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基本信息
- 項目名稱：
- 人耳廓支架及其復(fù)雜零件的快速制造
- 小類：
- 機(jī)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(fù)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(shù)據(jù)三維重建、基于多種新算法的CT圖像三維重建、復(fù)雜零件的分塊制造工藝、復(fù)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(shù)控機(jī)床難以加工的復(fù)雜零件的單件小批量生產(chǎn)，尤其適用于新產(chǎn)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(xì)介紹：
- 以人耳廓及其支架的制造為例，研究了復(fù)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(shù)據(jù)三維重建、基于多種新算法的CT圖像三維重建、復(fù)雜零件的分塊制造工藝、復(fù)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(shù)控機(jī)床難以加工的復(fù)雜零件的單件小批量生產(chǎn)，尤其適用于新產(chǎn)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(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計、發(fā)明的目的：（1）制造人耳廓支架 （2）探索復(fù)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(shù)路線探索人耳廓支架制造的快速制造方法，并對關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)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(xiàn)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(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)雜零件分塊制造工藝，以及采用數(shù)控機(jī)床制造人耳廓支架的方法。 (4) 設(shè)計了一種專用的螺旋擠壓機(jī)構(gòu)，將其安裝在加工中心的刀架上，借助于加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了熔融擠壓實驗，結(jié)果表明：所設(shè)計的結(jié)構(gòu)基本達(dá)到了預(yù)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(shù)關(guān)鍵：(1) 人耳廓圖像的三維實體重建(2) 復(fù)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(shù)指標(biāo)： 肖氏硬度：45；抗拉強(qiáng)度：65kg/cm2；撕裂強(qiáng)度：20kg/cm2；厚度：最薄處達(dá)到1mm；耳廓外形：外形（尤其是顱耳角部分）完整、與健側(cè)耳廓相似性好。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前整形用的人工假體大多需要進(jìn)口，進(jìn)口產(chǎn)業(yè)多是大批量生產(chǎn)，在植入人體前，醫(yī)生要根據(jù)患者的具體情況對假體進(jìn)行再加工，難以保證質(zhì)量，因此根據(jù)需要進(jìn)行個性化制造十分必要；而對于復(fù)雜零件的加工及原型制作來說，在現(xiàn)有機(jī)床條件下，制造出復(fù)雜零件，降低了生產(chǎn)成本，減少了對設(shè)備的要求。 （1）項目組通過復(fù)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(chǎn)成本和對機(jī)床的要求。 作品的科學(xué)性先進(jìn)性（必須說明與現(xiàn)有技術(shù)相比、該作品是否具有突出的實質(zhì)性技術(shù)特點和顯著進(jìn)步。請?zhí)峁┘夹g(shù)性分析說明和參考文獻(xiàn)資料） （2）項目的研究為人耳廓支架的應(yīng)用及進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化開拓了市場空間，可以根據(jù)需要進(jìn)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(jié)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(fù)雜零件制造技術(shù)研究，浙江科技學(xué)院學(xué)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(jī)構(gòu)設(shè)計，浙江科技學(xué)院學(xué)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(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物，產(chǎn)品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 在以人體缺損修復(fù)為主的整形外科，患者對缺損修復(fù)結(jié)果的預(yù)期已經(jīng)不只是功能的恢復(fù)，而更加強(qiáng)調(diào)外形的修復(fù)，特別是一些需要作整復(fù)面容的病人，有時甚至對外形的要求達(dá)到十分苛求的地步。相應(yīng)地，組織器官的個性化制作已經(jīng)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(fù)也顯得極為重要和急迫。而由于人耳形狀的復(fù)雜性，又給制造增加了相當(dāng)?shù)碾y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(fù)雜零件的制作提供了參考。對于醫(yī)療整形修復(fù)和美容行業(yè)來說，本項目的進(jìn)一步開發(fā)將為其提供更合適的產(chǎn)品，降低患者的手術(shù)風(fēng)險，有利于改善人們的健康狀況，提高生活質(zhì)量。進(jìn)一步開發(fā)有望替代進(jìn)口產(chǎn)品，節(jié)約大量的外匯。 項目投產(chǎn)后將增加社會就業(yè)，增強(qiáng)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?qū)I(yè)化和規(guī)?；南冗M(jìn)企業(yè)靠攏，將產(chǎn)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(fù)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(lǐng)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(nèi)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(xué)材料聚羥基乙酸做成“人形耳”的模型支架，然后讓細(xì)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(jīng)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(chǎn)生排異反映，所以，裸鼠背上復(fù)制“人形耳”與真正的人耳的體內(nèi)移植還存在著很大的差距。最近，曹誼林教授已經(jīng)開始在培養(yǎng)箱里培養(yǎng)“體外再生耳朵”，但還有一些關(guān)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(dāng)慢，生長速度大約為1μ/24h；再如：組織工程體外培養(yǎng)細(xì)胞存在衰老趨向、生物相容性、生物強(qiáng)度與可塑性問題等。20世紀(jì)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(xiàn)，為人耳的整型和修復(fù)帶來了廣闊的前景，但由于技術(shù)的限制，強(qiáng)調(diào)功能修復(fù)仍優(yōu)先于外形修復(fù)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)化及人耳支架的個性化制作與臨床應(yīng)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(shù)制造醫(yī)學(xué)模型，或者用快速成形技術(shù)制造模具再翻制成所需的人耳支架，如：第二醫(yī)科大學(xué)附屬第九醫(yī)院張富強(qiáng)教授、上海交通大學(xué)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(jié)合不夠緊密，一段時間后出現(xiàn)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(xiàn)復(fù)雜零件的數(shù)字化、個性化快速制造。
