[发明专利]一种头盖骨替代物多自由度3D打印方法

说明书

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。