2024年3D打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式白皮书

3D打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式 3D打印机在医疗行业中的用途非常广泛，应用领域涉及设备设计概念、功能原型、模具到复杂手术的培训和模拟。这些项目使用的材料包括可复制组织以达到设计目的的独特多材料系统，以及生产级高性能热塑性塑料，赋予了设计师创造创新产品的自由。 3D打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式 3D打印已经沿用了超过30年，但最近引起了很多媒体的关注。Wohlers AssociatesInc.是一家跟踪快速产品开发以及增材制造发展和趋势的咨询公司，它预计到2018年增材制造和3D打印行业的全球收入将达到128亿美元。根据该公司在该主题上的年度出版物《2015年沃勒斯报告》，3D打印行业收入在2014年估计将增长至41亿美元。Wohlers Associates预测，到2020年，该行业所有产品和服务的收入将超过210亿美元。该公司将这种增长归因于成品零件的增加、现在可用机器和材料的更多选择、媒体的关注、多个集团的投资以及低成本的桌面3D打印机。 FDM的工作原理 3D打印流程从3D计算机辅助设计(CAD)模型开始。创建3D打印模型后，将其作为.STL文件导出。.STL文件随后被导入Stratasys用于FDM的两个软件程序中的一个，Insight™或Catalyst™，具体取决于目标打印机。 Stratasys的Fortus 450mc打印机可打印尺寸高达406 x 355x 406毫米（16 x 14 x 16英寸）的零件。 预处理软件计算切片并将零件设计切成多个分层，分层高度从0.005英寸（0.127毫米）到0.013英寸（0.3302毫米）不等。然后，该软件使用切片数据生成工具路径，或打印指令，以驱动挤压头工作。该软件的工作原理类似于纸质打印机的驱动程序，将数据作为作业发送到3D打印机，然后将要放置打印材料的位置告知打印头。 3D打印机采用数字设计并制作三维物体。3D打印工艺（也称为增材制造）通过逐层沉积少量材料来打印零件。与此相反，传统的制造方法是通过切削、研磨、铣削以及其他方法来去除材料。 如今，3D打印机可采用多种不同的打印技术。本电子书将对熔融沉积建模(FDM®)和打印材料进行讨论。FDM由Stratasys在20世纪90年代初期推出，通过计算机控制的挤压头熔化并挤出细带状的塑料，从而打印出即时可用的3D零件。 FDM的工作原理的第二步是生产或分层流程。首先，3D打印机会沉积出几层一次性支撑材料，形成一个底座。支撑材料还可为悬垂等部分提供支撑，作为其托架。 3D打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式 两种材料（一种用于制作零件，一种用于支撑零件）被加热至半液体状态，再通过挤压头进行挤压，然后精确地沉积在极细的层中，大小大致与人的头发相同。系统在零件材料和支撑材料之间不断变换，沉积出厚度为0.005英寸（0.13毫米）的薄层。 FDM的准确性和高精度要归功于进料率和挤压头运动的完美配合。两者都在不断变化，以形成宽度为0.008英寸到0.038英寸（0.20毫米到0.97毫米）的扁带状材料。在性能最高的FDM打印机上，零件的准确性或允差最高可达0.003英寸（0.08毫米），足以媲美注塑成型工艺。 打印头沿X-Y坐标移动，当从下往上打印模型及其支撑材料时，建模基座沿Z轴向下移动。熔化塑料的每一层都是一层一层沉积的，并通过挤压头稍微压平。最后，所有层都会立即相互融合。 打印模型时，可溶性支撑材料会支撑悬垂部分，以便3D打印复杂的模型，甚至是嵌套结构和带有运动零件的多零件配件。打印作业完成后，支撑材料会被洗掉，然后可以随时使用模型，或者如果需要，可以将成品上漆或通过其他工艺进一步加工。 3D打印市场细分 资料来源：2015年沃勒斯报告 3D打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式 医疗保健与3D打印行业 根据《2015 年沃勒斯报告》，医疗/牙科行业是2014年3D打印的最大细分市场，市场份额为13.1%，其他依次为工业(17.5%)、电子产品(16.6%)和机动车(16.1%)。 总部位于弗吉尼亚州夏洛茨维尔的 SmarTech Markets Publishing发布了一份题为《2015年医疗市场的3D打印：机会分析和十年预测》的研究报告，着眼分析了未来十年与医疗行业相关的3D打印的发展方向。根据SmarTech的数据，2014年有超过1,100台3D打印机出售用于医疗用途。该公司预测，到2020年，这一数字将会翻倍，每年大约有2,200台打印机用于医疗行业。同时，预计在市场的材料领域将会实现更大的增长。 2014年，用于医疗行业的3D打印材料收入约为5,000万美元。根据SmarTech的数据，到2020年，这一数字将会增长近七倍，飙升至3.45亿美元。这意味着材料的市场将大于打印这些材料的实际硬件的市场。推动材料市场大幅增长的主要驱动力是对定制医疗植入物和模型的需求迅速增长。 总部位于英国伦敦的商业信息提供商Visiongain公司发布的另一份报告预测，2018年医疗行业的全球3D打印市场价值将超过40亿美元。（该报告在市场定义中包括牙科产品、医疗植入物、生物打印组织以及其他医疗用途。）根据Visiongain在2014年1月发布的《医疗保健行业的3D打印：2014至2024年的研发、行业和市场》报告，2013年医疗市场产生了12亿美元的收入。 3D打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式 原型。过去，出于成本和时间方面的考虑，很少在医疗设备设计工作中使用原型，但3D打印可以提供一种更快且更简化的系统，让医疗产品制造商自行开发可随时试用的临床设备，以检查形状、适合度、功能和可制造性。例如，在传统的制造过程中，如果工程师拥有10种不同的产品设计，但由于有与交付时间、工具加工和测试相关的成本，他们通常需要将选项缩小到两个或三个设计原型。借助3D打印，该公司可以快速且高效地打印所有10个产品设计，以进行性能测试和严格的工程评估。制作功能性原型组件通常需要几小时到几天的时间。 Visiongain预测，从2014年起医疗保健行业的3D打印整体市场将会迅速增长，并指出：“多维打印比传统制造方法更具优势，因为它有助于生产具有高度针对性的复杂几何形状和表面。同时，它还非常适合生产小批量的高价值产品。因此，这些打印机提供了适合医疗保健行业生产产品的合成方法，其中对基于患者特定的高质量产品的需求正在不断增加，尤其是在骨科领域。” 医疗行业使用3D打印的好处 3D打印零件在医疗行业中有多种用途。设计师们正在使用3D打印技术来构建概念模型、功能原型、工厂工具（如模具和机器人手臂末端），甚至是成品。同时，医生、外科医生和医院也在使用3D打印进行新的医疗设备设计、培训和模拟，以及测试和研究。3D打印零件的示例包括与皮肤接触的工具、实验室仪器和外骨骼治具。 制造工具。使用3D打印机可以轻松制作夹具、治具、仪表、模型、模子和模具，无需花费时间和金钱进行加工、制造、塑造或铸造。FDM生产级打印机不仅能够节省制造工具的时间和成本，而且还能够改善装配过程。基于层的生产可以获得轻巧、复杂且符合人体工程学的形状，从而提高制造效率。 概念模型。在设计过程的早期，可以使用FDM技术打印模型，以检验形状、适合度和人体工程学。根据发现的任何缺陷，可以轻松地更改设计并再次打印。该迭代过程可持续进行，直至找到最佳概念。从2D打印到实体零件的转变将加快产品开发流程，同时降低成本。设计团队可以与提供反馈的其他人更早地审查概念。与工程、营销和质保部门快速进行协作，可以让设计师在整个设计过程和后续测试中进行相应调整。 成品。对于5,000件或更少的零件，您可以考虑使用打印机打印零件来替代传统的铸模、机械加工或工具加工流程。消除传统的制造工艺可以节省时间和成本，同时也可以在必要时自由地修改设计。 手术模拟和解剖模型。创建逼真的模型作为手术导板以规划复杂的医疗手术是3D打印最有趣的应用之一，并且由于3D打印机能够创建更逼真的组织模拟，其利用率也在不断提高。外科医生可以创建需要手术的身体 3D打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式 部位模型，使其手术技能得以练习，例如仪器插入、打结、解剖，以及修复创伤或先天性缺陷。对于需要复杂，多方面和多学科的外科手术病例，预先确定最佳治疗方案的能力至关重要，尤其是在不同专业（血管、骨科、神经外科，可能全部用在同一位患者身上）的团队之间。解剖模型能让外科手术团队评估几种不同的治疗方案，然后再选定一个手术规划，确保这些需求得到满足。反过来，这些模型可以为医生的教育和培训创造参考资料：以数字形式保存，可以重新打印以用来替换尸体标本、动物测试或典型解剖模型。 也在不断发展。如今，已经出现多种不同的ABS，并且每种ABS的机械性能都比原始ABS的配方更好。 如果要为FDM项目选择合适的医用材料，必须了解FDM技术的功能和局限性。利用FDM制成的治具、模具和原型可以经受严格的测试，以及在生产车间持续使用。FDM使用的材料能够很容易满足各种特殊特性，例如韧性、静电耗散和生物兼容性。 Stratasys可以为FDM机器提供两种具有生物兼容性(ISO 10993 USP Class VI)的材料：ABS-M30i™和PC-ISO™。这两种材料可以使用伽玛辐射或氧化乙烯消毒方法进行消毒。 用于FDM 3D打印的医用材料 很早以前，FDM技术已被广泛用于工业热塑性塑料和丙烯腈丁二烯苯乙烯聚合物(ABS)。但是，用于FDM技术的医用材料 这两种材料最适合用于制作需要良好的强度且需要进行消毒的零件。但是，Stratasys或原材料制造商都无法在符合FDA标准的情况下批准用于特定应用的树脂/塑料。最终设备制造商有责任通过对最终产品中使用的所有零部件和材料进行适当的测试和分析，确定最终用途的适用性。 对于坚固的模具、定制治具和生产零件，FDM技术可与生产级材料搭配使用，包括高性能热塑性塑料。对于成品生产，材料稳定性和长期性能至关重要。因此，需要考虑机械、耐热、电气和化学特性，以及由于老化或环境暴露因素而引起的任何变化。 FDM生产级打印机不仅能够节省制造工具的时间和成本，而且还能够改善装配过程。 Stratasys FDM机器使用16种不同的材料，包括3种工程热塑性塑料。每种材料的说明分别如下所述。 3D打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式 营销模型或成品，并且用户需要类似于注塑成型所具有的表面光洁度，则可使用FDM的可触精细抛光工作台（Finishing TouchSmoothing Station）提供的可选免手动式平滑流程，在一分钟内将零件处理平滑。 ABS-M30和ABSplus ABS-M30™塑料配方是FDM工艺中常用的塑料配方，专用于Fortus®系列生产级3D打印机。此材料配方也称为ABSplus™，适用于uPrint™系列3D打印机。 良好的材料特性和简单的后处理使得ABSplus和ABS-M30成为最常用的FDM材料。 这些材料处于原丝状时，便是具有相同机械性能的等同材料。但是，ABSplus和ABS-M30之间存在成品零件材料特性差异。与模制零件一样，加工过程也有所不同。Fortus3D打印机拥有高级硬件和软件控制，可按不同的方式处理材料，专为制造应用而开发。由此，改善了可从ABS-M30实现的材料特性。虽然ABSplus可生产坚韧的零件，但ABS-M30零件通常在所有类别中都具有更高的强度。 ABS-M30i 医疗、制药和食品处理设备有相应的严格法规，防止消费者受到疾病侵害。法规包括诸如ISO 10993和USP Class VI之类的标准，这些法规将材料分类为具有生物相容性。ABS-M30i符合这些标准，因此可用于与皮肤、食物和药物接触的产品。 这两种材料都能生产出稳定、坚固且耐用的零件。它们都具有一系列颜色，包括白色、黑色、红色、蓝色、绿色、荧光黄色等。 使这两种材料成为FDM的生产主力的另一种常见品质是，它们的