1、廖胜辉 副教授3D打印技术在医疗中的应用数字医疗与3D打印研究中心学术流报告3D打印概念和原理 3D打印技术是目前全球最尖端的几项技术之一，该技术甚至被人看做引领第三次工业革命的新技术。作为世界首个公布3D打印机开源数据信息的科学家，英国工程学家阿德里安鲍耶表示，“未来你想要什么，只需下载图纸，按一下打印键，就可以去喝咖啡听 音乐了，剩下的所有事，请统统交给打印机。 ” 三维打印(3D Printing) ，也叫增材制造技术 (Additive Manufacturing, AM）是快速成形技术(Rapid Prototyping Manufacturing, RP) 的一种，它是一种以数字化
2、模型 为基础，运用可粘合材料，通过 逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印概念和原理 3D打印技术基本原理是【 分层制造、逐层叠加】 。把一个通过设计或者扫描等方式做好的3D模型按照某一坐标轴切成 有限多个剖面 ，然后一层一层的打印出来并按原来的位置堆积到一起，形成一个实体的立体模型，类似于 高等数学中的积分。 依托多个学科领域的尖端技术，主要包括以下方面要有先进的设计软件及数字化工具打印设备必须高精度、高稳定性原材料必须能够液化、粉末化、丝化信息技术信息技术精密机械精密机械材料科学材料科学3D打印历史与发展-20世纪80年代3D打印历史与发展-20世纪90年代3D打印历史与发展-21世纪0
3、0年代3D打印历史与发展-2010年3D打印历史与发展-2011年3D打印历史与发展-2012年3D打印历史与发展-2013年3D打印技术方法累积技术 基本材料选择性激光烧结（selectivelasersintering，SLS） 热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末直接金属激光烧结 （Directmetallasersintering，DMLS） 几乎任何合金熔融沉积成型（fuseddepositionmodeling，FDM）热塑性塑料,共晶系统 金属、可食用材料立体平版印刷（stereolithography，SLA） 光硬化树脂（photopolymer）数字光处理 （DLP） 液态树脂熔
4、丝制造 （FusedFilamentFabrication，FFF） 聚乳酸（PLA）、ABS树脂融化压模 （MeltedandExtrusionModeling，MEM） 金属线、塑料线分层实体制造 （laminatedobjectmanufacturing，LOM） 纸、金属膜、塑料薄膜电子束熔化成型（Electronbeammelting，EBM） 钛合金选择性热烧结（Selectiveheatsintering，SHS） Thermoplasticpowder粉末层喷头三维打印 （Powderbedandinkjethead3dprinting，PP）3D打印技术方法目前全球3D打印机
5、形成 以下流派 ，即熔融堆积 、叠层堆积、 粉末堆积 、激光成型、光固化。1，熔融沉积成型（Fuseddepositionmodeling，简称FDM），可利用热塑性材料，金属、可食用材料等进行成型制造；2、光固化（Stereolithography，简称SLA），可利用的材料是光敏树脂等聚合物。3，选择性激光烧结（Selectivelasersintering，简称SLS）， 可利用的材料为热塑性塑料，金属粉末，陶瓷粉末等；4，薄材成型（Laminatedobjectmanufacturing，简称LOM），把一张张的纸铺上去累积而成的模型，当然金属膜，塑料膜也可以，也叫叠层堆积；5、粉末堆
6、积（Powderbedandinkjethead3dprinting，PP）3D打印技术方法FDM（热熔堆积固化成型法）由Stratasys公司所设计与制造， FDM技术利用ABS，polycarbonate(PC)，polyphenylsulfone (PPSF)以及其它材料。这些 热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆栈基础上的方式，从3DC AD资料直接建构原型。该技术通常应用于塑型，装配，功能性测试以及概念设计。此外，FDM技术可以应用于打样与快速制造。精度和稳定性FDM技术所提供的准确性通常相等或是优于SLA技术以及PolyJet技术，且确定优于SLS技术表面精度FD
7、M技术最明显的限制就是表面完工精度。由于是半熔融状态塑料挤制成型，表面完工精度比SLA与PolyJet还要粗糙，而与SLS不相上下。后期加工FDM原型可以进行铣床加工，钻孔，研磨，车床加工等。为了补偿表面精度不足并加强特征细节，当有特殊的品质需求时，使用者通常会进行二次加工来提升原型的细节3D打印技术方法SLA（Stereo lithography Appearance），即立体光固化成型法。SLA 用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。SLA是
8、最早实用化的快速成形技术， 采用液态光敏树脂原料。首先，通过CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；其次，激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径 照射到液态光敏树脂表面 ， 使表面特定区域内的一层树脂固化后， 当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后， 升降台下降一定距离， 固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型；最后，将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。SLA 技术的优势1）光固
9、化成型法 是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高，经过时间的检验。2）由CAD数字模型直接制成原型， 加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具。3）可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具。使CAD数字模型直观化，降低错误修复的成本。4）为实验提供试样，可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核。5）联机操作，可远程控制，利于生产的自动化。SLA 技术的缺陷1）SLA系统造价高昂，使用和维护成本过高。2)SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。成型件多为树脂类，强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存。3)预处理软件与驱动软件运算量大，与加工效果关联性太高
10、。4)软件系统操作复杂，入门困难；使用的文件格式不为广大设计人员熟悉。3D打印技术方法粉末材料选择性烧结SLS（Selected Laser Sintering）粉末材料选择性烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料（ 塑料粉等与粘结剂的混合粉）进行选择性烧结，是一种 由离散点一层层堆集成三维实体 的快速成型方法。选择性激光烧结（SLS）优点（1）可以采用多种材料。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。（2）过程与零件复杂程度无关，制件的强度高。（3）材料利用率高，为烧结的粉末可重复使用，材料无浪费。（4）无须支撑结构。（5）与其他成型方法相比，能生产较硬的模具
11、。SLS的缺点（1）原型结构疏松、多孔，且有内应力，制作易变性。（2）生成陶瓷、金属制件的后处理较难。（3）需要预热和冷却。（4）成型表面粗糙多孔，并受粉末 颗粒大小及激光光斑的限制。（5）成型过程产生有毒气体及粉尘，污染环境。3D打印技术方法选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末, 并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。整个装置由 粉末缸 和成型缸 组成,工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层；计算机根据原型的切片模型控制激光束 的二维扫描轨迹,有选择地烧
12、结固体粉末材料 以 形成零件的一个层面 。粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉,控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型。最后,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件。3D打印技术优缺点制造复杂物品不增加成本 、产品多样化不增加成本、零时间交付、设计空间无限、零技能制造、不占空间、便携制造、材料无限组合、精确的实体复制优势原料 购买拥有销售方原料 3D打印机 直接拥有组装传统生产3D打印生产工匠工厂运输经销生产制造商3D打印技术优缺点材料性能差，强度、刚度、机械 加工性等都远不如传统加工方式其次是材料局限，成本高。目前供3D打印机使用的材料非常有
13、限第三精度问题，分层制造存在台阶效应不足3D打印应用领域 目前，3D打印技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。3D打印应用领域3D打印应用领域3D打印应用领域3D打印应用领域2013年4月9日，日本一家医院的医生先使用刀具切割了一个由3D打印机打印的患者肝脏的三维复制品。这个模型帮助医生计算出如何切割肝脏，并成功的进行了肝脏移植手术3D打印在医疗中的应用先天性心脏缺陷是出生缺陷中最常见的类型，每年有近1的新生婴儿有此类问题。对婴幼儿进行心脏手术要求医生在一个还
14、没有完全长成的小而精致的器官的内部操作，难度非常高。在美国肯塔基州Louisville的Kosair儿童医院，心脏外科医生Erle Austin在对一个患有心脏病的幼儿进行复杂的手术之前，用3D打印的模型规划和实验，保障了手术的成功完成。3D打印在医疗中的应用日前，英国外科医在3D打印技术的帮助下成功为一位男士进行了面部修复。这位患者不幸坠落了四层楼的高度，重重地摔在了混凝土屋顶上。事故后Jon Fenton的颅骨千疮百孔，下颌整个消失。3D打印的模型帮助外科医生对患者的状况做出准确的判断。“根据这个模型我们可以制订手术计划，并进行准备工作。” DilipSrinivasan医生说，他负责监督
15、整个过程。 “这台手术非常复杂，但它事先已经规划好了。手术上我们只需按计划执行就行了。”3D打印在医疗中的应用为患者制作这种骨折辅助支架首先通过3D扫描得到患者伤处的精确模型数据，再通过3D打印制作出来。产品从外观上已经完胜“石膏”了。首先这种3D打印的支架材质是塑料，而且是多孔结构，所以很轻，透风透气遇水都没问题；其次由于是由3D扫描数据而来，制作出来就会更加合身，支撑效果也绝不会差；最后，在功能上，这款Osteoid Cast还能够添加配合超声促骨生长装置使用，使患者骨折恢复起来能够更快，效果更佳。3D打印在医疗中的应用当Natasha Hope-Simpson第一眼看到专门为她设计制作的
16、3D打印假腿时，立刻满心欢喜。她说，这甚至比她想象的要好。这位24岁的美女在去年11月份遭受了严重的车祸，她在医院呆了5个星期，并永远的失去了一条小腿。她原来的假腿是功能性的，但并不好看。于是这位NSCAD大学的学生与加拿大Truro的Thinking Robo工作室联系，希望能为她重新设计一条更好看的假腿。3D打印在医疗中的应用植入体钛合金、钴铬钼合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材料骨骼软骨关节牙齿耳朵部分器官3D打印在医疗中的应用俄亥俄州的小男孩Kaiba Gionfriddo，极端罕见的先天性气管支气管软化症，无法自主呼吸，每日面临死亡威胁。密西根大学医学院根据CT影像利用3D打印机打印了一个气管支架植入体内，7天后撤离呼吸机自主呼吸。2013年5月23日发表在新英格兰医学杂志。3D打印在医疗中的应用
