±0.01mm以内，保证了其运动的平稳性。

本发明相对于现有技术具有如下优点和效果：

(1)医用植入体蜡模采用选区激光熔化原理成型，获得的蜡模实体组织致密，无需后续的渗蜡处理即可投入使用，既简化蜡模制造的工序，也节省成本。

(2)成型过程需采用到100μm以下的细微聚集CO2激光束，铺粉层厚≤50μm，这使得该方法能准确识别细微结构，可以成型具有复杂结构的医用植入体，成型后的蜡模尺寸精度可达±0.05mm，表面粗糙度可达30μm～50μm。

(3)成型过程无需预热、无需气氛保护，因而在成型室的结构设计上，省去了预热装置、隔热装置、供气装置及气密装置，大大缩减了成型室尺寸，有利于实现成型设备小型化。

(4)设备采用小型化及可视化设计：设备设计小巧轻便，可方便的搬运。控制系统、成型室、扫描系统等设备部件全集成在一个机架内部，并且专门针对石蜡粉末熔化成型医用植入体蜡模功能展开设计，无预热装置及隔热设计，无气体保护装置，无激光水冷系统(激光器采用风冷)，系统结构紧凑。成型室四壁材料为透明有机玻璃，既减轻了设备重量，也使设备更为美观，还方便用户查看成型过程，此外，还以液晶显示器为用户提供可视化操作，这大大方便了用户使用。

(5)为防止热变形，扫描速度超过1m/s，且由于粉末无需预热，因而成型效率非常高。

(6)采用具有能对DICOM格式数据进行三维重建以及直接切片功能的三维CAD软件(如Mimics)将DICOM格式的二维CT数据转化为三维实体模型进行二次加工，再直接切片为二维层片数据(CLI格式或SSL格式)，最后转化为扫描路径数据驱动设备，大大提高医生对病人诊治的灵活性，也大大提高数据处理精度。

附图说明

图1是本发明医用植入体蜡模选区激光熔化快速成型装置的工作原理图；

图2是本发明医用植入体蜡模选区激光熔化快速成型装置的结构示意图；

图3是图2所示医用植入体蜡模选区激光熔化快速成型装置的左视结构示意图；

图4是图2所示医用植入体蜡模选区激光熔化快速成型装置的A-A向结构示意图；

图5是图2所示医用植入体蜡模选区激光熔化快速成型装置的B-B向结构示意图；

图6是图5所示的G向结构示意图；

图7是图2所示C处局部放大结构示意图；

图8是图2所示D处局部放大结构示意图；

图9是图3所示E处局部放大结构示意图；

图10是图3所示F处局部放大结构示意图；

图11是图2所示送粉料斗14b的局部放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法的装置，包括上位机1、激光聚焦及扫描系统、粉末铺设系统，所述激光聚焦及扫描系统采用先扫描后聚焦方式，其包括依次光路连接的激光器3、扩束镜4、X轴扫描振镜5、Y轴扫描振镜6、聚焦透镜7；所述激光器3采用TEM00模的射频CO2激光器，输出功率≤10W，波长10.6μm，光束质量因子M2≤1.2，激光器输出光斑直径≤4mm；扩束镜4的扩束倍数为5～8倍；X轴扫描振镜5和Y轴扫描振镜6响应速度＜1ms；聚焦透镜7为扫描范围≤100mm×100mm，焦距为70～150mm的CO2激光专用F-θ透镜。激光从激光器3输出后，经扩束镜4扩束及经扫描振镜5、6后，照射在聚焦镜7上，然后在工作平面上聚焦，通过扫描振镜5、6的二维平面运动，实现激光光斑的精确定位。

根据公式： $D_{\min }\≈\frac{4\mathrm{\λ}{M}^{2}f}{\mathrm{\πn}{D}_0},$

其中，Dmin为聚焦光斑直径，M2为光束质量因子，λ为激光波长，n为扩束镜倍数，f为透镜焦距，本激光聚焦及扫描系统理论上可获得最小光斑直径为68μm的细微聚焦激光束，在聚焦平面上可获得超过2.0×105W/cm2的激光功率密度，这保证了在快速扫描情况下也能轻易熔化低熔点的石蜡材料。

本医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法的装置中，如图1、2所示，所述粉末铺设系统包括成型缸10、送粉装置14、铺粉装置11，所述上位机1的控制模块与所述激光器3、X轴扫描振镜5、Y轴扫描振镜6、成型缸10的伺服电机、送粉装置14的步进电机、铺粉装置11的步进电机分别驱动连接，所述铺粉装置11设于成型缸10内，送粉装置14设于铺粉装置11的上方。

如图1、2所示，所述成型缸10的活塞10d与缸壁10e采用零接触设计，保证了升降运动不受活塞10d与缸壁10e的摩擦影响；所述活塞10d的活塞杆采用精度为±1μm的精密丝杆。成型缸10的活塞10d的升降运动由伺服电机10a驱动封装在丝杆套10b里精度为±1μm的精密丝杆，以推动活塞10d升降实现。丝杆套10b通过缸盖10c固定在缸壁10e上面。从丝杆套10b伸出的丝杆端部通过螺纹与活塞10d连接。活塞10d的升降精度对成型精度起到关键作用，如图2的C处剖面放大即图7所示，为避免活塞10d的升降精度受与缸壁10e摩擦阻力影响，活塞10d与缸壁10e采用无接触设计，且活塞10d与缸壁10e间采用弹簧10f压紧牛皮10g以密封活塞10d与缸壁10e间的缝隙，以防止粉末13从缸内漏出。

如图2、3、5、6及图8、9、10的D处、E处、F处剖面所示，铺粉装置11由同步带驱动直线运动导轨11a、导轨驱动电机11b、无驱动直线运动导轨11c、铺粉小车11d组成。而铺粉小车又包括铺粉辊11d1、挡粉板11d2、小车横梁11d3、小车固定板11d4及11d5、滚动轴承11d7及11d12、铺粉辊驱动电机11d9、联轴器11d10、轴承安装座11d6及11d11、轴承端盖11d8、防尘密封圈11d13等零件。由于铺粉小车11d安装在两平行的精密直线运动导轨上，小车与工作台18平面(如图2所示)无接触，因而可以保证很高的运动平稳性，通过精心调节，可保证铺粉辊11d1与工作台18间的平行度误差在运动过程中稳定保持在±0.01mm以内。铺粉辊11d1通过两个滚动轴承11d7、11d12与小车横梁11d3连接，滚动轴承11d7、11d12外露部分都采用了防尘密封圈11d13，以防止蜡粉13进入轴承11d7及11d12影响铺粉精度。

铺粉辊驱动电机11d9通过联轴器11d10驱动铺粉辊11d1作回转运动，在铺粉过程中实现蜡粉的卷扬与辗压，挡粉板11d2起到阻挡卷起的粉末落到已铺好的粉末平面的作用。

铺粉装置11的运动与前述的成型缸10的精密升降运动相配合就可实现粉末的铺设运动，上述设计保证了设备具有优良的铺粉性能(粉层厚度均匀、表面平整)，石蜡粉末13铺层厚度≤50μm。

如图1、2、4及图11所示，送粉装置14由盛料斗14a、送粉器14b、下料筒14c组成。送粉器14b可通过安装在页轮轴上的步进电机实现定量粉末的输送，由于所采用的步进电机具有较大的定位转矩，当步进电机停止时，能将粉末封在送粉器14b与盛料斗14a之间的空腔内，防止粉末继续漏出。为保证页轮19与送粉器14b内壁不因摩擦而导致大的磨损量，从而影响密封性能，页轮19的每个页面未端都安装有耐磨橡胶垫板20，送粉器14b内壁也经过硬化处理，以提高耐磨性能。

为回收铺粉小车11d带到导轨行程末端的多余石蜡粉末，设备设计有一小巧的集粉漏斗15(如图2所示)，该漏斗15下部有一阀门装置21，当漏斗15盛满石蜡粉末后，可以将阀门21打开，对石蜡粉末13进行回收重用。

如图1、2所示，本装置的控制单元全都安装在控制柜16内，该控制柜16与设备其它部件都集成在一个机架17内，以节省设备空间，且机架17的成型室12的四壁材料为透明有机玻璃，既减轻了设备重量，也使设备更为美观，还方便用户查看成型过程。扫描振镜控制卡、电机驱动卡、电脑主机1b、激光直流电源都安放在控制柜16的三个相互隔离的小柜内，强电与弱电部分采用了严格的电磁兼容设计，采用安装在电脑主机的控制模块对激光器3、X轴扫描振镜5、Y轴扫描振镜6、成型缸10、送粉装置14、铺粉装置11进行集成协调控制。液晶显示器1a、电脑键盘、鼠标安放在设备上盖板上，用户可以很方便地对设备进行可视化操作。

如图1所示，本医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型装置，其进行制造医用植入体蜡模的工作过程是：

(1)采用CT断层扫描，或非接触的三维扫描仪直接扫描测量病人器官的外形结构数据，所述扫描精度优于0.02mm，获得医用植入体的原始DICOM格式数据；

(2)采用能对DICOM格式数据进行三维重建以及直接切片的三维CAD软件(如Mimics)将原始数据转化为三维CAD模型，并进行二次加工(如对牙科植入体添加正畸矫治器、对病变器官进行整形、去除多余的假牙等)，然后直接进行切片处理，切片处理过程不涉及STL格式数据，获得医用植入体的多层切片的二维CAD数据模型(CLI格式或SSL格式)；

(3)对所有切片的二维CAD数据模型进行扫描路径规划，得到医用植入体的扫描路径数据；

(4)将该医用植入体的扫描路径数据模型2导入到选区激光熔化快速成型装置的上位机1，然后采用分层快速扫描方法，对石蜡粉末13进行选区激光熔化快速成型，从而制得所述医用植入体蜡模9；

其中，激光8的聚焦光斑直径≤100μm，扫描速度＞1m/s，扫描范围≤100mm×100mm，所述石蜡粉末13铺层厚度≤50μm；所述激光为TEM00的基模射频CO2激光，激光功率≤10W，波长10.6μm，光束质量因子M2≤1.2；所述石蜡粉末13采用普通医用石蜡粉，粉末粒子尺寸≤20μm，以保证配合铺粉精度及激光光斑直径。

其中，步骤(4)所述分层快速扫描方法，具体包括以下步骤：

(4.1)通过上位机1控制送粉及铺粉操作，进行石蜡粉末铺层；

(4.2)上位机1根据所述扫描路径数据，控制激光8扫描当前石蜡粉末铺层，将选区内的石蜡粉末13完全熔化在基底上；基底有两种情况，当石蜡粉末铺层为第一层时，基底为选区激光熔化快速成型装置的成型缸，当石蜡粉末铺层为第一层外的其它层时，基底为已经熔化的前一层石蜡粉末层；

(4.3)反复进行步骤(4.1)及步骤(4.2)，直到完成最后一层石蜡粉末铺层的扫描。

(5)将医用植入体蜡模9取出，用毛刷轻轻清除干净粘附在上面的多余石蜡粉末13，得到可用于医用植入体的蜡模。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)测量病人器官的外形结构数据，作为制造相应医用植入体的原始数据；

(2)采用三维CAD软件将原始数据转化为三维CAD模型，并进行二次加工，然后再进行切片处理，从而获得医用植入体的多层切片的二维CAD数据模型；

(3)对所有切片的二维CAD数据模型进行扫描路径规划，得到医用植入体的扫描路径数据；

(4)将该医用植入体的扫描路径数据导入到选区激光熔化快速成型装置的上位机，然后采用分层快速扫描方法，对石蜡粉末进行选区激光熔化快速成型，从而制得所述医用植入体蜡模；其中，激光的聚焦光斑直径≤100μm，扫描速度＞1m/s，扫描范围≤100mm×100mm，所述石蜡粉末铺层厚度≤50μm；

(5)取出所述医用植入体蜡模，对其表面的多余蜡粉进行清理。

2.根据权利要求1所述医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法，其特征在于：步骤(1)所述病人器官的外形结构数据的测量采用CT断层扫描，或非接触的三维扫描仪直接扫描测量，所述扫描精度优于0.02mm；步骤(1)所述原始数据格式为DICOM格式；步骤(2)所述三维CAD软件将所述原始数据转化为三维CAD模型，并进行二次加工，然后直接进行切片处理，所述切片处理过程不涉及STL格式数据；所述切片的二维CAD数据模型为CLI格式或SSL格式。

3.根据权利要求2所述一种医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法，其特征在于：所述三维CAD软件为Mimics软件。

4.根据权利要求3任一项所述医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法，其特征在于步骤(4)所述分层快速扫描方法，具体包括以下步骤：

(4.1)通过上位机控制送粉及铺粉操作，进行石蜡粉末铺层；

(4.2)上位机根据所述扫描路径数据，控制激光扫描当前石蜡粉末铺层，将选区内的石蜡粉末完全熔化在基底上；

(4.3)反复进行步骤(4.1)及步骤(4.2)，直到完成最后一层石蜡粉末铺层的扫描。

5.根据权利要求4所述医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法，其特征在于：步骤(4.2)所述基底是指当石蜡粉末铺层为第一层时，基底为选区激光熔化快速成型装置的成型缸，当石蜡粉末铺层为第一层外的其它层时，基底为已经熔化的前一层石蜡粉末层。

6.根据权利要求4所述医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法，其特征在于：所述激光采用TEM00的基模射频CO2激光，激光功率≤10W，波长10.6μm，光束质量因子M2≤1.2。

7.根据权利要求4所述医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法，其特征在于：所述石蜡粉末采用普通医用石蜡粉，粉末粒子尺寸≤20μm。

8.实现权利要求1-7任一项所述医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型方法的医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型装置，包括上位机、激光聚焦及扫描系统、粉末铺设系统，其特征在于：所述激光聚焦及扫描系统采用先扫描后聚焦方式，其包括依次光路连接的激光器、扩束镜、X轴扫描振镜、Y轴扫描振镜、聚焦透镜；所述激光器采用TEM00模的射频CO2激光器，输出功率≤10W，波长10.6μm，光束质量因子M2≤1.2，激光器输出光斑直径≤4mm；扩束镜的扩束倍数为5～8倍；X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜响应速度＜1ms；聚焦透镜为扫描范围≤100mm×100mm，焦距为70～150mm的CO2激光专用F-θ透镜。

9.根据权利要求8所述医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型装置，其特征在于：所述粉末铺设系统包括成型缸、送粉装置、铺粉装置，所述上位机的控制模块与所述激光器、X轴扫描振镜、Y轴扫描振镜、成型缸的活塞伺服电机、送粉装置的步进电机、铺粉装置的步进电机分别驱动连接，所述铺粉装置设于成型缸内，送粉装置设于铺粉装置的上方。

10.根据权利要求9所述医用植入体蜡模的选区激光熔化快速成型装置，其特征在于：所述成型缸的活塞与缸壁采用零接触设计；所述活塞的活塞杆采用精度为±1μm的精密丝杆；所述铺粉装置包括铺粉辊、两条直线运动导轨，所述铺粉辊为绕自身轴线作回转运动的滚辊，其架设在两条直线导轨上方，与工作台平面间无接触，铺粉辊与工作台平面的平行度误差为±0.01mm以内。

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