快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用

1、模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 圖7-1 對RP模型需求的行業(yè) 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 圖7-2 對RP模型需求的目的 第二節(jié)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用 現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計與制造已經(jīng)依托于計算機軟硬件技術(shù)和數(shù)控技術(shù)與裝 備進行了CAD/CAM的高度集成，顯著提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量。然 而，從CAD到CAM一直以來都存在著一個縫隙，即產(chǎn)品的CAD總不能在 CAM之前盡善盡美?？焖俪尚图夹g(shù)的出現(xiàn)，恰當好處地彌補了產(chǎn)品CAD 與CAM之間的這個縫隙。正因為如此，RP模型的早期應(yīng)用主要集中在產(chǎn) 品設(shè)計階段的

2、外觀評估、裝配與功能檢驗方面，而且這幾方面的應(yīng)用至今 仍然占據(jù)著較大的需求。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 一、概念模型可視化 計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展使傳統(tǒng)的圖紙式設(shè)計走向現(xiàn)代化的三維概念設(shè) 計。盡管目前造型軟件的功能十分強大，但設(shè)計出來的概念模型仍然停留 在計算機屏幕上，概念模型的可視化是設(shè)計人員修改和完善設(shè)計十分渴求 而又十分必要的。有人比較形象化地形容，快速成型系統(tǒng)相當于一臺三維 打印機，能夠迅速地將CAD概念設(shè)計的物理模型非常高精度地“打印”出 來。這樣，在

3、概念設(shè)計階段，設(shè)計者就有了初步設(shè)計的物理模型，借助于 物理模型，設(shè)計者可以比較直觀地進行進一步的設(shè)計，大大提高了產(chǎn)品設(shè) 計的效率和可靠性。如設(shè)計者可以進行模型的合理分析和模型的觀感分析， 根據(jù)原型或零件評價設(shè)計正確與否并可加以改正，如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 新產(chǎn)品的開發(fā)總是從外形設(shè)計開始的，外觀是否美觀和實用往往決定了 該產(chǎn)品是否能夠被市場接受。傳統(tǒng)的加工方法中，二維工程視圖在設(shè)計加 工和檢測方面起著重要作用。其做法是根據(jù)設(shè)計師的思想，先制作出效果 圖及手工模型，經(jīng)決策層評審后再進行后續(xù)設(shè)計。但由于二維工程視圖或 三維觀感圖不夠

4、直觀，表達效果受到很大限制，而手工制作模型耗時又長， 精度較差，修改也困難。 快速成型制造技術(shù)能夠迅速地將設(shè)計師的設(shè)計思想變成三維實體模型， 既可節(jié)省大量的時間，又能精確地體現(xiàn)設(shè)計師的設(shè)計理念，為產(chǎn)品評審決 策工作提供直接、準確的模型，減少了決策工作中的不正確因素。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 二、設(shè)計評價 利用快速成型制造技術(shù)制作出的樣件能夠使用戶非常直觀地了解尚未投 入批量生產(chǎn)的產(chǎn)品外觀及其性能并能及時作出評價，使廠方能夠根據(jù)用戶 的需求及時改進產(chǎn)品，為產(chǎn)品的銷售創(chuàng)造有利條件并避免由于盲目生產(chǎn)可 能造成的損失。同時，投標方在工程投標中采用

5、樣品，可以直觀、全面地 提供評價依據(jù)，使設(shè)計更加完善，為中標創(chuàng)造有利條件。 在產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計過程中，由于設(shè)計手段和其他方面的限制，每一項設(shè) 計都可能存在著一些人為的設(shè)計缺陷。如果未能及早發(fā)現(xiàn)，就會影響后續(xù) 工作，造成不必要的損失，甚至會導致整個設(shè)計的失敗。使用快速成型制 造技術(shù)可以將這種人為的影響減少到最低限度?？焖俪尚椭圃旒夹g(shù)由于成 型時間短、精度高，可以在設(shè)計的同時制造高精度的模型，使設(shè)計者能夠 在設(shè)計階段對產(chǎn)品的整體或局部進行裝配和綜合評價，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的 缺陷與不合理因素，改進設(shè)計。 因此，快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用可把產(chǎn)品的設(shè)計缺陷消失在設(shè)計階段， 最終提高產(chǎn)品整體的設(shè)計質(zhì)量。 模具工

6、程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 下圖給出的是某新型豪華客車用于外觀評估的經(jīng)過噴漆等處理的RP模型， 該模型大小為實際尺寸的1/10 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 三、裝配校核 進行裝配校核、干涉檢查等對新產(chǎn)品開發(fā)，尤其是在有限空間內(nèi)的復雜、 昂貴系統(tǒng)（如衛(wèi)星、導彈）的可制造性和可裝配性檢驗尤為重要。 如果一個產(chǎn)品的零件多而且復雜就需要做總體裝配校核。在投產(chǎn)之前，先 用快速成型制造技術(shù)制作出全部零件原型，進行試安裝，驗證設(shè)計的合理 性和安裝工藝與裝配要求，若發(fā)現(xiàn)有缺陷，便可以迅速、方便地進行糾正， 使所有

7、問題在投產(chǎn)之前得到解決。下圖為某發(fā)動機氣缸部件中氣缸蓋改進 設(shè)計后制作的用于裝配檢驗的LOM模型。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 四、性能和功能測試 快速原型除了可以進行設(shè)計驗證和裝配校核外，還可以直接用于性能和功能參 數(shù)試驗與相應(yīng)的研究，如機構(gòu)運動分析、流動分析、應(yīng)力分析、流體和空氣動力學 分析等。 采用快速成型制造技術(shù)可嚴格地按照設(shè)計將模型迅速地制造出來進行實驗測試， 對各種復雜的空間曲面更體現(xiàn)快速成型制造技術(shù)的優(yōu)點。如風扇、風轂等設(shè)計的功 能檢測和性能參數(shù)確定，可獲得最佳扇葉曲面、最低噪音的結(jié)構(gòu)。如果用傳統(tǒng)的方 法制造原型，這種測試與比較

8、幾乎是不可能的。 下圖給出的是為檢驗凸輪設(shè)計能否實現(xiàn)某機構(gòu)的機械傳動而制作的用于傳動功 能檢測的LOM模型。通過裝機運轉(zhuǎn)檢測，根據(jù)反饋的信息進行了數(shù)次改進設(shè)計，最終 獲得了能夠完全滿足運動要求的凸輪結(jié)構(gòu)。 第三節(jié)快速模具的母模 快速原型的另一大類應(yīng)用就是作為翻制快速經(jīng)濟模具的母模，如硅橡 膠模具、聚氨酯模具、金屬噴涂膜具、環(huán)氧樹脂模具等軟質(zhì)模具進行單件 小批量的試制以及澆注石膏、陶瓷、金屬基合成材料、金屬等硬質(zhì)模具進 行塑料件或金屬制件的批量生產(chǎn)。快速原型用作快速模具的母模是快速成 型制造技術(shù)經(jīng)濟效益的延伸和另一亮點。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的

9、應(yīng)用 （1）硅橡膠模具的母模 硅橡膠軟模在小批量制作具有精細花紋和無拔模斜度甚至倒拔模斜度的樣件方 面具有突出的優(yōu)越性，幾乎所有的RP原型都可以作為硅橡膠模具制作的母模。下 圖給出的是采用LOM原型翻制硅橡膠模具并進行產(chǎn)品快速制作的例子。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 （2）砂型鑄造的木模 砂型鑄造的木模一直以來依靠傳統(tǒng)的手工制作，其周期長，精度低?？焖俪尚?技術(shù)的出現(xiàn)為快速高精度制作砂型鑄造的木模提供了良好的手段，尤其是基于 CAD設(shè)計的復雜形狀的木模制作，快速成型技術(shù)更顯示了其突出的優(yōu)越性。下圖 給出的是砂型鑄造的產(chǎn)品和通過快速成型技術(shù)制作

10、的木模。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 （3）環(huán)氧樹脂模具的母模 環(huán)氧樹脂模具因為成本低廉且制件數(shù)量較硅橡膠模具大而適合于小批量產(chǎn)品的 試制。環(huán)氧樹脂模具的制作同樣需要RP模型做母模，通過樹脂材料及添加材料澆 注而成，模具的壽命可以達到數(shù)百件，模具的表面質(zhì)量主要取決于原型母模的表 面質(zhì)量，尺寸精度可以達到0.1mm。下圖給出的是環(huán)氧樹脂模具制作產(chǎn)品的例子。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 第四節(jié)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用 RP技術(shù)出現(xiàn)以來，除了在新產(chǎn)品開發(fā)階段具有較為廣泛的需求外，一 直在鑄造領(lǐng)域有著比較活

11、躍的應(yīng)用。在典型鑄造工藝如熔模鑄造等中為單 件或小批量鑄造產(chǎn)品的制造帶來了顯著的經(jīng)濟效益。 在鑄造生產(chǎn)中，模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模等的制造往往是靠機械加 工的辦法，有時還需要鉗工進行修整，費時耗資，而且精度不高。特別是 對于一些形狀復雜的薄壁鑄件，例如飛機發(fā)動機的葉片、船用螺旋漿，汽 車、拖拉機的缸體、缸蓋等，模具的制造更是一個老大難的問題。雖然一 些大型企業(yè)的鑄造廠也進口了一些數(shù)控機床、仿型銑等高級設(shè)備，但除了 設(shè)備價格昂貴之外，模具加工的周期也很長，而且由于沒有很好的軟件系 統(tǒng)支持，機床的編程也很困難。面對今天世界上經(jīng)濟市場的競爭，產(chǎn)品的 更新?lián)Q代日益加快，鑄造模具加工的現(xiàn)狀很難適應(yīng)當前

12、的形勢。而快速成 型制造技術(shù)的出現(xiàn)為解決這個問題提供了一條頗具前景的新路。 目前，快速成型技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用主要有以下3個方面： 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 模具工程技術(shù)研究中心 METRC 直接澆注鑄件 這種方法適用于形狀復雜的單件生產(chǎn)，例如航空航天工業(yè)中的特鑄件，或者是在新產(chǎn)品 試制時先做一兩個鑄件供進一步試驗用。具體操作是將RP原型或者用熔模鑄造方法制殼澆注 鑄件，或者用消失模鑄造方法直接澆注鑄件。 用原型翻制母模后再澆注鑄件 對鑄件數(shù)量需要較多時可以應(yīng)用這種方法。它是先用硅橡膠方法、石膏型方法等翻制母模， 然后制蠟模或直接澆注成鑄件。

13、如SLS法所使用的原料為石蠟、尼龍或聚碳酸酯等，用聚碳酸 酯材料燒結(jié)制成的原型，在許多性能上優(yōu)于石蠟，可以做許多復雜的高精度件。 美國克萊斯勒公司和通用機器公司應(yīng)用SLS法減少新型汽車發(fā)動機零件的開發(fā)費用?？巳R 斯勒公司用SLS法制成蠟模，生產(chǎn)形狀很復雜的汽車進排氣管，通用機器公司也用這種方法來 制造航天器上的復雜零件。美國的Rorketdyhe公司甚至用蠟和尼龍來做復雜的六缸氣缸體模樣， 然后用熔模鑄造的方法生產(chǎn)鑄件。 利用原型模樣制造模具 這個方面的應(yīng)用最廣泛，可用于鑄件的大量生產(chǎn)。 美國福特汽車公司用LOM法制造長685mm的汽車曲軸模樣，先分3塊做，然后再拼裝成砂型 鑄造用的模板，尺寸

14、精度達到0.13mm。 7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 一、熔模鑄造 熔模鑄造也稱為失蠟鑄造，是一種可以由幾乎所有的合金材料進行凈形制造金 屬制件的精密鑄造工藝，尤其適合于具有復雜結(jié)構(gòu)的薄壁件的制造?？焖俪尚图?術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為熔模精密鑄造消失型的制作提供了速度更快、精度更高、結(jié) 構(gòu)更復雜的保障。尤其是3DSystems公司開發(fā)的QuickCast工藝，更加突出了RP 技術(shù)在熔模鑄造領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)越性。 熔模鑄造的工藝過程如下： 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 澆注法制作熔模鑄造的消失型蠟模，如圖所示。 將蠟質(zhì)的標準澆注系統(tǒng)（澆口

15、和澆道）和蠟型組裝， 如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 將組裝后的蠟型與澆注系統(tǒng)浸入到陶瓷漿中，反復掛砂和 干燥形成68mm的硬殼 ，如圖所示。 向硬型殼中通入熱水或蒸汽，使蠟型熔化并排出，得到空型 殼 ， 如圖所示。 硬型殼高溫焙燒，進一步除去殘留的蠟，得到可進行 澆注熔化金屬的高強度陶瓷硬型殼 ， 如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 將陶瓷硬型殼預熱至一定溫度后，注入熔化金屬 ，如圖所 示。 冷卻后，除去陶瓷殼，得到工件和澆注系統(tǒng)，再除去澆注系統(tǒng)， 便得到了金屬制件 ， 如圖所

16、示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 美國Sundstrand公司用快速成型件作母模，進行了大量的熔模鑄造，取得了明顯的效益，如表 所示。由表中的數(shù)據(jù)可見，采用快速成型技術(shù)后節(jié)省工時4370，節(jié)省成本6494。 二、直接模殼鑄造 美國麻省理工大學開發(fā)了一項基于立體噴墨印刷技術(shù)的直接模殼制造(Direct Shell Production CastingDSPC)的鑄造技術(shù)。這一技術(shù)隨后授權(quán)于Soligen Inc. 公司用于金屬鑄造。DSPC首先利用CAD軟件定義所需的型腔，通過加入鑄造圓 角、消除可待后處理時通過機加工生成的小孔等結(jié)構(gòu)對模型進行

17、檢驗和修飾，然 后根據(jù)鑄造工藝所需的型腔個數(shù)生成多型腔的鑄模。DSPC的工藝過程是這樣的： 首先在成型機的工作臺上覆蓋一層氧化鋁粉，然后將微細的硅膠沿著工件的外廓 噴射在這層粉末上；硅膠將氧化鋁粉固定在當前層上，并為下一層的氧化鋁粉提 供粘著層；每一層完成后，工作臺就下降一個層的高度，使下一層的粉末繼續(xù)復 敷和粘固；未粘固在模型上的粉末就堆積在模型的周圍和空腔內(nèi)，起著支撐的作 用；整個模型完成后，型腔內(nèi)所充填的粉末必須去除。這項技術(shù)現(xiàn)已商業(yè)化，它 使熔模鑄造行業(yè)得以直接制造模殼而節(jié)省了制造蠟模模具和蠟模本身的成本。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用

18、 第五節(jié)在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用 現(xiàn)代RP技術(shù)在20世紀80年代末期一經(jīng)出現(xiàn)，很多制造行業(yè)即對其表現(xiàn) 出濃厚的興趣。最早采用RP技術(shù)的是航空、汽車和醫(yī)學工業(yè)。雖然醫(yī)學應(yīng) 用仍然只占10%的RP市場，但醫(yī)學又對RP的應(yīng)用提出了更高的要求。RP 已經(jīng)運用于種植體原型、監(jiān)視系統(tǒng)和很多其它醫(yī)療設(shè)備原型的制作。運用 生理數(shù)據(jù)采用SLA、LOM、SLS、FDM等技術(shù)快速制作物理模型，對想不 通過開刀就可觀看病人骨結(jié)構(gòu)的研究人員、種植體設(shè)計師和外科醫(yī)生等能 夠提供非常有益的幫助。這些技術(shù)在很多專科如顱外科、神經(jīng)外科、口腔 外科、整形外科和頭頸外科等得到了廣泛應(yīng)用，幫助外科醫(yī)生進行手術(shù)規(guī) 劃。 模具工程技術(shù)研究中心

19、METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 一、設(shè)計和制作可植入假體 快速成型用于種植體設(shè)計已經(jīng)有很長一段時間了，工程師利用CAD軟件可以很 快地設(shè)計一個產(chǎn)品，而RP設(shè)備的快速性允許設(shè)計師在很短的時間內(nèi)多次驗證并修 改其設(shè)計，這樣就在設(shè)計過程中節(jié)約了時間和成本。 運用RP技術(shù)，設(shè)計師可以根據(jù)特定病人的CT或MRI數(shù)據(jù)而不是標準的解剖學 幾何數(shù)據(jù)來設(shè)計并制作種植體，如圖所示。這樣極大地減少了種植體設(shè)計的出錯 空間，并且這種適合每個病人解剖結(jié)構(gòu)的種植體確實能設(shè)計一個更好的手術(shù)結(jié)對 病人的麻醉時間，還能減少整個手術(shù)的費用。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成

20、型制造技術(shù)的應(yīng)用 從CT數(shù)據(jù)到骨骼3D數(shù)值模型 應(yīng)用RP模型設(shè)計植入體 二、外科手術(shù)規(guī)劃 復雜外科手術(shù)往往需要在三維模型上進行演練以確保手術(shù)的成功?？焖俪尚图?術(shù)可滿足這種要求。由于有了解剖模型，醫(yī)生可以有效地與病人溝通，借助于病 人自己的解剖模型，醫(yī)生可以指出關(guān)鍵的區(qū)域，從而增加病人的理解。模型增加 了病人對治療的理解，這比晦澀的二維X光照片要好理解得多。模型也能讓醫(yī)生對 病人以前的手術(shù)經(jīng)歷一目了然。此外，模型還能讓醫(yī)生在手術(shù)之前對著模型進行 手術(shù)規(guī)劃，如圖所示。僅時間節(jié)省這一項就使得模型制作在很多復雜手術(shù)中顯得 非常重要和必要。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速

21、成型制造技術(shù)的應(yīng)用 RP模型幫助手術(shù)計劃 三、頜面修復 目前，美國、澳大利亞、新加坡、日本以及歐洲等許多國家對快速原型在醫(yī) 療領(lǐng)域的應(yīng)用非常重視。美國在牙科手術(shù)、面部矯正手術(shù)方面，新加坡在面部矯 正手術(shù)方面，澳大利亞在頭顱和面部修復手術(shù)方面，德國和法國等在頭顱和頜骨 修復手術(shù)方面，都依靠快速原型技術(shù)，取得了明顯的效果。國內(nèi)的醫(yī)療領(lǐng)域目前 也在嘗試對快速原型技術(shù)進行應(yīng)用研究，但是，成功的案例還十分少見。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 基于CT技術(shù)和快速成型技術(shù)的人體頜面 部缺損修復手術(shù)，是快速原型技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng) 域里比較有價值的臨床應(yīng)用。對患者頭部

22、進 行螺旋CT掃描，得到最小間距的二維CT數(shù) 據(jù)。通過設(shè)定骨骼的灰度閾值，提取CT圖 像中的骨骼輪廓，得到患者病變區(qū)域的頭顱 模型，如圖所示。圖像中左側(cè)因腫瘤病變進 行了切除。手術(shù)的目的就是通過切取病人體 內(nèi)的腿骨修復左側(cè)下頜的缺損。在數(shù)據(jù)處理 時還進行了右側(cè)下頜骨的提取并鏡像，用于 制作快速原型以輔助手術(shù)。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 將上述處理完畢的數(shù)據(jù)文件，按要求的格式輸入到快速原型系統(tǒng)進行加工制 作。下圖為具有缺損的患者頭顱骨SLA模型、患者小腿骨SLA模型及患者左側(cè)完 好的下頜骨模型的鏡像頜骨SLA模型。 模具工程技術(shù)研究中心 ME

23、TRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 手術(shù)的方案是，以對應(yīng)缺損部位的正常部位的鏡像體為參考模型，對從腿部 切下的小腿骨進行分割拼湊到缺損部位，然后，用金屬植入體進行相應(yīng)的固定和 定位。具體步驟如下： 將頜面部缺損的局部頭蓋骨原型和對應(yīng) 缺損部位的正常部位的鏡像體拼合到一起， 如圖所示，觀察結(jié)合部位上下牙齒咬合的程 度，如果咬合程度好，就可以定型作為手術(shù) 規(guī)劃和演練的目標實體。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 將成型鈦板支架固定在吻合好的下頜模 型上，定型后采用螺釘固定，如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)

24、的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 將小腿腓骨SLA模型進行切割拼湊處理， 使切割骨的形狀與鈦板形狀吻合，測量每一 段小腿腓骨模型的長度并標記對應(yīng)于整體腓 骨的位置，作為手術(shù)過程的依據(jù)，如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 按照上述手術(shù)規(guī)劃和方案，實施下頜骨修 復手術(shù)，如圖所示。 四、義耳制作 全耳廓缺損在臨床上是一種較為常見的疾病。外耳缺失不僅影響美觀，而且聽 力也大受影響。全耳缺損的修復方法一般有2種：手術(shù)和義耳。手術(shù)再造耳的外形 不夠理想，且存在費用高，危險大，周期長，效果不滿意等缺點。隨著計算機技 術(shù)的發(fā)展，CT圖像處理和三維重構(gòu)技術(shù)的迅

25、速發(fā)展，伴隨著快速成型技術(shù)的成熟， 兩者結(jié)合為義耳的制作提供了一種新工藝。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 在頜面修復領(lǐng)域，義耳贗復體形態(tài)制作一直存在仿真程度不高的問題?；卺t(yī) 學CT三維重構(gòu)技術(shù)，進行數(shù)據(jù)處理，得到義耳及義耳注型模具的三維模型，采用 快速成型技術(shù)進行義耳注型模具的快速制作。同時對澆注的硅橡膠材料進行配色， 再利用快速成型制作的義耳注型模具，進行義耳贗復體的真空注型，便可得到幾 何形狀仿真度比較滿意的義耳贗復體。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速

26、成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 五、心血管模型制作 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 圖7-21 左、右心血管的三維結(jié)構(gòu) 圖7-22 右心血管SLS模型 心血管系統(tǒng)由心臟、動脈、靜脈、毛細血管等組成，準確復制心臟、血管、 血管瘤、氣管等軟組織結(jié)構(gòu)可以提供個性化軟組織模型，在診療、手術(shù)和醫(yī)學教 學等領(lǐng)域具有很大的意義。圖7-21為由心臟器官CT數(shù)據(jù)提取出來的右、左半部分 心血管的三維結(jié)構(gòu)。 六、生物工程 快速成型技術(shù)在生物工程的應(yīng)用剛剛起步，但也取得了令人可喜的

27、成果。針對 骨的具體結(jié)構(gòu)，進行CAD造型，然后利用內(nèi)部細微結(jié)構(gòu)仿生建模技術(shù)及分層制造， 常溫下用生物可降解材料邊分層制造邊加入生物活性因子及種子細胞。用快速成 型技術(shù)制成的細胞載體框架結(jié)構(gòu)來創(chuàng)造一種微環(huán)境，以利于細胞的粘附、增殖和 功能發(fā)揮，以此達到組織工程骨的并行生長，加速材料的降解和成骨過程。此外， 有關(guān)文獻還報道了用一種結(jié)合表面活性劑和顆粒模板的稱為軟平板印刷的方法， 來形成有功能的納米結(jié)構(gòu)，其研究已經(jīng)達到了分子水平。歸納起來，目前RP模型 的醫(yī)學應(yīng)用如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 醫(yī)學應(yīng)用的每一個RP模型都需要原型設(shè)備和材料的

28、特殊搭配才能產(chǎn)生預期效果， 某種情況可能需要半透明的硬塑料，而另一種情況可能需要軟的生物兼容材料。 有時需要消毒材料，有時卻并不需要。RP醫(yī)學應(yīng)用中設(shè)備和材料的選擇可參考表 所示。USP VI級材料是通過安全測試并能消毒的材料。目前只有少數(shù)幾種RP材料 符合這一要求，SLA有一種，F(xiàn)DM有一種，SLS有兩種，LOM有幾種。表中的另 一類材料是可植入材料，目前仍然很弱，將來有望該類材料能夠得到迅速增長。 3DP與SLS等RP技術(shù)在這方面具有較大的優(yōu)越性。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 從醫(yī)學圖象得到的解剖模型有一系列的要求。有些模型最適合用半透明

29、材料做， 有的最適合用不透明材料制作以便更好的觀察表面。在大多數(shù)情況下，這些模型 是在手術(shù)之前使用，特定情況下需要把模型消毒用于手術(shù)時的參考。 隨著生物材料知識的發(fā)展，快速成型產(chǎn)品在醫(yī)學領(lǐng)域的臨床應(yīng)用將不斷增長， 從骨再生植入到器官置換，應(yīng)用范圍非常廣。 目前正在研究的人工骨制作是RP技術(shù)非常有前景的一個應(yīng)用領(lǐng)域，目前有兩種 制造骨骼植入體的方法。一種方法是采用選擇性沉積磷酸鈣粉末的工藝來制作多 孔的種植體。動物實驗表明，這些多孔種植體在新骨生長性能方面表現(xiàn)了優(yōu)異的 性能。經(jīng)過一定的時間，這些多孔種植體將變成動物骨架的一部分。這些多孔種 植體在相對密度為50%時，強度要比原先降低到70MPa。

30、因而他們的用途局限于不 承載的部分，如面部和顱骨部分。第二種工藝是用SLS準備碳素模具，熔融的磷酸 鈣在1100的熔化溫度下澆注到模具中。這樣得到的全密度玻璃態(tài)部件可以通過 退火得到半結(jié)晶的合成物，抗壓強度超過170MPa。這些可用于承載種植體如牙齒， 骨頭螺釘和脊椎骨。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 一些RP設(shè)備制造商的長期目標是將RP機器放到臨床設(shè)備中，例如X光部門的一 臺RP機器可在幾個小時內(nèi)向外科醫(yī)生提供非常有用的物理解剖模型，這樣可讓外 科醫(yī)生在很短的時間內(nèi)作出精確的手術(shù)計劃。實現(xiàn)這一點的障礙之一是醫(yī)院缺少 熟練的操作人員，除此之外，

31、設(shè)備成本，組織機構(gòu)的增加，材料成本等因素都限 制了RP設(shè)備直接放在醫(yī)院這一構(gòu)想。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 七、定制骨植入體 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 人體內(nèi)一共有206塊骨頭，這些骨頭的大小和形狀因人而異。在重建、整形外科手術(shù)中，如 果病人可以經(jīng)濟的定制到通過醫(yī)用CT掃描的骨植入體是非常有用的。如果可能的話，需要對 事故前的受傷部位進行CT掃描，或者使用相應(yīng)身體的另一側(cè)未受傷骨頭的鏡像。按照實際尺 寸定制的植入體可以減少進行醫(yī)用培植步驟的過程，降低病人的風險。 采用快速原型制造技術(shù)制作

32、骨植入體一般采用一種羥基磷灰石（HA）和磷酸鹽的玻璃相粉 末混合物的聚合材料體系，這種材料與人體具有生物相容性并且可以制作成LOM工藝中的薄 層材料。應(yīng)用LOM工藝制作羥基磷灰石定制骨植入體的流程如圖7-24所示。 圖圖7-24 定制骨植入體制造流程圖定制骨植入體制造流程圖 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 這種復合材料體系包括羥基顆粒和磷酸鈣的玻璃相，如圖7-25所示。玻璃相的磷酸鈣被用 做粘合劑，當燒結(jié)時，玻璃相熔化，并把羥基磷灰石熔和在一起。適當比例的玻璃添加物使 HA燒結(jié)工藝在較低溫渡下執(zhí)行，（等于或稍高于玻璃的熔化溫度）從而降低了HA損失

33、羥基和 分解的趨勢。此外，燒結(jié)后收縮率也明顯低于純固態(tài)燒結(jié)的。 a) (b) 圖圖7-25 羥基磷灰石定制骨植入體復合材料體系羥基磷灰石定制骨植入體復合材料體系 a) HA顆粒顆粒 b) 磷酸鈣的玻璃相磷酸鈣的玻璃相 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 陶瓷薄層材料制作工藝如圖7-26所示。HA/玻璃相薄層的厚度范圍從125m到250m。薄層 的微結(jié)構(gòu)如圖7-27所示，燒結(jié)后由于粘合劑的去除，顆粒顯示更為清晰。多數(shù)薄層材料會產(chǎn)生 一定程度肉眼可見的裂縫。采用LOM工藝對上述制備的薄層材料進行疊加成形，制作出60層 的腕骨（大約25mm6.356mm）

34、，如圖7-28所示。 圖7-26 陶瓷薄層材料制作工藝 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 a) b) 圖7-27 陶瓷薄層材料微結(jié)構(gòu) a) 生羥基磷灰石/玻璃相帶 b) 粘合劑燒結(jié)后的羥基磷灰石/玻璃相帶 圖7-28 用LOM法制作的陶瓷帶的羥基磷灰石/玻璃相腕骨植入體 八、PCL多孔支架制作 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 復雜關(guān)節(jié)如顎關(guān)節(jié)的修復與重建對骨組織工程提出了很大的挑戰(zhàn)。患者體內(nèi) 對異源體、非生物材料的惡性反應(yīng)使治療結(jié)果大打折扣，自體移植則要求從患者其 他部位移植骨，這將導致患者其他部位的

35、并發(fā)癥。為此，支架必須與解剖缺陷相吻 合，擁有能夠承受活體負載的機械性能，加強組織生長，產(chǎn)生具有生物相容性的降 解產(chǎn)物。 PCL是一種生物可消溶聚合物，在骨與軟骨修復方面具有潛在的應(yīng)用價值。 PCL支架可由多種快速成型技術(shù)制得，包括熔融沉積技術(shù)、光固化成型技術(shù)、精密 擠壓沉積、三維打印等，而采用SLS技術(shù)制作能夠容易實現(xiàn)具有多種內(nèi)部結(jié)構(gòu)與孔 隙率的PCL支架。 圖7-29a給出的是在UG三維造型軟件上設(shè)計的圓柱形多孔支架（直徑12.7mm， 高度25.4mm），圖7-29b為Sinterstation 2000TM設(shè)備上使用PCL粉末制作SLS支架模 型。圖7-30給出的是豬顎關(guān)節(jié)的三維構(gòu)形及

36、多孔支架設(shè)計與SLS模型。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 a) b) 圖7-29 PCL多孔支架的設(shè)計與制造 a) 孔徑1.75mm的多孔支架的STL模型 b) 采用SLS工藝制作的PCL支架 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 a) b) c) 圖7-30 PCL多孔支架在豬顎關(guān)節(jié)制造中的應(yīng)用 a) 實際豬顎關(guān)節(jié) b) PCL支架的STL設(shè)計描述 c) SLS模型 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 思思 考考 題題 1、列舉對快速原型需求較多的領(lǐng)域有哪些

37、？ 2、列舉快速原型應(yīng)用的目的或用途主要有哪些？ 4、快速原型作為快速模具的母模主要應(yīng)用于哪幾個方面？ 5、快速原型在鑄造領(lǐng)域和醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用集中在哪幾個方面？ 3、快速原型在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用主要有哪幾個方面？ 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 圖7-1 對RP模型需求的行業(yè) 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 三、裝配校核 進行裝配校核、干涉檢查等對新產(chǎn)品開發(fā)，尤其是在有限空間內(nèi)的復雜、 昂貴系統(tǒng)（如衛(wèi)星、導彈）的可制造性和可裝配性檢驗尤為重要。 如果一個產(chǎn)品的零件多而且復雜就需要做總體裝配校核。在投產(chǎn)

38、之前，先 用快速成型制造技術(shù)制作出全部零件原型，進行試安裝，驗證設(shè)計的合理 性和安裝工藝與裝配要求，若發(fā)現(xiàn)有缺陷，便可以迅速、方便地進行糾正， 使所有問題在投產(chǎn)之前得到解決。下圖為某發(fā)動機氣缸部件中氣缸蓋改進 設(shè)計后制作的用于裝配檢驗的LOM模型。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC7快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用 三、裝配校核 進行裝配校核、干涉檢查等對新產(chǎn)品開發(fā)，尤其是在有限空間內(nèi)的復雜、 昂貴系統(tǒng)（如衛(wèi)星、導彈）的可制造性和可裝配性檢驗尤為重要。 如果一個產(chǎn)品的零件多而且復雜就需要做總體裝配校核。在投產(chǎn)之前，先 用快速成型制造技術(shù)制作出全部零件原型，進行試安裝，驗證設(shè)計的合理 性和安裝工藝與裝配要求，若發(fā)現(xiàn)有缺陷，便可以迅速、方便地進