快速成型技术在仿生制造中的应用0激光电源

快速成型技术在仿生制造中的应用

快速成型技术在仿生制造中的应用 2011年12月04日 来源： 摘要：仿生制造融合了制造技术、生物技术、材料技术、信息技术，是一种高级制造形式。基于快速成型(RP)技术的仿生制造方法可以制造任意形状和结构的生物器官，并使之具有生物活性。在人工骨骼制造中、多种快速成型工艺得到了应用与实践。关键词：仿生制造；快速成型；人工器官1 引言生物体经过亿万年的演化，其结构、形态、功能一般都很合理，并具有良好的环境相容性。因此，人们为追求生态、经济、社会的可待续发展，研究和模仿生物系统的结构、功能、能量转换、控制机制、生长方式等各种优异特性，就成为一种必然趋势。由于仿生结构形状复杂，采用传统的加工工艺往往制造困难，在许多情况下甚至难以实现，且不便于修改，从而延长制作周期，增加开发成本。快速成型(Rapid Prototyping, RP)技术是20世纪80年代出现的新型技术，是面向设计（产品开发）的制造技术。RP技术是基于离散、堆积成型原理的新型数字化成型技术，它是在计算机的控制下，根据零件的CAD模型，通过材料的精确堆积而制造原型或零件。RP技术的基本实现途径是首先由CAD软件设计出零件的三维实体模型；然后将三维实体模型沿一定方向进行分层；再根据每一层的轮廓信息进行数控编程；最后在快速成型机上加工出一系列层片并将层片自动联接起来，即可得到三维实体。RP技术自产生以来，工艺日趋完善，质量显著提高，应用不断扩大。因此在中小宏观尺度上，RP技术为多维复杂结构仿生制造提供了良好的手段。2 基于RP技术的仿生制造仿生制造就是以制造过程与生命之间存在的相似性为基础，模仿自然界生物的成长方式进行制造。传统的仿生制造是基于DNA技术，主要应用于微观仿生制造。由于对DNA的研究尚有许多问题没有解决，所以要安全实现基于DNA的仿生制造还非常困难。基于RP技术的仿生制造是针对产品的具体结构，进行产品计算机辅助造型，再利用内部细微结构仿生建模技术以及经过分层、加支撑等技术的加工和处理，在快速成型机上产生生成物的三维实体。基于RP技术的仿生制造过程如图1所示。

图1 基于RP技术的仿生制造工作流程

如果要求生成物具有生物活性，则须在快速成型制造过程中使用生物可降脂材料，在加工三维实体模型之后，植入生物生长因子，并将其放入具有特定成份的培养液中，经过一段时间后，三维实体模型就可以生长成为具有生物活性的产品。基于RP技术的仿生制造方法可以制造人工骨骼和人工器官，用于医疗修复工程，可以制造人工肌肉，并进一步制造具有人体结构的机器人。可以制造生物活性结构的机器零件，甚至整台机器。3 用于人工骨骼制造的RP工艺(1)立体印刷成型(SLA)是以光敏树脂(如丙烯基树脂)为原料，采用计算机控制下的紫外激光以预定原型各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成的一个薄层截面。当一层固化后，向下(或上)移动工作台，在刚刚固化的树脂表面布放一层新的液态树脂，再进行新一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复至整个原型制造完毕，如图2所示。在快速成型时，选择骨骼的主要成份轻基磷灰石与紫外激光可以固化的丙烯基树脂单体混合液作为原料。

图2 SLA工艺示意图

(2)分层实体制造(LOM)工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。如图3所示，片材表面事先涂覆上一层热溶胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接；用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材(料带)分离；供料机构转动收料轴和供料轴带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割界面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。在制造人工骨骼时，将纸换成经基磷灰石或者玻璃，采用传统的流延法将胫基磷灰石或玻璃制成薄片，然后采用LOM技术，按照CT扫描并产生的CAD模型获得骨骼的三维实体模型。

图3 LOM工艺示意图

(3)选择性激光烧结(SLS)工艺是利用粉末状材料成型的，如图4所示。将材料粉末铺撒在已成型零件的上表面，并刮平；用高强度的co2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面己成型的部分连接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。SLS工艺的特点是材料适用面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷，蜡等材料的零件，特别是可以制造金属零件，这使SLS工艺颇具有吸引力。SLS工艺无须加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。在快速成型人工骨骼时采用羚基磷灰石陶瓷作为粉末材料，能加工出可以直接移植的骨骼。

图4 SLS工艺示惫图

(4)三维打印(3DP)工艺与SLS工艺类似，如图5所示，采用粉末材料成型。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘结剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘结剂粘结的零件强度较低，还需处理。先烧掉粘结剂，然后在高温下掺人陶瓷，使人工骨骼致密化，提高强度，采用3DP工艺制造的人工骨骼具有一定的微量结构功能。

图53DP工艺示意图

3DP工艺采用了打印技术中的喷墨方法，喷头在不直接接触粉末表面的情况下，有选择地将粘结剂喷到需要的位置上，将零件的片层逐层粘结起来。3DP技术主要用来进行对孔隙率的控制以及对孔径分布的控制(大约100μm)。所用到的有机材料包括聚乳酸、聚乙醇酸以及它们的共聚物，无机材料则为经基磷灰石。4 结论仿生制造技术是建立在材料、信息、计算机、加工、医学等多学科基础上的一门综合技术。快速成型技术可以解决仿生制造过程中的大量加工上的难题，特别是在人工骨骼制造和人体制造方面，具有现实的可操作性。作者简介：沈兴全(1969-)男，副教授，博士研究生主要研究方向、为基于制造技术的生命质量控制工程。王爱玲，女，教授，博士生导师。(end)

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