CN106827500A - 一种头盖骨替代物多自由度3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种头盖骨替代物多自由度3D打印方法，采用熔融沉积成型技术打印出具有一定生物性能和力学性能的头盖骨替代物。包括：对头盖骨进行三维成像，得到头盖骨的几何尺寸原始数据；建立头盖骨的三维模型；将三维模型按照头盖骨形状进行分层，转化为截面数据；选择打印材料；设置打印参数；进行多自由度3D打印。打印时沿经线和纬线方向交替打印,每一层都按照头盖骨的轮廓方向进行打印。本发明采用多自由度机械手装置，可以实现任意角度和任意运动轨迹的3D打印，提高头盖骨替代物的力学性能。本发明可以精确控制打印过程中每一层的形状和打印方向，提高打印精度，实现具有特定力学性能的头盖骨替代物的快速制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印方法，特别涉及一种头盖骨替代物多自由度3D打印方法。
背景技术
头盖骨对于保护大脑、维持人的生命安全具有至关重要的作用。全世界每年由于车祸和运动导致的脑损伤事故达数百万件。头盖骨替代物的研究，存在着巨大的潜在用户，应用市场前景广泛。
快速成型技术的医学应用是现代医学与制造技术相结合的发展趋势，已成为国内外研究的热点问题之一。熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)是最成熟，也是发展最快的成型技术。其加工原理为：首先通过送丝机构不断送丝，打印丝材在加热室加热到熔融状态并从喷头喷出，之后迅速凝固成型，最后经过层层的堆叠而形成工件。FDM造型技术具有以下优点：设备维护简单，运行成本低；成型材料便于保存和更换；后处理简单。一般的FDM装置打印的每一层都是在平面之内，难以满足不同结构力学性能的要求。为了提高FDM打印的力学性能，有必要发明一种新型打印方法。
发明内容
为了克服FDM制造方法存在的缺陷或不足，本发明提出一种头盖骨替代物多自由度3D打印方法。本发明采用多自由度机械手装置，可以实现任意角度和任意运动轨迹的3D打印，提高头盖骨替代物的力学性能。打印过程中每一层都按照头盖骨的轮廓方向进行打印。可以精确控制形状和打印方向，提高打印精度，实现具有特定力学性能的头盖骨替代物的快速制造。
本发明通过下述技术方案来实现，它主要包括：
一种头盖骨替代物多自由度3D打印方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：用CT对患者头盖骨进行数据采集，得到头盖骨的几何尺寸原始数据；
步骤二：用Mimics软件建立头盖骨的三维模型；
步骤三：将三维模型按照头盖骨形状进行分层，转化为截面数据；
步骤四：选择打印材料；
步骤五：选择打印参数；
步骤六：进行多自由度3D打印。
所述打印材料为金属、金属合金或塑料，直径为1～2mm。
按照头盖骨轮廓方向进行分层，分层厚度为0.1～0.3mm。
打印速度为10～50mm/s。
打印机构为多自由度机械手装置，可以实现任意角度和任意运动轨迹的3D打印。
喷嘴打印温度和环境温度可以调节。
喷嘴处可以添加冷却装置。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.多自由度机械手装置，可以实现任意角度和任意运动轨迹的3D打印。
2.可以精确地控制丝材的打印方向，与传统FDM工艺相比，能够打印出更好机械性能的零件。
3.由平面分层转化为三维立体分层，减少了零件的制造时间。
附图说明
图1是多自由度3D打印流程图。
图2是头盖骨打印路径示意图。
其中：1.喷嘴，2.打印路径。在相邻两层打印过程中，沿经线和纬线交替打印。
具体实施方式
本发明利用CT技术采集患者的头盖骨数据，之后将二维切片数据转化为三维立体数据，将三维模型按照头盖骨形状进行分层，转化为截面数据，再进行多自由度3D打印。
图1所示，一种头盖骨替代物多自由度3D打印方法，包含以下步骤：
步骤一：利用CT等成像技术对头盖骨修复患者进行扫描，通过逆向反求重构头盖骨缺失部分模型，得到头盖骨的几何尺寸原始数据；
步骤二：用Mimics软件建立头盖骨的三维模型；
步骤三：将三维模型按照头盖骨形状进行分层，转化为截面数据；
步骤四：选择打印材料：直径为1.75mm的聚醚醚酮(PEEK)。PEEK材料无毒、质轻、强度高、耐腐蚀，具有优异的生物相容性。因此，PEEK材料被广泛地应用到于医疗领域。
步骤五：选择打印参数：分层厚度为0.2mm，打印速度为30mm/s。可以设计实验，研究不同打印参数对力学性能的影响，得到最优的打印参数。
步骤六：进行多自由度3D打印。如图2所示，打印时沿经线和纬线方向交替打印，提高头盖骨替代物的力学性能。打印路径的选取对打印件力学性能有较大的影响，合理规划打印路径可以提高打印件的力学性能。
打印机构为多自由度机械手装置，可以实现任意角度和任意运动轨迹的3D打印。喷嘴打印温度和环境温度可以调节。喷嘴处可以添加冷却装置，防止喷嘴堵塞。
本发明可以精确控制打印过程中每一层的形状和打印方向，提高打印精度，实现具有特定力学性能的头盖骨替代物的快速制造。沿头盖骨方向进行分层，可以提高打印效率，节约打印时间。
Claims (6)
1.一种头盖骨替代物多自由度3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：用CT对患者头盖骨进行数据采集，得到头盖骨的几何尺寸原始数据；
步骤二：用Mimics软件建立头盖骨的三维模型；
步骤三：将三维模型按照头盖骨形状进行分层，转化为截面数据；
步骤四：选择打印材料，金属、金属合金或塑料；
步骤五：选择打印参数，如分层厚度为0.1～0.5mm，打印速度为10～50mm/s；
步骤六：进行多自由度3D打印。
2.如权利要求1所述的一种头盖骨替代物多自由度3D打印方法，其特征在于：步骤四中所述打印材料直径为0.5～2mm。
3.如权利要求1所述的一种头盖骨替代物多自由度3D打印方法，其特征在于：打印机构为多自由度机械手装置，可以实现任意角度和任意运动轨迹的3D打印。
4.如权利要求1所述的一种头盖骨替代物多自由度3D打印方法，其特征在于：喷嘴打印温度可以调节。
5.如权利要求1所述的一种头盖骨替代物多自由度3D打印方法，其特征在于：环境温度可以调节。
6.如权利要求1所述的一种头盖骨替代物多自由度3D打印方法，其特征在于：喷嘴处可以添加冷却装置。
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