基本信息
- 項目名稱：
- 人耳廓支架及其復雜零件的快速制造
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 以人耳廓及其支架的制造為例，研究了復雜零件的快速制造方法和工藝。包括：基于實體點陣的點群數據三維重建、基于多種新算法的CT圖像三維重建、復雜零件的分塊制造工藝、復雜零件的熔融擠壓制造工藝、人耳廓及其支架的成形實驗等。項目開發(fā)的制造方法和工藝適用于數控機床難以加工的復雜零件的單件小批量生產，尤其適用于新產品開發(fā)階段的模型制造，具有制造速度快，成本低的特點。
- 詳細介紹：
- 以人耳廓及其支架的制造為例，研究了復雜零件的快速制造方法和工藝。包括：基于實體點陣的點群數據三維重建、基于多種新算法的CT圖像三維重建、復雜零件的分塊制造工藝、復雜零件的熔融擠壓制造工藝、人耳廓及其支架的成形實驗等。項目開發(fā)的制造方法和工藝適用于數控機床難以加工的復雜零件的單件小批量生產，尤其適用于新產品開發(fā)階段的模型制造，具有制造速度快，成本低的特點。
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、發(fā)明的目的：（1）制造人耳廓支架 （2）探索復雜零件的快速制造方法與工藝。 基本思路：研究小組采用分塊制造的技術路線探索人耳廓支架制造的快速制造方法，并對關鍵技術問題進行了研究。 創(chuàng)新點：(1) 建立了從CT圖像到實體模型的三維可視化系統(tǒng)，提出了新的重建算法，實現了CT圖像的三維實體重建。 (2) 提出采用透射光生成實體點陣的新方法和成形支撐體積新的計算方法，并采用遺傳算法直接對點群數據進行成形方向優(yōu)化，解決了快速成形過程中支撐體積難以實時、快速計算的問題，為快速成形提供了一種優(yōu)化計算成形方向的新方法。 (3) 開發(fā)了復雜零件分塊制造工藝，以及采用數控機床制造人耳廓支架的方法。 (4) 設計了一種專用的螺旋擠壓機構，將其安裝在加工中心的刀架上，借助于加工中心的進給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了熔融擠壓實驗，結果表明：所設計的結構基本達到了預期效果，其成形的人耳廓支架見實物。 (5) 采用軟模方式制造了不同材料配比的支架。 技術關鍵：(1) 人耳廓圖像的三維實體重建(2) 復雜零件分塊制造工藝(3) 人耳廓支架制造過程中的精度控制。 主要技術指標： 肖氏硬度：45；抗拉強度：65kg/cm2；撕裂強度：20kg/cm2；厚度：最薄處達到1mm；耳廓外形：外形（尤其是顱耳角部分）完整、與健側耳廓相似性好。
科學性、先進性
- 目前整形用的人工假體大多需要進口，進口產業(yè)多是大批量生產，在植入人體前，醫(yī)生要根據患者的具體情況對假體進行再加工，難以保證質量，因此根據需要進行個性化制造十分必要；而對于復雜零件的加工及原型制作來說，在現有機床條件下，制造出復雜零件，降低了生產成本，減少了對設備的要求。 （1）項目組通過復雜零件分塊制造工藝的探索，解決了零件難加工部位的制造問題，降低了生產成本和對機床的要求。 作品的科學性先進性（必須說明與現有技術相比、該作品是否具有突出的實質性技術特點和顯著進步。請?zhí)峁┘夹g性分析說明和參考文獻資料） （2）項目的研究為人耳廓支架的應用及進一步產業(yè)化開拓了市場空間，可以根據需要進行個性化制作，豐富了組織器官制造途徑。
獲獎情況及鑒定結果
- ① CT圖像三維重建軟件 ② 論文1：Xiaomin Cheng, Jianyu Shen（沈建宇） and Cao Liu，Auricle Bracket Rapid Prototyping Optimization and Process Control，Applied Mechanics and Materials Journal, Vols.34-35(2010),9：1333-1337 ③ 論文1的中文文本 ④ 論文1的EI收錄證明 ⑤ 論文2：沈建宇、梅柱、張國良、周根、程曉民，基于分塊思想的復雜零件制造技術研究，浙江科技學院學報，Vols.21（2009），3：258－261 ⑥ 論文3：張國良、沈建宇、周根、梅柱、程曉民，熔融擠壓成形螺旋擠壓機構設計，浙江科技學院學報，Vols.21（2009），3：289－292 ⑦ 實物1：采用分塊方法用加工中心制造的人耳廓支架 ⑧ 實物2：采用熔融擠壓成形的人耳廓支架 ⑨ 實物3：人耳廓支架硅膠軟模 ⑩ 實物4：用模具翻制的人耳廓支架（包括不同材料配比的支架共5個）
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物，產品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 在以人體缺損修復為主的整形外科，患者對缺損修復結果的預期已經不只是功能的恢復，而更加強調外形的修復，特別是一些需要作整復面容的病人，有時甚至對外形的要求達到十分苛求的地步。相應地，組織器官的個性化制作已經成了急待解決的問題。其中，由于人耳對人的外貌的重要性，其修復也顯得極為重要和急迫。而由于人耳形狀的復雜性，又給制造增加了相當的難度。因此，本項目探索了一種人耳廓支架的快速制造方法，為人耳廓支架的制作及其它復雜零件的制作提供了參考。對于醫(yī)療整形修復和美容行業(yè)來說，本項目的進一步開發(fā)將為其提供更合適的產品，降低患者的手術風險，有利于改善人們的健康狀況，提高生活質量。進一步開發(fā)有望替代進口產品，節(jié)約大量的外匯。 項目投產后將增加社會就業(yè)，增強企業(yè)的市場競爭力，提高企業(yè)的知名度，使企業(yè)更容易向專業(yè)化和規(guī)?；南冗M企業(yè)靠攏，將產生潛在效益。
同類課題研究水平概述
- 對耳朵缺損患者的修復治療，臨床上主要有四種方式：自體骨移植、異體骨移植、人工材料再造和組織工程方法。在采用組織工程方法治療耳朵缺損患者方面，美國的MEATHE教授已做了大量的研究，我國的曹誼林教授處于領先地位。1996年，曹誼林成功地用大白兔的肋軟骨在兔耳上再造了人耳廓；隨后，又成功地在裸鼠體內再生出人耳廓形軟骨，所采用的方法是：先用一種高分子化學材料聚羥基乙酸做成“人形耳”的模型支架，然后讓細胞在這個支架上繁殖生長，再將裸鼠的背上割開一個口子，將已經培養(yǎng)好的“人形耳”植入后縫合。支架最后會自行降解消失，“人形耳”便與老鼠渾然成為一體。因為裸鼠沒有免疫力，不會對那只“耳朵”產生排異反映，所以，裸鼠背上復制“人形耳”與真正的人耳的體內移植還存在著很大的差距。最近，曹誼林教授已經開始在培養(yǎng)箱里培養(yǎng)“體外再生耳朵”，但還有一些關鍵問題難以解決，如：單純用組織工程方法（生物方法）培養(yǎng)，骨骼的生長速度相當慢，生長速度大約為1μ/24h；再如：組織工程體外培養(yǎng)細胞存在衰老趨向、生物相容性、生物強度與可塑性問題等。20世紀80年代中后期，羥基磷灰石、高分子硅橡膠、鈦合金、多聚乙烯等生物相容性較好的材料大量涌現，為人耳的整型和修復帶來了廣闊的前景，但由于技術的限制，強調功能修復仍優(yōu)先于外形修復，這遠遠滿足不了人們對于美的追求。目前制約人耳整形發(fā)展的瓶頸問題主要是：具有生物相容性的人體可植入材料的研究、CT掃描數據接口轉化及人耳支架的個性化制作與臨床應用等。人耳支架制作的傳統(tǒng)方法是通過臨床取模、模型灌注、義耳塑形等手工制作形成人耳的外部輪廓，其形態(tài)往往不夠理想。已有一些單位采用了快速成形技術制造醫(yī)學模型，或者用快速成形技術制造模具再翻制成所需的人耳支架，如：第二醫(yī)科大學附屬第九醫(yī)院張富強教授、上海交通大學王成壽教授等，在此過程中，仍存在著尺寸精度和形狀的喪失，最后澆注成形的由人工材料制造的人耳結合不夠緊密，一段時間后出現潰散等問題需要解決。本研究小組正是要探索人耳支架的制造問題，通過三維實體重建、分塊制造、采用生物相容性材料等，來實現復雜零件的數字化、個性化快速制造。
