一種光固化三維打印矯形器復合加工方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及復合加工技術，具體涉及一種針對使用立體光固化快速成型(SLA)工藝生產的矯形器的纖維樹脂復合加工方法。
【背景技術】
[0002]矯形器，是指裝配于人體四肢、軀干等部位的體外器具的總稱，根據(jù)安裝部位，矯形器可分為上肢矯形器、下肢矯形器和脊柱矯形器這三大類，其目的是為了預防或矯正四肢、軀干的畸形或治療骨關節(jié)及神經(jīng)肌肉疾病并補償其功能。其功能主要包括以下幾個方面:
(I)穩(wěn)定與支持:通過限制肢體或軀干的異常運動來保持關節(jié)的穩(wěn)定性，恢復承重或運動能力。
[0003](2)固定與矯正:對已出現(xiàn)畸形的肢體或軀干，通過固定病變部位來矯正畸形或防止畸形加重。
[0004](3)保護與免負荷:通過固定病變的肢體或關節(jié)，限制其異?；顒樱３种w、關節(jié)的正常對線關系，對下肢承重關節(jié)可以減輕或免除長軸承重。
[0005](4)代償與助動:通過某些裝置如橡皮筋、彈簧等來提供動力或儲能，代償已經(jīng)失去的肌肉功能，或對肌力較弱部分給予一定的助力來輔助肢體活動或使癱瘓的肢體產生運動。
[0006]矯形器的三維打印制備方法，是指通過三維掃描、數(shù)字修復和三維打印技術制備矯形器，有別于傳統(tǒng)矯形器的生產工藝，三維打印制備方法通過三維掃描替代石膏翻模倒模的人工取形過程、通過對掃描文件的數(shù)字化處理修復替代人工石膏修形過程、通過三維打印快速制造替代熱塑板材抽真空成型剪裁過程，具有取形便捷、修形準確、生產迅速的特點。其制備方法主要包括以下幾個步驟:
(I)通過三維掃描設備掃描待矯正部位，記錄待矯正部位的三維掃描數(shù)據(jù)。
[0007](2)通過三維軟件對掃描得到的三維模型進行數(shù)據(jù)處理，得到具有矯形功能的矯形器數(shù)字三維模型。
[0008](3)通過三維打印工藝將矯形器數(shù)字三維模型打印成型。
[0009]立體光固化快速成型(SLA)工藝采用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線，由線到面順序凝固，完成一個層面的繪圖作業(yè)，然后升降平臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面.這樣層層疊加構成一個三維實體。
[0010]目前，采用立體光固化快速成型(SLA)技術生產的三維矯形器具有以下缺點:
1、光固化材料在固化后易老化。SLA產品在20°C室溫時靜置12小時便開始老化，遭受陽光照射的SLA產品會有更短的老化時間和更劇烈的老化程度。相同厚度的矯形器，老化后的SLA矯形器抗折斷能力較未老化的SLA產品下降了 15%至30%，較傳統(tǒng)聚丙烯材料下降了 30%至60%。老化脆裂后的矯形器會在斷裂處產生小片碎塊，容易刺傷劃傷患者。
[0011]2、光固化材料成本高。通過增加厚度所生產的矯形器避免了老化脆裂的問題，但其生產成本極高。相同厚度的矯形器，光固化材料成本是傳統(tǒng)聚丙烯板材的25至40倍，加厚I至1.5倍的矯形器，其光固化材料成本是原厚度傳統(tǒng)聚丙烯材料成本的90至120倍。并且，加厚生產的矯形器較傳統(tǒng)材料矯形器重量增加了 1.5至2.5倍，不方便患者使用。
[0012]3、SLA產品受熱易軟化變形。當溫度達到50°C時，SLA產品受外部壓力作用便可產生形變；當溫度達到70°C時，SLA產品軟化失去固定支撐能力。

【發(fā)明內容】

[0013]本發(fā)明的目的是為克服采用立體光固化快速成型(SLA)工藝生產的三維打印矯形器的易老化、材料成本高、不耐熱的缺點，提供一種SLA矯形器復合加工方法，該方法通過改變SLA矯形器的設計，減小厚度節(jié)約材料，在SLA矯形器的成品上涂覆纖維、樹脂，避免老化，增強產品強度。
[0014]本發(fā)明提供了一種SLA矯形器的復合加工方法，包括如下步驟:
步驟(I)、在矯形器的數(shù)字模型設計階段，將矯形器壁厚設置為0.7?1.0_，通過三維打印工藝打印成型，得到矯形器SLA打印產品殼體；
步驟(2)、在步驟(I)得到的矯形器SLA打印產品殼體的內側涂覆厚度為0.1mm脫模劑作為脫模層，然后灌入半水纖維石膏固化后作為內部支撐；
所述的脫模劑可以選擇為凡士林，因其便宜易用，節(jié)約成本；
步驟(3)、在矯形器SLA打印產品殼體外側涂覆樹脂纖維覆層，形成復合加固層；
所述的樹脂纖維覆層涂覆方法是使用環(huán)氧樹脂浸潤纖維布，將纖維布包覆在SLA殼體外側并通過撫平擠出間隙中的氣泡；每層纖維布確認貼合后將下一層纖維布浸潤、包覆、撫平，如此往復，直至按矯形器需求包覆上所需的纖維布數(shù)量；
步驟(4)、將步驟(3)復合加工后的矯形器放置于烘箱內加溫使樹脂纖維覆層固化，固化后去除內部半水纖維石膏支撐取得復合加工的矯形器成品。
[0015]步驟(I)中，0.7至1.0mm的壁厚設置即表示矯形器壁厚減小至原設計標準的40?50%。重新設計壁厚的產品材料用量減少了 40?65%，韌性提升30?55%，產品更輕，抗折斷能力更強。
[0016]步驟(2)中，灌入的半纖維石膏固化后作為內部支撐，在后續(xù)的涂覆及加熱操作中對SLA殼體一一樹脂纖維敷層進行內部造型，保持矯形器形狀。
[0017]步驟(3 )中，根據(jù)矯形器的使用需要選擇不同的環(huán)氧樹脂作為涂覆材料，丙烯酸酯類樹脂具有良好的生物相容性，雙酚A類環(huán)氧樹脂具有更好的韌性及耐磨性。根據(jù)矯形器類別的不同，可選擇不同的纖維層布進行包覆。對于非承重類的矯形器，例如對掌矯形器、手臂矯形器，僅需使用I至2層厚度為0.12?0.20_玻璃纖維層布進行包覆即可；對于承重類矯形器，例如踝足矯形器、腰骶矯形器，需要3至4層400g/m2的加厚玻璃纖維或多層200 g/m2的碳纖維進行包覆。對于有固定需求、抗沖擊需求的矯形器，可采用不同類型的纖維層布混合包覆。
[0018]步驟(4)中，根據(jù)涂覆的環(huán)氧樹脂型號與纖維層數(shù)確定具體烘箱的加溫溫度與烘烤時間。環(huán)氧丙烯酸酯類樹脂需要70°C至80°C的固化溫度，雙酚A型環(huán)氧樹脂需要60°C至70°C的固化溫度。I至3層纖維布僅需30至40分鐘便可完成固化，更多層的覆層根據(jù)具體情況需將烘烤時間控制在40至60分鐘不等。
[0019]利用上述工藝制備加工得到的矯形器，既具有三維掃描取形便捷、數(shù)字修復矯形精確、生產成形快速等優(yōu)點，又克服了單純SLA材料易老化脆裂、材料成本偏高、受熱易變形的問題。光固化原料的用料減少了 40?65%，樹脂與纖維價格的低廉使成本大為降低。復合加工后的矯形器軟化溫度提高了 15?25°C不等。復合加工材料具有良好的韌性，與單純SLA材料相比加載性能提升了 3?5倍，對于多層纖維加厚的產品，其抗折斷能力與傳統(tǒng)聚乙烯、聚丙烯板材一致。由于纖維樹脂的復合包覆加工，矯形器即便發(fā)生斷裂，也不會有碎片產生。
【附圖說明】
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