貝朗compact注射泵的注射器夾3D打印實(shí)踐

蔡潤(rùn)秋，朱銥楠，巫 琦

（南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院設(shè)備處，南京 210029）

0 引言

3D打印技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的前沿科技，涉及物體三維建模、材料科學(xué)等多領(lǐng)域技術(shù)，其利用切片軟件將物體的數(shù)字化三維模型切片分層后，借助類(lèi)似打印機(jī)的制造設(shè)備逐層疊加材料形成所需的實(shí)體模型[1-4]。按照3D打印材料的種類(lèi)，可以將3D打印劃分為非金屬3D打印、金屬3D打印和生物3D打印3類(lèi)，根據(jù)成形原理的不同各分類(lèi)都有多種成型方法。正是由于其豐富的適應(yīng)性，3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域已有應(yīng)用，包括醫(yī)用組織器官打印、醫(yī)用模型制作、藥物研究設(shè)計(jì)等[5-14]，本文主要研究非金屬3D打印在臨床醫(yī)療設(shè)備維修中的應(yīng)用。目前，非金屬3D打印成型技術(shù)主要包括3種：熔融沉積成型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)[15]以及激光固化成型技術(shù)[16-18]。本研究采用在小型件3D加工中最為常見(jiàn)的熔融沉積成型技術(shù)，采用聚乳酸（polylactic acid，PLA）作為打印原料。

醫(yī)療設(shè)備維修與維護(hù)中經(jīng)常遇到損壞率高、更換成本高、定制需求高的零部件，向廠方申購(gòu)相關(guān)配件可能會(huì)遇到定價(jià)高、發(fā)貨時(shí)間長(zhǎng)甚至配件無(wú)貨或停產(chǎn)的情況，有時(shí)需要更換的只是一個(gè)小配件，但是廠方可能只提供該配件所屬的整體模塊。針對(duì)以上問(wèn)題，3D打印可以發(fā)揮其快速高效、可定制化的優(yōu)勢(shì)，及時(shí)解決臨床醫(yī)療設(shè)備維修與維護(hù)所產(chǎn)生的棘手問(wèn)題。本研究利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)定制注射泵的易損件——輸液器夾，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。

1 注射器夾的3D打印設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試

本研究選取醫(yī)院常用的德國(guó)貝朗compact注射泵的注射器夾進(jìn)行3D打印。注射泵的注射器夾由于經(jīng)常開(kāi)合并承受切向應(yīng)力，是斷裂故障的多發(fā)部件，若直接購(gòu)買(mǎi)，費(fèi)用高（約為500元左右）、到貨周期長(zhǎng)（2周至1個(gè)月），增加了醫(yī)院運(yùn)維成本并降低了設(shè)備開(kāi)機(jī)率。故嘗試?yán)?D打印技術(shù)制作所需更換的配件，既能滿足臨床使用的需求、降低維修成本，又能大大縮短維修周期，保證盡快恢復(fù)臨床使用。利用3D打印技術(shù)制作維修配件的步驟：（1）配件三維模型的設(shè)計(jì)與評(píng)估；（2）3D打印；（3）測(cè)試與設(shè)計(jì)修改。

1.1 注射器夾模型的建模、設(shè)計(jì)與評(píng)估

1.1.1 注射器夾的建模、設(shè)計(jì)

（1）建模。3D打印產(chǎn)品個(gè)性化定制的前提是進(jìn)行三維建模，目前可支持參數(shù)化建模的設(shè)計(jì)軟件中，AutoCAD具有功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單、適配性強(qiáng)等顯著特點(diǎn)，因此本研究選用AutoCAD對(duì)所需打印的注射器夾進(jìn)行三維建模。在設(shè)計(jì)所要打印的注射器夾時(shí)，首先結(jié)合注射泵的日常使用情況，對(duì)卡槽的拉環(huán)部分進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，然后利用游標(biāo)卡尺對(duì)注射器夾進(jìn)行尺寸參數(shù)的測(cè)量，最后根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，利用建模軟件完成注射器夾的建模?？紤]到3D打印材料存在熱脹冷縮現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)注射器夾與其他標(biāo)準(zhǔn)工件接觸的部分時(shí)，可以將該部分的尺寸數(shù)據(jù)適當(dāng)放大0.1 mm左右，避免因打印過(guò)程產(chǎn)生的誤差導(dǎo)致對(duì)應(yīng)孔道直徑減小，進(jìn)而發(fā)生無(wú)法安裝的問(wèn)題。

（2）注射器夾設(shè)計(jì)。注射器夾寬13.84 mm、高42.66 mm，前后深度為47.07 mm，其底部是一個(gè)半徑為6.92 mm的半圓弧。其螺紋孔內(nèi)部直徑為2.8 mm，深3.66 mm；螺紋孔外2個(gè)圓環(huán)的直徑分別為5.38 mm和9.68 mm，對(duì)應(yīng)深度分別為1.12 mm和2.46 mm。該注射器夾與注射泵連接軸相連的孔內(nèi)部直徑為4.58 mm、長(zhǎng)17.96 mm，其上方有一個(gè)寬3 mm、長(zhǎng)17.96 mm、高2.02 mm的長(zhǎng)方體，在使用中起到固定作用。與注射器接觸的圓弧部分是由兩段半徑分別為10.36 mm和10.2 mm的圓弧拼接而成。圓弧的上端是一個(gè)直徑為3.4 mm的小圓柱，同時(shí)與半徑10.36 mm的圓弧和垂直方向左偏26°的斜平面相切。截取10.2 mm為半徑的圓弧，使圓弧下端成直角，并對(duì)該直角進(jìn)行半徑為1 mm的倒圓角處理。拉手部分因?qū)φ５墓δ苁褂糜绊懖淮?，故做了?jiǎn)化處理，由2個(gè)圓柱組成，并對(duì)拉手的邊緣進(jìn)行了半徑為0.5 mm的倒圓角處理。注射器夾的三維模型如圖1所示。

圖1 注射器夾的三維模型

1.1.2 注射器夾模型的受力分析評(píng)估

完成三維模型的設(shè)計(jì)后，需要對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力分析評(píng)估。由于注射器夾在臨床使用中經(jīng)常承受切向應(yīng)力，需要對(duì)注射器夾在PLA重構(gòu)下的應(yīng)力狀況做出評(píng)估。在本研究中，應(yīng)用COMSOL軟件對(duì)注射器夾模型進(jìn)行應(yīng)力評(píng)估。進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，以螺紋孔為固定點(diǎn)、卡槽拉環(huán)為受力點(diǎn)來(lái)模擬臨床使用時(shí)拉動(dòng)該注射器夾的實(shí)際受力。對(duì)卡槽的拉環(huán)施加50 N向外的拉力，通過(guò)軟件分析可得，卡槽后段與卡槽下端的連接處所受的壓強(qiáng)最大，約為5×104N/m2，說(shuō)明該部位最容易受損斷裂，這與注射泵實(shí)際的使用維修情況相符。

在COMSOL Multiphysics的三維模型中進(jìn)行應(yīng)力分析（如圖2所示），選擇“固體力學(xué)”的物理場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)研究。在“幾何”中導(dǎo)入之前繪制好的注射器夾的三維模型，為模型添加材料時(shí)，在材料庫(kù)中找到與打印原料相同的材料（PLA），并添加到組件中；在材料的設(shè)置屬性中，填入PLA的相關(guān)物理屬性參數(shù)，模擬實(shí)際使用的打印材料；在網(wǎng)格設(shè)置中，選擇“物理場(chǎng)控制網(wǎng)格”，并選擇合適的單元大小構(gòu)建網(wǎng)格；網(wǎng)格構(gòu)建完畢后點(diǎn)擊“計(jì)算”，開(kāi)始進(jìn)行受力情況的模擬，待計(jì)算機(jī)應(yīng)力分析完成，在“圖形”窗口中就可以看到上述整個(gè)注射器夾的受力情況。PLA的彎曲模量為100～150 MPa，斷裂伸長(zhǎng)比為4%～10%，由此可知，注射器夾可以承擔(dān)足夠的切向應(yīng)力，保持結(jié)構(gòu)的完整性而不發(fā)生斷裂。

圖2 模型受力擬合所得結(jié)果示意圖

1.2 3D打印

1.2.1 切片軟件的設(shè)置

切片軟件采用一定的切片算法對(duì)三維模型文件進(jìn)行切片處理，層層切割，得到模型在每一層二維平面上的幾何輪廓，在獲得的輪廓的基礎(chǔ)上，再在輪廓內(nèi)部進(jìn)行各種圖案的填充，同時(shí)完成打印路徑的規(guī)劃，生成3D打印機(jī)可識(shí)別的gcode文件。經(jīng)過(guò)切片軟件處理后所得到的gcode文件是一串控制3D打印機(jī)電動(dòng)機(jī)的指令集合，用于指揮機(jī)器部件的運(yùn)動(dòng)。gcode文件包含的G代碼可以控制噴頭、激光頭等工作部件的往返方向、速度等設(shè)置，從而將三維模型的立體建構(gòu)轉(zhuǎn)化為噴頭逐層往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軌跡以便進(jìn)行打印操作。目前，市面上常見(jiàn)的切片軟件有Cura、slic3r、Simplify3D等，本研究采用Cura軟件。本研究將注射器夾的3D建模文件導(dǎo)入Cura軟件進(jìn)行層析切片，輸入頂部層數(shù)、底部層數(shù)、填充層厚度等各項(xiàng)打印參數(shù)，并設(shè)置層高為0.2 mm、精度為0.1 mm。為了使打印平臺(tái)牢固黏附，可選用檐邊（Brim）或底墊（Raft）進(jìn)行加強(qiáng)。

1.2.2 打印

本研究選用極光爾沃A-4系列3D打印機(jī)，該機(jī)器的成型原理是熔融堆積，可支持STL、gcode等多種打印文件格式，常選用PLA作為打印材料。在實(shí)施打印前，先對(duì)打印平臺(tái)進(jìn)行調(diào)平、預(yù)熱等處理，并在打印平臺(tái)表面涂加PVP膠以增強(qiáng)平臺(tái)的附著力，防止打印工件脫膠變形。打印機(jī)預(yù)熱后即可進(jìn)行注射器夾的打?。ㄈ鐖D3所示）。打印完成之后，須去除打印底座和支撐結(jié)構(gòu)，并使用銼刀等工具提高注射器夾空孔洞內(nèi)的光滑程度，以保證注射器夾的使用功能。

圖3 打印過(guò)程及成品

1.3 測(cè)試與模型修改

打印完成后，將打印的注射器夾重新安裝到注射泵上進(jìn)行功能測(cè)試。首先將注射器夾固定好，檢查其與注射泵的連接是否穩(wěn)固，并拉動(dòng)拉環(huán)，檢查卡槽的伸縮是否順暢，注射器夾的易損處是否出現(xiàn)裂縫或斷裂的現(xiàn)象。然后打開(kāi)注射泵，分別夾上20 mL和50 mL 2種規(guī)格的注射器，觀察注射泵顯示屏上是否出現(xiàn)對(duì)應(yīng)規(guī)格的注射器提示，若上述要求都能滿足，則說(shuō)明打印的注射器夾符合臨床使用的要求，一旦出現(xiàn)功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，就需要對(duì)注射器夾三維模型設(shè)計(jì)作出相應(yīng)更改，直到使用打印的注射器夾的注射泵能正確識(shí)別2種不同的注射器。

此次設(shè)計(jì)中與注射泵連接軸對(duì)應(yīng)的注射器夾孔徑尺寸過(guò)小，安裝困難，強(qiáng)行固定后出現(xiàn)裂縫。因該部分的厚度較薄，在拆除內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，尤其需要小心，避免因?yàn)橛昧^(guò)大而導(dǎo)致零件開(kāi)裂。另外，孔直徑也存在改善空間，孔徑尺寸偏小，擰動(dòng)費(fèi)力。開(kāi)啟注射泵后，依次測(cè)試識(shí)別20 mL和50 mL的注射器，發(fā)現(xiàn)注射泵可以正確識(shí)別出50 mL的注射器并在顯示屏上顯示，但是在識(shí)別20 mL注射器時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，需將卡槽往外拉出1～2 mm才能識(shí)別出來(lái)。

根據(jù)上述測(cè)試情況，對(duì)之前的三維模型設(shè)計(jì)做出相應(yīng)的修改。對(duì)孔徑偏小的部位適當(dāng)放大，考慮到打印材料的熱脹冷縮效應(yīng)，將上述2處孔徑的直徑分別增加0.2 mm和0.1 mm。為解決無(wú)法識(shí)別20 mL注射器的問(wèn)題，對(duì)注射器夾卡槽的下部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在原有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上做出適當(dāng)?shù)难诱梗唧w步驟如下：（1）將注射器夾上半部分的外圓弧改成斜平面，修改了注射器夾的傾斜程度，提高了上接觸點(diǎn)的高度；（2）增加卡槽與注射器下接觸點(diǎn)的寬度，從而彌補(bǔ)之前設(shè)計(jì)中存在的1～2 mm的間隙誤差；（3）重新測(cè)量并修改內(nèi)圓弧切線與零件后壁之間的距離，以提高零件對(duì)針筒的識(shí)別準(zhǔn)確性。修改前后的三維模型如圖4所示。

圖4 三維模型修改前后對(duì)比

對(duì)修改過(guò)的三維模型重復(fù)上述過(guò)程，再次安裝并調(diào)試注射泵，觀察注射器夾與注射泵的匹配情況，最終注射器夾完全滿足臨床使用的要求。

經(jīng)測(cè)試，3D打印注射器夾可以滿足注射泵的基礎(chǔ)使用，可以用來(lái)替代原廠配件。但是相對(duì)于原配件，3D打印注射器夾也存在一些問(wèn)題：（1）即使在進(jìn)行3D打印時(shí)選擇100%填充（即可打印的最大強(qiáng)度），打印出的注射器夾相較于原廠配件仍舊存在彈性模量過(guò)大的問(wèn)題，在施加較大的力時(shí)，注射器夾末端容易有輕微的可見(jiàn)的彈性形變，這在長(zhǎng)期使用中可能會(huì)影響注射器夾的穩(wěn)定性（如圖5所示）。（2）對(duì)3D打印注射器夾進(jìn)行耐壓測(cè)試，使用臺(tái)鉗對(duì)注射器夾的對(duì)角線方向進(jìn)行施壓（對(duì)角線方向通常是實(shí)際使用中最常受力的方向），估算臺(tái)鉗對(duì)注射器夾的力，并對(duì)原廠配件和3D打印注射器夾在受力下是否發(fā)生形變進(jìn)行對(duì)比，比較結(jié)果見(jiàn)表1。

圖5 3D打印注射器夾上機(jī)與耐壓測(cè)試

表1 原廠配件與3D打印注射器夾在受力情況下的形變情況

由表1可以看出，3D打印的注射器夾在被施加大于20 kg的外力后開(kāi)始逐漸變形。這意味著在一些對(duì)工件的機(jī)械強(qiáng)度有著更高要求的應(yīng)用場(chǎng)合中，3D打印工件并不適用，而在醫(yī)院常見(jiàn)醫(yī)療設(shè)備中監(jiān)護(hù)儀的各類(lèi)旋鈕、小型設(shè)備如動(dòng)態(tài)血壓、心率監(jiān)測(cè)設(shè)備的外殼件可用3D打印開(kāi)模。

實(shí)際維修中，注射泵的配件原廠費(fèi)用較3D打印高很多，以本文的輸液器夾為例，購(gòu)置原廠配件需500元左右，而3D打印的成本在5元以下；配件的到貨時(shí)間通常需1周，而3D打印注射器夾可以在15 min內(nèi)完成，能節(jié)約維修成本并縮短維修時(shí)間。

2 結(jié)語(yǔ)

本研究利用三維建模的方法，對(duì)注射泵上容易損壞的零配件——注射器夾進(jìn)行了模型復(fù)制，通過(guò)參數(shù)化建模完成了三維模型的制作，采用3D打印技術(shù)進(jìn)行了成型構(gòu)建，從而達(dá)到還原其使用功能的目的，滿足臨床使用的要求。實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果表明，3D打印技術(shù)可以用于醫(yī)療設(shè)備維修中可替換配件的定制，利用3D打印技術(shù)制作設(shè)備配件，可以根據(jù)設(shè)備的損壞情況制訂個(gè)性化的維修方案，在降低維修成本的同時(shí)還能縮短維修周期，保證了設(shè)備的開(kāi)機(jī)率。本研究尚未對(duì)其他醫(yī)療設(shè)備中的易損件進(jìn)行3D打印定制，將在下一步的研究中對(duì)注射泵的其余易損件（如電池盒蓋等）進(jìn)行3D打印，并進(jìn)行3D打印配件耐磨性測(cè)試等研究。