CN114347434A - 一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置，包括压模机和热风箱，热风箱内设有与压模机相对应的模架；所述模架包括相连接的上模板、导向柱和下模板，下模板固定连接于热风箱底部，上模板与压模机相连，且上模板在压模机作用下架空设置；所述导向柱竖直设置，上模板滑动连接于导向柱上；所述下模板上设有凹模，上模板上设有与凹模相对应的凸模；所述热风箱内设有温度监控模块；与现有技术相比，针对颅骨缺损区域，根据对侧镜像和曲面拟合的方法，重建缺损区域，设计个性化的颅骨修补片，相较于标准钛网在手术过程中进行弯折成型的植入体，个性化补片更利于术后患者恢复原来的外面形状，更加美观。
Description
技术领域
本发明涉及颅骨修复技术领域，具体涉及一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置及其成型方法。
背景技术
颅骨修补术是脑外科常见的一种手术，颅骨损伤、发育畸形等对患者造成极大的伤害，严重影响患者的外貌美观和正常的社会活动。由于个体差异巨大，颅骨植入体除了对生物相容性和机械性能有着严格的要求外，对形状个性化的需求也较高。
传统的颅骨缺损修补主要采用钛网修补片，由于钛网具有良好的生物相容性、易加工成型、优良的机械性能且价格较为低廉等优点，以钛网作为修补材料一直是目前临床手术上的首选方式。但是钛网植入物也存在缺点，其弹性模量远高于骨骼，容易造成应力屏蔽现象，由此可能引发骨吸收松动，造成植入体脱落；钛网是金属材料，大面积的钛修补片在医学影像上存在严重的伪影问题，对术后诊断造成干扰。除了钛网植入体，自体骨、异体骨、聚甲基丙烯酸甲酯、羟基磷灰石等材料也都被用于颅骨修补的植入材料，但这些材料也都存在诸如组织来源有限、不易塑性、强度低、植入后存在免疫排斥反应、感染率高等问题，因此也未能成为主流的颅骨修补材料。
由于现有材料存在的缺陷，人们将目光转向一种新型的高分子材料——聚醚醚酮，其具有生物相容性好；力学性能好，弹性模量与人骨骼相近，不存在应力屏蔽问题；医学影像上不存在伪影问题；化学性能稳定等多方面优点。因此PEEK在医疗领域的应用也越来越广泛。但PEEK熔点高达343℃，使得目前只能采用数控加工或增材制造的办法进行加工，但由于颅骨形状曲率较大的特点，使用增材制造成型曲面，强度较低；使用数控加工成型颅骨修补片，则会造成大量材料浪费，且PEEK材料价格非常昂贵，因此制造成本极高，目前使用进口PEEK颅骨修补片进行缺损颅骨修补，材料费用经常超过10万元人民币，过高的使用成本阻碍了它在医疗领域的发展。
聚醚酮酮与聚醚醚酮同属聚芳醚酮材料，研究表明，相较于PEEK，PEKK有着更优异的机械性能、生物性能以及化学稳定性，将其应用于颅骨缺损修复是一种理想的材料。
发明内容
本发明是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种保证修补片强度、降低材料损失、降低使用成本的聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置及其成型方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置，包括压模机和热风箱，热风箱内设有与压模机相对应的模架；所述模架包括相连接的上模板、导向柱和下模板，下模板固定连接于热风箱底部，上模板与压模机相连，且上模板在压模机作用下架空设置；所述导向柱竖直设置，上模板滑动连接于导向柱上；所述下模板上设有凹模，上模板上设有与凹模相对应的凸模；所述热风箱内设有温度监控模块。
作为本发明的一种优选方案，所述压模机包括压头和底板，热风箱放置于底板上，压头与上模板相连接。
作为本发明的一种优选方案，所述上模板和下模板之间设有4根导向柱，上模板和下模板尺寸相一致，导向柱连接于上模板和下模板的边角处，且导向柱底部与下模板过盈配合，上模板与导向柱间隙配合。
作为本发明的一种优选方案，所述下模板上形成有与凹模相对应的安装孔，同理上模板上也形成有与凸模相对应的安装孔。
作为本发明的一种优选方案，所述热风箱两侧形成有相对设置的热风口，热风箱内设有与热风口相连筒的流道，流道环绕热风箱内部设置，流道上形成有等距排布的出风口。
作为本发明的一种优选方案，所述热风箱两侧还形成有相对设置的散热口，散热口位于热风口下方。
作为本发明的一种优选方案，所述温度监控模块包括测温触头、热电偶模块、单片机、计算机和热成像仪，热成像仪放置于保温箱正前方，测温触头安装于凹模或凸模上，测温触头、热电偶模块、单片机和计算机依次电性连接。
一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置的成型方法，包括以下步骤：
步骤A：针对缺损颅骨的轮廓，基于镜像对称、曲面拟合的方法，重建颅骨并提取修复缺损部位的修补片三维模型，并将修补片的外表面单独提取，进行网格光滑处理；
步骤B：将修补片模型的外表面在三维建模软件中向下拉伸形成凹模，再将修补片模型的外表面向内缩小并向上拉伸形成凸模，并且设计与凹模和凸模相对应的模架；
步骤C：将凹模和凸模的三维模型输入到3D打印机的控制电脑，进行打印成型，打印成型后，将打印的凹模和凸模通过线切割去除支撑使其脱离基板，并进行打磨和抛光处理；
步骤D：在压模成型前，将压模机、热风箱和模架进行组装，将凹模和凸模安装在模架上，并将模架放入热风箱中，将热风箱放置在压模机的底板合适位置，并且将上模板在热风箱中与压模机的压头进行固定，下模板与热风箱底板进行固定，至此完成压模准备；
步骤E：将PEKK平板放在凹模之上，在热风箱两侧的热风输入口放置两个热风枪，根据所需的成型温度，调整热风枪的功率，通过流道，向热风箱内吹入热风，使得热风箱环境温度达到所需成型温度；
步骤F：当热风箱内的温度达到目标压模温度时，通过控制压模机面板上的压模程序，进行PEKK颅骨修补片的压模成型，当压模完成之后，待热风箱冷却后，取出成型好的颅骨修补片，并进行边缘剪裁，则一个缺损颅骨的修补片成型完毕。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤F在压模过程中，凹模或凸模上提前安装有测温触头，测温触头引导至热风箱外部，经过热电偶模块将电压信号转换成PLC能识别的模拟量，再用单片机通过模拟数据换算程序将模拟量转成温度数据，最后在计算机上通过串口实时显示温度数据。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤F在压模过程中，保温箱正前方放置热成像仪对准整个保温箱进行温度监控，实时反映保温箱内整体的温度场是否均匀。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、针对颅骨缺损区域，根据对侧镜像和曲面拟合的方法，重建缺损区域，设计个性化的颅骨修补片，相较于标准钛网在手术过程中进行弯折成型的植入体，个性化补片更利于术后患者恢复原来的外面形状，更加美观；
2、针对现有钛网植入体的应力屏蔽问题，采用更适合植入的聚醚酮酮材料制作颅骨修补片，更利于提高手术成功率；
3、针对目前聚芳醚酮材料成型困难的问题，设计高温压模成型的方法，在保证成型后颅骨修补片的机械性能的基础上，大大降低材料的浪费，减小患者手术成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是热风箱的结构示意图；
图3是模架的结构示意图；
图4是修补片的设计示意图；
附图标记：压模机1，底板1-1，压头1-2，热风箱2，模架3，下模板3-1，上模板3-2，导向柱3-3，安装孔3-4，缺损颅骨4，修补片5，凸模6，凹模7。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
如图1-4所示，一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置，包括压模机1和热风箱2，热风箱2内设有与压模机1相对应的模架3；所述模架3包括相连接的上模板3-2、导向柱3-3和下模板3-1，下模板3-1固定连接于热风箱2底部，上模板3-2与压模机1相连，且上模板3-2在压模机1作用下架空设置；所述导向柱3-3竖直设置，上模板3-2滑动连接于导向柱3-3上；所述下模板3-1上设有凹模7，上模板3-2上设有与凹模7相对应的凸模6；所述热风箱2内设有温度监控模块。
压模机1包括压头1-2和底板1-1，热风箱2放置于底板1-1上，压头1-2与上模板3-2相连接。
上模板3-2和下模板3-1之间设有4根导向柱3-3，上模板3-2和下模板3-1尺寸相一致，导向柱3-3连接于上模板3-2和下模板3-1的边角处，且导向柱3-3底部与下模板3-1过盈配合，上模板3-2与导向柱3-3间隙配合。
上模板3-2和下模板3-1均为水平设置的矩形结构，导向柱3-3底部与下模板3-1在过盈配合的作用下固定连接，上模板3-2与导向柱3-3在间隙配合的作用下滑动连接，导向柱3-3起到对上模板3-2的导向作用，上模板3-2和下模板3-1上均形成有与导向柱3-3相对应的通孔。
下模板3-1上形成有与凹模7相对应的安装孔3-4，同理上模板3-2上也形成有与凸模6相对应的安装孔3-4。
热风箱2两侧形成有相对设置的热风口2-1，热风箱2内设有与热风口2-1相连筒的流道2-2，流道2-2环绕热风箱2内部设置，流道2-2上形成有等距排布的出风口2-3，对凹模7和凸模6及聚醚酮酮材料进行加热，使得温度场更加的均匀。为了降低热风箱2与外界的导热，在热风箱2表面利用复合硅酸盐保温材料进行保温。
热风箱2两侧还形成有相对设置的散热口2-4，散热口2-4位于热风口2-1下方。
热风箱2的设计需要在尺寸上保证压模机1的压头1-2的置入，并且需要兼顾加热效率以及热风箱2内的热场均匀性。
温度监控模块包括测温触头、热电偶模块、单片机、计算机和热成像仪，热成像仪放置于保温箱正前方，测温触头安装于凹模7或凸模6上，测温触头、热电偶模块、单片机和计算机依次电性连接。
一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置的成型方法，包括以下步骤：
步骤A：针对缺损颅骨4的轮廓，基于镜像对称、曲面拟合的方法，重建颅骨并提取修复缺损部位的修补片5三维模型，并将修补片5的外表面单独提取，进行网格光滑处理。
步骤B：将修补片5模型的外表面在三维建模软件中向下拉伸形成凹模7，再将修补片5模型的外表面向内缩小并向上拉伸形成凸模6，并且设计与凹模7和凸模6相对应的模架3。
具体的，将修补片5模型的外表面在三维建模软件中向下拉伸35mm，形成凹模7，再将外表面向内缩小2mm，并向上拉伸35mm，形成凸模6。
步骤C：将凹模7和凸模6的三维模型输入到3D打印机的控制电脑，进行打印成型，打印成型后，将打印的凹模7和凸模6通过线切割去除支撑使其脱离基板，并进行打磨和抛光处理；
具体的，将凹模7和凸模6的三维模型输入到SLS金属熔融3D打印机的控制电脑，利用316L不锈钢粉末进行SLS打印成型。
步骤D：在压模成型前，将压模机1、热风箱2和模架3进行组装，将凹模7和凸模6安装在模架3上，并将模架3放入热风箱2中，将热风箱2放置在压模机1的底板1-1合适位置，并且将上模板3-2在热风箱2中与压模机1的压头1-2进行固定，下模板3-1与热风箱2底板1-1进行固定，至此完成压模准备；
步骤E：将PEKK平板放在凹模7之上，在热风箱2两侧的热风输入口放置两个热风枪，根据所需的成型温度，调整热风枪的功率，通过流道2-2，向热风箱2内吹入热风，使得热风箱2环境温度达到所需成型温度；
步骤F：当热风箱2内的温度达到目标压模温度时，通过控制压模机1面板上的压模程序，进行PEKK颅骨修补片5的压模成型，当压模完成之后，待热风箱2冷却后，取出成型好的颅骨修补片5，并进行边缘剪裁，则一个缺损颅骨4的修补片5成型完毕。
在压模过程中，凹模7或凸模6上提前安装有测温触头，测温触头引导至热风箱2外部，经过热电偶模块将电压信号转换成PLC能识别的模拟量，再用单片机通过模拟数据换算程序将模拟量转成温度数据，最后在计算机上通过串口实时显示温度数据。
在压模过程中，保温箱正前方放置热成像仪对准整个保温箱进行温度监控，实时反映保温箱内整体的温度场是否均匀。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记：压模机1，底板1-1，压头1-2，热风箱2，模架3，下模板3-1，上模板3-2，导向柱3-3，安装孔3-4，缺损颅骨4，修补片5，凸模6，凹模7等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (10)
1.一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置，包括压模机（1）和热风箱（2），热风箱（2）内设有与压模机（1）相对应的模架（3）；其特征在于，所述模架（3）包括相连接的上模板（3-2）、导向柱（3-3）和下模板（3-1），下模板（3-1）固定连接于热风箱（2）底部，上模板（3-2）与压模机（1）相连，且上模板（3-2）在压模机（1）作用下架空设置；所述导向柱（3-3）竖直设置，上模板（3-2）滑动连接于导向柱（3-3）上；所述下模板（3-1）上设有凹模（7），上模板（3-2）上设有与凹模（7）相对应的凸模（6）；所述热风箱（2）内设有温度监控模块。
2.根据权利要求1所述的一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置，其特征在于，所述压模机（1）包括压头（1-2）和底板（1-1），热风箱（2）放置于底板（1-1）上，压头（1-2）与上模板（3-2）相连接。
3.根据权利要求1所述的一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置，其特征在于，所述上模板（3-2）和下模板（3-1）之间设有4根导向柱（3-3），上模板（3-2）和下模板（3-1）尺寸相一致，导向柱（3-3）连接于上模板（3-2）和下模板（3-1）的边角处，且导向柱（3-3）底部与下模板（3-1）过盈配合，上模板（3-2）与导向柱（3-3）间隙配合。
4.根据权利要求3所述的一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置，其特征在于，所述下模板（3-1）上形成有与凹模（7）相对应的安装孔（3-4），同理上模板（3-2）上也形成有与凸模（6）相对应的安装孔（3-4）。
5.根据权利要求1所述的一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置，其特征在于，所述热风箱（2）两侧形成有相对设置的热风口（2-1），热风箱（2）内设有与热风口（2-1）相连筒的流道（2-2），流道（2-2）环绕热风箱（2）内部设置，流道（2-2）上形成有等距排布的出风口（2-3）。
6.根据权利要求5所述的一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置，其特征在于，所述热风箱（2）两侧还形成有相对设置的散热口（2-4），散热口（2-4）位于热风口（2-1）下方。
7.根据权利要求1所述的一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置，其特征在于，所述温度监控模块包括测温触头、热电偶模块、单片机、计算机和热成像仪，热成像仪放置于保温箱正前方，测温触头安装于凹模（7）或凸模（6）上，测温触头、热电偶模块、单片机和计算机依次电性连接。
8.一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：针对缺损颅骨（4）的轮廓，基于镜像对称、曲面拟合的方法，重建颅骨并提取修复缺损部位的修补片（5）三维模型，并将修补片（5）的外表面单独提取，进行网格光滑处理；
步骤B：将修补片（5）模型的外表面在三维建模软件中向下拉伸形成凹模（7），再将修补片（5）模型的外表面向内缩小并向上拉伸形成凸模（6），并且设计与凹模（7）和凸模（6）相对应的模架（3）；
步骤C：将凹模（7）和凸模（6）的三维模型输入到3D打印机的控制电脑，进行打印成型，打印成型后，将打印的凹模（7）和凸模（6）通过线切割去除支撑使其脱离基板，并进行打磨和抛光处理；
步骤D：在压模成型前，将压模机（1）、热风箱（2）和模架（3）进行组装，将凹模（7）和凸模（6）安装在模架（3）上，并将模架（3）放入热风箱（2）中，将热风箱（2）放置在压模机（1）的底板（1-1）合适位置，并且将上模板（3-2）在热风箱（2）中与压模机（1）的压头（1-2）进行固定，下模板（3-1）与热风箱（2）底板（1-1）进行固定，至此完成压模准备；
步骤E：将PEKK平板放在凹模（7）之上，在热风箱（2）两侧的热风输入口放置两个热风枪，根据所需的成型温度，调整热风枪的功率，通过流道（2-2），向热风箱（2）内吹入热风，使得热风箱（2）环境温度达到所需成型温度；
步骤F：当热风箱（2）内的温度达到目标压模温度时，通过控制压模机（1）面板上的压模程序，进行PEKK颅骨修补片（5）的压模成型，当压模完成之后，待热风箱（2）冷却后，取出成型好的颅骨修补片（5），并进行边缘剪裁，则一个缺损颅骨（4）的修补片（5）成型完毕。
9.根据权利要求8所述的一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置的成型方法，其特征在于，所述步骤F在压模过程中，凹模（7）或凸模（6）上提前安装有测温触头，测温触头引导至热风箱（2）外部，经过热电偶模块将电压信号转换成PLC能识别的模拟量，再用单片机通过模拟数据换算程序将模拟量转成温度数据，最后在计算机上通过串口实时显示温度数据。
10.根据权利要求9所述的一种聚醚酮酮颅骨修补片高温压模成型装置的成型方法，其特征在于，所述步骤F在压模过程中，保温箱正前方放置热成像仪对准整个保温箱进行温度监控，实时反映保温箱内整体的温度场是否均匀。
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| KR970033750A (ko) * | 1995-12-26 | 1997-07-22 | 김태구 | 수지성형장치 및 방법 |
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