为什么无支撑结构在医学3D打印中如此重要

自从3D打印技术诞生以来，我们就在医学界听到了很多关于3D打印的消息，现在，在全球大流行的时候，这项技术经常支持有需要的当地医生。在其历史上，SLS印刷技术一直支持艰难的外科手术，无论是以工具或视觉辅助的形式，为外科医生进行严肃的手术做好准备（阅读：如何拯救渺小的生命）。

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SLS技术有许多优点，它使用的材料具有适合多种行业的特性。与其他3d打印方法相比，最重要的优点是没有生成额外的结构，这些结构必须通过机械或化学方式去除（断开/切断/溶解）。由于粉末支撑着每一层，因此有可能产生具有各种结构和小细节的最复杂模型。来自医疗行业的打印输出通常属于这类元素，尤其是来自断层扫描或其他成像方法的打印输出（图2）。

 

 

是否有适合打印医学模型的技术？

 

3D打印的一个经常提到的优点是能够打印具有最高几何复杂度的模型，仅受想象力的限制。然而，印刷技术之间存在着巨大的差异及其局限性——这是由于不同设计使用的材料和设备以及材料分层的方法（增量——而非减法）造成的。因此，应单独考虑3D中的每个应用和几何模型，并根据表面要求、尺寸公差或机械性能进行分析。

不应忘记的一个重要因素是模型是否需要支撑结构，因为后处理不仅会损害美观，还会损害功能。许多医学应用需要具有内部特征的复杂有机结构。我们将以各种技术中的心印为例，说明这些模型为了保持适当的质量和可用性而省略支撑结构的重要性。

 

​                                                                                                                                                   3d打印心形
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SLA、FDM和SLS技术中支撑结构对印刷品几何结构的影响

 

在图2中，您可以看到印刷品（从左侧）：由树脂（SLA）、ABS（FDM）、PLA（FDM）和PA12（SLS）制成。在FDM技术的情况下，支撑结构（通常在切片机中自动生成）非常密集，并且由于模型的几何结构，其数量非常多。不幸的是，在这种类型的几何体中，使用这种技术我们将无法达到预期的效果。即使使用可溶性支撑结构，它们也会干扰表面，从而在结构上留下瑕疵。此外，在心脏的情况下，一些元素或侧面由于尺寸较小而未正确打印。这些层清晰可见，它们掩盖了模型中可能因医学原因而重要的小元素。此外，使用后处理来平滑表面可能会导致打印输出中的细节丢失。

在SLA技术中，元素的表面和映射都要好得多。尽管如此，在某些情况下，支撑结构非常大，以至于在不损坏模型的情况下无法移除它们（尤其是小突出元件–图–小元件特写）。此外，移除支撑结构会在使用工具很难触及的地方留下瑕疵，这可能会损坏脆弱的模型。当然，在SLS技术中，这些额外的印刷结构并不存在，因为作为模型支撑的粉末在印刷后在喷砂机中被移除。与树脂模型相比，这允许更多的细节和细节。

 

                                                                                            SLA 3d打印心形

                                                                                     SLA 3d打印心形

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后处理

 

移除支撑结构需要花费额外的时间来准备模型。对于ABS和PLA车型，这可能需要很长时间，尤其是当车型表面粗糙且支架不易脱落时。这是两种心脏模型的情况。在模型的某些地方，支撑可以很容易地移除，而在另一些地方，尽管增加了巨大的力，但这是不可能的。在树脂模型的情况下，处理非常简单——模型表面和结构之间的狭窄处的结构必须被切断。然而，为了不损坏这样一个复杂的模型，它需要大量的时间，并且不管怎样都会留下瑕疵。就SLS机型而言，幸运的是，我们没有浪费——印刷过程中的剩余粉末可以被刷新（或者在某些情况下，甚至不需要）并重新使用。

                                                                               3D打印心脏支架拆除
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打印表面

 

最佳表面质量是通过SLS和SLA技术实现的，在这种情况下，我们将排除FDM技术，FDM技术也可以创建具有出色表面和低层可见性的模型，但不能创建具有此类复杂模型的模型。不可能在整个零件上实现高质量的表面光洁度。SLS和SLA技术在图层的低可见度方面非常相似，但在心脏的情况下，更清晰的细节和更大的表面细节是绝对可见的。树脂模型似乎在很大程度上是平滑的。树脂模型中的许多微小细节已经融合到支撑结构上，只留下表面瑕疵。

​                                                                                                         
​                                                                                                                       3D打印心形比较

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SLS实现的内表面略优于SLA–无伪影、无附加结构、无机械干预。在医学应用中，无论是研究还是手术准备，内腔的表面质量与外部特征一样重要。

在显微镜下，FDM表面可见大的圆形层，即使没有显微镜也能看到。树脂技术可以使用非常薄的层-它们也是扁平的，这使它们看起来光滑。在FDM的情况下，表面粗糙，在显微镜下看不到层——模型虽然无光泽，但光滑，肉眼看不到层。
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​                                                                                                                         ​SLS显微镜视觉

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​                                                                                                                             FDM显微镜视觉
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​                                                                    
                                                                                                                   FDM PLA 显微镜视觉
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​                                                                                    SLA 树脂显微镜视觉下
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​                                                                                     SLS vs SLA 内部对比

 

精度

 

由于存在来自支撑结构的残余物，一些几何形状无法具有适当的精度。在一些空腔中，有太多的额外材料，甚至无法进行测量。对于心脏这类复杂的模型，需要许多专门和精确的工具来移除这些结构。

 

在树脂模型的情况下，还发现在模型的深处，材料固化过程没有完全完成，这导致几何体模糊。在精度测量方面，由于缺乏支持，SLS技术获得了很大收益–大多数情况下，测量值在+/-0.1mm范围内，这可以被视为高精度（根据SLS技术中的3D轮毂，制造标准为+/-0.3mm）。

 

* Standards from https://www.3dhubs.com/manufacturing-standards/ ** Deviation colours: Green – up to 0.1mm, Yellow – 0.1 – 1.0mm, Red – above 1mm.
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SLS是医疗有机模型的完美解决方案

 

SLS是一种技术，使您能够生成通常无法用其他技术完全实现的几何图形。心脏的例子表明，在这种复杂模型上工作的医学专业人员会发现使用SLS制作的零件最有用——显示了几何体的大部分细节。此外，它不会留下任何瑕疵，确保其准确性。经过快速简便的后处理后，可以在打印后立即获得模型以供进一步分析。借助Sinterit Lisa和新的印刷外围设备系列，更容易获得其他印刷技术范围之外的高质量、高保真、几何形状复杂的零件。
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