CN104814808B

CN104814808B - 一种光固化三维打印矫形器复合加工方法

Info

Publication number: CN104814808B
Application number: CN201510160445.0A
Authority: CN
Inventors: 徐铭恩; 王玲; 陈阳
Original assignee: Hangzhou Jienuofei Biotechnology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou giantlok fly biological Polytron Technologies Inc
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2035-04-07
Also published as: CN104814808A

Abstract

本发明公开一种光固化三维打印矫形器复合加工方法。该方法是在矫形器的数字模型设计阶段，将矫形器壁厚设置为0.7～1.0mm，通过三维打印工艺打印成型；矫形器SLA壳体的内侧涂覆脱模剂作为脱模层，灌入半水纤维石膏固化后作为内部支撑；在矫形器SLA壳体外侧涂覆树脂纤维覆层，形成复合加固层；最后加温使树脂纤维覆层固化，去除石膏支撑即可。本发明克服了单纯SLA材料易老化脆裂、材料成本偏高、受热易变形的问题；光固化原料的用料减少了40～65%，树脂与纤维价格的低廉使成本大为降低；复合加工后的矫形器软化温度提高了15～25℃不等。复合加工材料具有良好的韧性，与单纯SLA材料相比加载性能提升了3～5倍。

Description

一种光固化三维打印矫形器复合加工方法

技术领域

本发明涉及复合加工技术，具体涉及一种针对使用立体光固化快速成型（SLA）工艺生产的矫形器的纤维树脂复合加工方法。

背景技术

矫形器，是指装配于人体四肢、躯干等部位的体外器具的总称，根据安装部位，矫形器可分为上肢矫形器、下肢矫形器和脊柱矫形器这三大类，其目的是为了预防或矫正四肢、躯干的畸形或治疗骨关节及神经肌肉疾病并补偿其功能。其功能主要包括以下几个方面：

（1）稳定与支持：通过限制肢体或躯干的异常运动来保持关节的稳定性，恢复承重或运动能力。

（2）固定与矫正：对已出现畸形的肢体或躯干，通过固定病变部位来矫正畸形或防止畸形加重。

（3）保护与免负荷：通过固定病变的肢体或关节，限制其异常活动，保持肢体、关节的正常对线关系，对下肢承重关节可以减轻或免除长轴承重。

（4）代偿与助动：通过某些装置如橡皮筋、弹簧等来提供动力或储能，代偿已经失去的肌肉功能，或对肌力较弱部分给予一定的助力来辅助肢体活动或使瘫痪的肢体产生运动。

矫形器的三维打印制备方法，是指通过三维扫描、数字修复和三维打印技术制备矫形器，有别于传统矫形器的生产工艺，三维打印制备方法通过三维扫描替代石膏翻模倒模的人工取形过程、通过对扫描文件的数字化处理修复替代人工石膏修形过程、通过三维打印快速制造替代热塑板材抽真空成型剪裁过程，具有取形便捷、修形准确、生产迅速的特点。其制备方法主要包括以下几个步骤：

（1）通过三维扫描设备扫描待矫正部位，记录待矫正部位的三维扫描数据。

（2）通过三维软件对扫描得到的三维模型进行数据处理，得到具有矫形功能的矫形器数字三维模型。

（3）通过三维打印工艺将矫形器数字三维模型打印成型。

立体光固化快速成型（SLA）工艺采用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降平台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面.这样层层叠加构成一个三维实体。

目前，采用立体光固化快速成型（SLA）技术生产的三维矫形器具有以下缺点：

1、光固化材料在固化后易老化。SLA产品在20℃室温时静置12小时便开始老化，遭受阳光照射的SLA产品会有更短的老化时间和更剧烈的老化程度。相同厚度的矫形器，老化后的SLA矫形器抗折断能力较未老化的SLA产品下降了15%至30%，较传统聚丙烯材料下降了30%至60%。老化脆裂后的矫形器会在断裂处产生小片碎块，容易刺伤划伤患者。

2、光固化材料成本高。通过增加厚度所生产的矫形器避免了老化脆裂的问题，但其生产成本极高。相同厚度的矫形器,光固化材料成本是传统聚丙烯板材的25至40倍，加厚1至1.5倍的矫形器，其光固化材料成本是原厚度传统聚丙烯材料成本的90至120倍。并且，加厚生产的矫形器较传统材料矫形器重量增加了1.5至2.5倍，不方便患者使用。

3、SLA产品受热易软化变形。当温度达到50℃时，SLA产品受外部压力作用便可产生形变；当温度达到70℃时，SLA产品软化失去固定支撑能力。

发明内容

本发明的目的是为克服采用立体光固化快速成型（SLA）工艺生产的三维打印矫形器的易老化、材料成本高、不耐热的缺点，提供一种SLA矫形器复合加工方法，该方法通过改变SLA矫形器的设计，减小厚度节约材料，在SLA矫形器的成品上涂覆纤维、树脂，避免老化,增强产品强度。

本发明提供了一种SLA矫形器的复合加工方法，包括如下步骤：

步骤（1）、在矫形器的数字模型设计阶段，将矫形器壁厚设置为0.7～1.0mm，通过三维打印工艺打印成型，得到矫形器SLA打印产品壳体；

步骤（2）、在步骤（1）得到的矫形器SLA打印产品壳体的内侧涂覆厚度为0.1mm脱模剂作为脱模层，然后灌入半水纤维石膏固化后作为内部支撑；

所述的脱模剂可以选择为凡士林，因其便宜易用，节约成本；

步骤（3）、在矫形器SLA打印产品壳体外侧涂覆树脂纤维覆层，形成复合加固层；

所述的树脂纤维覆层涂覆方法是使用环氧树脂浸润纤维布，将纤维布包覆在SLA壳体外侧并通过抚平挤出间隙中的气泡；每层纤维布确认贴合后将下一层纤维布浸润、包覆、抚平，如此往复，直至按矫形器需求包覆上所需的纤维布数量；

步骤（4）、将步骤（3）复合加工后的矫形器放置于烘箱内加温使树脂纤维覆层固化，固化后去除内部半水纤维石膏支撑取得复合加工的矫形器成品。

步骤（1）中，0.7至1.0mm的壁厚设置即表示矫形器壁厚减小至原设计标准的40～50%。重新设计壁厚的产品材料用量减少了40～65%，韧性提升30～55%，产品更轻，抗折断能力更强。

步骤（2）中，灌入的半纤维石膏固化后作为内部支撑，在后续的涂覆及加热操作中对SLA壳体——树脂纤维敷层进行内部造型，保持矫形器形状。

步骤（3）中，根据矫形器的使用需要选择不同的环氧树脂作为涂覆材料，丙烯酸酯类树脂具有良好的生物相容性，双酚A类环氧树脂具有更好的韧性及耐磨性。根据矫形器类别的不同，可选择不同的纤维层布进行包覆。对于非承重类的矫形器，例如对掌矫形器、手臂矫形器，仅需使用1至2层厚度为0.12～0.20mm玻璃纤维层布进行包覆即可；对于承重类矫形器，例如踝足矫形器、腰骶矫形器，需要3至4层400g/m²的加厚玻璃纤维或多层200 g/m²的碳纤维进行包覆。对于有固定需求、抗冲击需求的矫形器，可采用不同类型的纤维层布混合包覆。

步骤（4）中，根据涂覆的环氧树脂型号与纤维层数确定具体烘箱的加温温度与烘烤时间。环氧丙烯酸酯类树脂需要70℃至80℃的固化温度，双酚A型环氧树脂需要60℃至70℃的固化温度。1至3层纤维布仅需30至40分钟便可完成固化，更多层的覆层根据具体情况需将烘烤时间控制在40至60分钟不等。

利用上述工艺制备加工得到的矫形器，既具有三维扫描取形便捷、数字修复矫形精确、生产成形快速等优点，又克服了单纯SLA材料易老化脆裂、材料成本偏高、受热易变形的问题。光固化原料的用料减少了40～65%，树脂与纤维价格的低廉使成本大为降低。复合加工后的矫形器软化温度提高了15～25℃不等。复合加工材料具有良好的韧性，与单纯SLA材料相比加载性能提升了3～5倍，对于多层纤维加厚的产品，其抗折断能力与传统聚乙烯、聚丙烯板材一致。由于纤维树脂的复合包覆加工，矫形器即便发生断裂，也不会有碎片产生。

附图说明

图1是本发明的三维扫描示意图；其中1.三维扫描仪，2.待扫描肢体，3.扫描所得手臂数据，4.扫描所得腿脚数据；

图2是本发明的三维数字修复示意图；其中5.计算机软件处理，6.踝足矫形器三维模型，7.手臂矫形器三维模型；

图3是本发明的SLA三维打印示意图；其中8.SLA三维打印机生产，9.踝足矫形器SLA壳体，10.手臂矫形器SLA壳体；

图4是本发明的复合加工示意图；其中11.踝足矫形器加入石膏支撑、涂覆玻璃纤维与树脂操作，12. 手臂矫形器加入石膏支撑、涂覆玻璃纤维与树脂操作；

图5是本发明的固化加工意图；其中13.烘箱加温固化14.经过复合加工的SLA踝足矫形器成品，15. 经过复合加工的SLA手臂矫形器成品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1

通过操作Artec 3D公司的Artec Eva手持式人体扫描仪三维扫描仪（1），对患者需矫形部位，即待扫描肢体（2）进行三维扫描，扫描得到患者需要矫形的踝足部位（4）三维扫描数据，如图1所示。

通过使用Materialise公司的Magics软件处理（5）扫描所得到的肢体数据，如图2所示，对所需要矫形的肢体进行外形修复、形态矫正等操作并进行抽壳，得到壁厚1mm，具有符合人体工程学需求的踝足矫形器三维模型（6）。

将踝足矫形器三维模型输入SHINING 3D公司的iSLA-650光固化快速成型打印机中，采用Somos GP Plus材料，通过立体光固化快速成型技术三维打印生产（8），得到踝足矫形器SLA壳体（9），如图3所示。

在踝足矫形器SLA壳体内侧涂覆0.1mm的凡士林（脱模剂），灌入半水纤维石膏固化作为内部支撑。

在矫形器壳体外侧以环氧丙烯酸酯作为粘合剂，涂覆3层400g/m²的斜纹玻璃纤维布，形成复合加固层（11）：具体操作是使用环氧丙烯酸酯浸润斜纹玻璃纤维布，将第一层斜纹玻璃纤维布包覆在SLA壳体外侧并通过抚平挤出间隙中的气泡，确认贴合后将第二层斜纹玻璃纤维布浸润、包覆、抚平，确认贴合后将第三层斜纹玻璃纤维布浸润、包覆、抚平，最终在矫形器壳体外侧复合加固层（11）。

将经过复合加工的SLA踝足矫形器半成品放入烘箱内加温至80℃保持35分钟，使树脂纤维覆层固化（13），固化后去除内部石膏支撑，取得经过复合加工的SLA踝足矫形器成品（14），如图5所示。

实施例2

通过操作3D Systems公司的Sense手持式人体扫描仪三维扫描仪（1），对患者需矫形部位，即待扫描肢体（2）进行三维扫描，扫描得到患者需要矫形的手臂部位（3）三维扫描数据，如图1所示。

通过使用Materialise公司的Magics软件处理（5）扫描所得到的肢体数据，如图2所示，对所需要矫形的肢体进行外形修复、形态矫正等操作并进行抽壳，得到壁厚0.7mm，具有符合人体工程学需求的手臂矫形器三维模型（7）。

将手臂矫形器三维模型输入SHINING 3D公司的iSLA-650光固化快速成型打印机中，采用Somos GP Plus材料，通过立体光固化快速成型技术三维打印生产（8），得到手臂矫形器SLA壳体（10），如图3所示。

在手臂矫形器SLA壳体内侧涂覆厚度0.1mm的凡士林（脱模剂），灌入半水纤维石膏固化作为内部支撑。

在矫形器壳体外侧以E-51环氧树脂作为粘合剂，涂覆2层0.18mm厚度的斜纹玻璃纤维布，形成复合加固层（12）：具体操作是使用E-51环氧树脂浸润斜纹玻璃纤维布，将第一层斜纹玻璃纤维布包覆在SLA壳体外侧并通过抚平挤出间隙中的气泡，确认贴合后将第二层斜纹玻璃纤维布浸润、包覆、抚平，最终在矫形器壳体外侧复合加固层（12）。将经过复合加工的SLA手臂矫形器半成品放入烘箱内加温至70℃保持30分钟，使树脂纤维覆层固化（13），固化后去除内部石膏支撑，取得经过复合加工的SLA手臂矫形器成品（15），如图5所示。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种光固化三维打印矫形器复合加工方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤(1)、在矫形器的数字模型设计阶段，将矫形器壁厚设置为0.7～1.0mm，通过三维打印工艺打印成型，得到矫形器SLA打印产品壳体；

步骤(2)、在步骤(1)得到的矫形器SLA打印产品壳体的内侧涂覆脱模剂作为脱模层，然后灌入半水纤维石膏固化后作为内部支撑；

步骤(3)、在矫形器SLA打印产品壳体外侧涂覆树脂纤维覆层，形成复合加固层；

所述的树脂纤维覆层包括环氧树脂、纤维布层，其中环氧树脂作为粘合剂；

步骤(4)、将步骤(3)复合加工后的矫形器放置于烘箱内加温使树脂纤维覆层固化，固化后去除内部半水纤维石膏支撑取得复合加工的矫形器成品。

2.如权利要求1所述的一种光固化三维打印矫形器复合加工方法，其特征在于步骤(2)所述的脱模剂厚度为0.1mm。

3.如权利要求1所述的一种光固化三维打印矫形器复合加工方法，其特征在于步骤(2)所述的脱模剂为凡士林。

4.如权利要求1所述的一种光固化三维打印矫形器复合加工方法，其特征在于步骤(3)所述的树脂纤维覆层的涂覆方法是使用环氧树脂浸润纤维布，将纤维布包覆在SLA壳体外侧并通过抚平挤出间隙中的气泡；每层纤维布确认贴合后将下一层纤维布浸润、包覆、抚平，如此往复，直至按矫形器需求包覆上所需的纤维布数量。