醫療器械維修領域三維打印技術的實踐

梁 昊

（大慶油田總醫院，黑龍江大慶 163001）

0 引言

在醫療器械維修時，經常需要進行一些損毀的精密醫療零部件更換，然而由于一些零部件來自于進口醫療器械，不僅定價昂貴，而且有可能沒有貨源，從而增加了醫療器械維修難度與成本。為有效解決這一問題，可以采用三維打印技術，實現精密零部件的建模與快速打印，這對于提升醫療器械維修質量水平有著重要的意義。

1 三維打印技術概述及優勢分析

三維打印機雖然聽起來比較“高大上”，但具體工作原理與普通打印機比較類似，并且在架構組成方面，也是由一些基本的打印控制組件、機械組件、打印耗材等零部件材料組成。只不過傳統打印只能打印出2D（二維）產品，而三維打印技術能夠打印出更為立體的3D（三維）產品。在實施三維打印技術前，通常需要先在電腦上完成一個完整的三維立體模型設計，然后以此為依據，完成從3D 模型到實物的打印輸出。傳統制造業在實際制造產品過程中，通常需要有一個較為復雜的流程，比如現開模具然后進行產品鑄造，最后還要進行產品的切割與組裝，而三維打印技術則完全不需要上述復雜的流程，能夠直接一次性打印成型。因此，借助三維打印技術能夠實現傳統制造技術上無法完成的產品設計，制作出更加復雜精巧的產品結構。

三維打印技術的優勢主要體現在以下5 個方面。

（1）能夠快速制造一些結構復雜精巧的產品且不會增加產品成本。在傳統制造工藝下，一般產品結構越復雜，需要耗費的時間成本、材料成本較高，而三維打印技術則有效避免了這一問題，改變了產品生產成本的方式。

（2）有效降低設備購置成本。傳統的產品制造工藝通常會需要很多大型的機械設備，并且設備自身的制造功能也比較少，生產出來的產品復雜精巧程度比較有限。而采用三維打印技術，只需要一個打印機與電腦，實際耗費的產品成本更低。

（3）不需要進行復雜的設備組裝，生產效率更高。傳統的產品制造需要建立一套完整的生產線，在機器設備完成零部件生產后，再將這些設備組裝在一起才能夠形成一個完整的產品，期間需要耗費大量的時間成本，而3D 打印則能夠一體化成型，不需要進行組裝，能夠有效提升生產效率，降低生產成本。

（4）材料組成更加靈活多變。由于三維打印技術省去了零件制作、組裝等多種程序，能夠通過輸入材料直接產出成品，因此能夠更好地將多種材料融合在一起，有效提升產品制作效率。

（5）三維打印技術產品設計空間更為廣闊。在傳統制造工藝下，受限于工藝本身的復雜性，因此實際生產的產品形狀有限，且結構越復雜的產品，需要耗費的時間成本更多，而三維打印技術依托于自身“一次性成型”的絕對優勢，使得自身產品設計空間更為廣闊，不需要考慮產品結構的復雜程度，能夠制作出各種復雜形狀的產品[1]。

2 常見的三維打印形式分析

三維打印機與傳統打印機打印最為明顯的區別是在原料輸出方面，三維打印機輸入的材料不是墨水，而是真實的產品原材料，通過打印成一層層粘合材料，最終形成一個立體產品。當前用于三維打印的材料有多種，比較常見的有塑料、金屬、陶瓷、橡膠等，還有一些三維打印機能夠結合不同的材料，使打印出的產品具有不同性質。由此也能認識到，三維打印能夠組合不同的打印材料，打印出性質各異的產品。例如以色列Object 公司便是當前掌握三維打印材料最多的公司，該公司在三維打印技術實施過程中，能夠采用14 種基本材料自由組合成107 種打印材料，從而賦予三維打印產品生產更多的可能性。當前比較常見的三維打印方式主要有以下4 種。

（1）“噴墨”的形式。通過利用打印機噴頭，在鑄模托盤上噴涂一層極薄的液態塑料物質，然后將其置于紫外線環境下作進一步的處理，隨后控制鑄模托盤下降極小的一段距離，從而確保下一層打印的材料能夠繼續堆疊，最終成功打印堆疊成一個立體的產品。

（2）“熔積成型”的三維打印形式。在該打印形式下，主要是通過噴頭噴射一些內熔化塑料，然后通過沉積塑料纖維的方式，堆疊形成立體的薄層，最終實現立體產品制作。

（3）“激光燒結”三維打印成型形式。這種打印主要采用的打印介質是粉末微粒，通過噴頭直接噴撒在鑄模托盤上，在模具上形成一種極薄的粉末層，然后進行激光熔鑄成指定形狀，最后噴頭會噴出一些特定的液態粘合劑，實現材料的固化成型處理。

（4）利用一種真空中電子流，將粉末微粒進行熔化，最終實現三維打印，但當針對于一些復雜的產品結構，比如產品包含精密的孔洞，那么在打印介質中，還需要加入一些凝膠劑，從而使得材料成型更加穩固，這部分粉末一般不會被直接熔鑄，只需采用水或氣流等介質將支撐物沖洗干凈便能形成孔隙[2]。

3 醫療器械維修領域三維打印技術的實踐

在醫療設備維修領域，很多需要維修的設備本身并沒有太大的問題，多是因為一些較小的零部件出現損壞而導致設備出現故障，而一些原裝零部件部件定價昂貴、結構精巧，而且有可能沒有貨源，從而增加了醫療器械維修難度與成本。而三維打印技術則有效解決了這一問題，通過三維打印，能夠快速生產出維修所用的零部件，有效提升維修效率，降低維修成本。因此針對于醫療器械維修領域中三維打印技術的實踐，提出了一種三維建模技術，將損毀的零配件進行三維建模還原并采用三維打印機將其打印成成品，并將其與原零配件進行了屬性比較，更好地展現三維打印技術在醫療設備維修中的應用價值。

目前三維建模模型技術有線框模型技術、實體模型技術、參數化建模技術等。在產品設計信息中，約有70%的信息能夠在新產品設計中進行應用，在這一背景下，參數化設計技術應運而生。將參數化設計應用于醫療設備維修，主要目的是提升維修效率，因此需要對損壞的醫用設備零件進行參數化建模，獲得零件的三維數據，從而便于后續利用三維打印機進行打印。針對于三維醫療設備零配件設計，應體現出一定的柔性特點，在完成模型設計后，既要確保模型有著良好的實用性，同時又能迅速重構，保證設計的零配件信息有著良好的重復利用性，因此在進行醫療設備零配件建模時，采用參數化建模技術最為適合。在實際進行參數化設計過程中，設計者能夠結合自身設計意圖，完成設計草圖的初步勾畫，然后再計算機系統的幫助下，成功建立設計對象內部各設計元素之間約束關系，從而設計者在進行草圖尺寸等參數信息更新時，系統能夠自動同步更新，并獲取幾何特征點準確位置分布。

建模實踐分析：在本次參數化建模過程中，采用了Solid Works 建模設計軟件，該軟件具有操作簡單、兼容性高等優點。本次建模對象是某進口品牌注射泵零配件，該注射泵器械在實際使用過程中，經常會因操作失誤或其他原因導致醫療器械摔落損毀，比如因摔落導致注射泵推桿活動卡槽斷裂，對于注射泵的正常使用功能帶來嚴重影響。由于該注射泵醫療器械是從國外進口，因此實際維修所需的配件很難在國內購買，配件更換等到時間過長，且對應配件的更換過程也比較繁瑣。同時在臨床方面，由于注射泵功能損壞，導致醫務人員只能采用人工監測其運行狀態，不僅對臨床治療工作開展帶來不利影響，還會為醫院帶來了較大損失。為了有效解決注射泵活動卡槽斷裂問題，下面結合注射泵實際功能需求，進行了替代零配件的模型草圖設計，并借助游標卡尺完成模型各面的精確測量，并在Solid Works 建模設計軟件的幫助下，完成零配件建模。之后在三維打印技術應用方面，采用FDM（Fused Deposition Modelling，熔融沉積）三維打印技術，選用上位機控制軟件進行模型切片進行零配件打印制作。以下是具體流程：

（1）在完成推桿活動卡槽三維模型設計后，需要將其轉換成STK 格式，便于三維打印機識別。然后在上位機控制軟件中載入推桿活動卡槽三維模型，完成模型的切片制作。活動卡槽三維模型經過切片后，能形成一層一層堆積的二維平面，在每個平面內都有明顯的運行軌跡，便于噴頭識別進行噴圖堆積打印，同時還完成了三維打印機器能夠識別的G-code 代碼編譯。

（2）針對于建模好的卡槽模型，還需要作進一步的應力分析。例如針對于本次的注射泵，通過采用FLUKE IDA 4 PLUS輸液設備分析儀，測得針管阻塞壓強為500 mm Hg，通過將這一壓強進行推桿壓力的轉化，可得出推桿壓力為47 N，在實際進行零配件組裝時，需要在注射泵上固定好卡槽模型的后端底面，因此在分析應力時，需要以該模型的后端底面為固定面，受力面則選擇固定針管推桿的卡槽，通過進行計算，發現在推桿在后段與中段的連接處，將會承受最大的壓強，具體壓力值為82 N。

（3）在完成應力分析后，需要將FDM 三維打印機與計算機進行來接，然后將計算機之前獲取的切片G-code 代碼發送至打印機主控板，由三維打印機進行代碼解析讀取，然后將其轉化成對應的模型打印指令，通過從X、Y、Z 三軸方向，實現對打印機聯動控制，使得打印噴頭能夠按照之前設置好的運行軌跡進行打印。在這一過程中，需要將加熱套加熱至230 ℃，通過在擠絲電機的幫助下，將固態ABS 工程塑料絲擠入到加熱套中，使其能夠迅速融化，并從打印機噴頭中噴出，按照既定的打印軌跡運動進行堆疊打印，融化的塑料絲會迅速堆積到成型，在凝固過程中實現材料的緊密粘合，最終逐步形成一個立體的材料模型，成功完成零部件的打印制作。

（4）在完成零部件打印后，將其從成型臺上取下，然后將其固定在后端底面，同時在卡槽處選擇施加82 N 的推力，此時發現卡槽并沒有折斷的跡象，說明打印的零部件質量良好。因此在實際進行三維打印時，選取30%的填充量即可滿足實際打印應力要求。

（5）將打印好的零部件安裝至損壞的注射泵上，開啟注射泵即可正常工作運行。

4 總結

綜上所述，與傳統的工業制造技術相比，三維打印技術有著顯著優勢，不僅制造效率更高、制作成本低，而且材料組合更加靈活多變，能夠進行復雜的零部件制作，因此非常適合應用于醫用機械設備的維修。它能夠在短時間內打印出醫用設備維修所需要的零件，有效提升醫用設備維修效率，降低維修成本。可以預見，三維打印技術在醫用機械設備維修領域將會有著非常廣闊的應用前景。