一次性使用定制式3D打印骨模型制作设备及制作方法与流程

本发明属于骨模型制作，具体涉及一次性使用定制式3d打印骨模型制作设备及制作方法。

背景技术：

1、人体骨骼是构成人体结构的主要组成部分之一，也是保护内脏及支撑身体重量的重要组成部分。人体骨骼模型是描述人体骨骼结构的一种工具，通过骨骼模型的学习，可以更好地了解人体结构、功能以及相关的疾病诊断和治疗。

2、随着技术的发展，生物材料3d打印设备是骨模型制作的常用的方式，但是现有的骨模型制作时通常采用钛合金材料或生物材料制成，钛合金材料强度好但是使用时会与部分人体发生排异，使得患者使用体验差，生物材料可以很好的适应人体但是使用时强度较低，使得骨模型使用寿命较短；同时生物材料3d打印设备对骨模型制作时，整体采用3d打印的方式制作导致骨模型制作周期较长，增加了骨模型制作的成本，并且延长了患者骨模型置换手术等待的时间，不利于患者的康复。

3、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一次性使用定制式3d打印骨模型制作设备及制作方法，其能够解决材料消耗大以及骨模型与患者匹配度低影响患者体验的问题。

2、为了实现上述目的，本发明一具体实施例提供的技术方案如下：

3、一次性使用定制式3d打印骨模型制作设备，用于对骨模型的制作，所述骨模型包括坯料本体和生物材料层，其中生物材料层设置在坯料本体的外侧，所述制作设备包括：

4、数据采集处理设备，包括信息采集装置和信息处理设备，所述信息采集装置用于采集所需打印的骨骼信息，所述信息处理设备包括三维建模系统和仿真测试系统；其中，三维建模系统依据影响对骨模型进行三维制作，以便于获得与患者高度匹配的骨模型；仿真测试系统用于对建模得到骨模型进行仿真测试，确保最终制作出的骨模型与患者高度匹配；信息处理设备同时还用于控制对骨模型实物的制作，制作的模型基于建模获得的骨模型。

5、坯料处理装置，用于对不同尺寸类型的坯料本体的取材以及表面的预处理；

6、生物材料3d打印设备，用于对坯料本体表面进行生物材料层的打印制作；

7、后处理设备，包括废料清理组件和废料筛分组件，用于对骨模型制作时废料的处理。

8、在本发明的一个或多个实施例中，信息采集装置包括束带本体，所述束带本体上安装有检测装置；由于关节部位的部分影像获取不便，因此为了便于对关节部位的影像进行获取，通过在束带本体上设置有检测装置，通过束带本体和检测装置的配合对关节影像进行获取。所述束带本体的一端安装有环形扣，所述束带本体的另一端设置有魔术贴，所述检测装置安装于靠近环形扣的一侧。通过环形扣和魔术贴的配合，以便于将束带本体固定在患者的关节处，从而通过检测装置对关节处的影像进行采集。由于束带本体便于进行固定，对于不同患者以及不同的关节部位，均可以进行固定，使得检测装置便于对不同部位关节的影像进行获取。

9、在本发明的一个或多个实施例中，所述制作设备还包括操作台，所述操作台上固定连接有遮挡框，所述遮挡框内从左到右依次设置为废料筛分区、坯料本体制作区和生物材料层制作区，所述废料筛分组件安装于废料筛分区，所述坯料处理装置安装于坯料本体制作区，所述生物材料3d打印设备安装于生物材料层制作区，所述废料清理组件安装于操作台上。由于采用3d打印骨模型时，打印完成后会产生废料，为了便于对废料进行回收，设置有废料筛分区对回收后的废料进行筛分出来；坯料本体制作区用于制作坯料本体，坯料本体制作区设置坯料处理装置，通过坯料处理装置可以对相应的原料料进行切割，以便获得与骨模型相匹配的坯料本体，坯料处理装置会对坯料本体的表面进行粗糙处理，使得坯料本体的表面粗糙；生物材料层制作区用于对坯料本体表面进行生物材料层的打印制作。坯料本体制作区和生物材料层制作区完成对骨模型的制作后，会留下废料，为了便于对废料进行回收，通过设置废料清理组件将废料收集进行回收处理。

10、在本发明的一个或多个实施例中，所述废料清理组件包括第一推料板、第二推料板和第三推料板，所述第一推料板、第二推料板和第三推料板从左到右依次设置，所述第一推料板、第二推料板和第三推料板相邻的侧壁之间均固定连接有连接块，所述第一推料板的上侧壁两端均固定连接有驱动板，所述驱动板上开设有槽体，所述驱动板通过槽体滑动连接于遮挡框的前后侧壁上。由于坯料本体制作区和生物材料层制作区完成对骨模型的制作后留下废料的大小不同，为了将残留在操作台表面上的废料清理干净，通过第一推料板、第二推料板和第三推料板分别对操作台上的废料处理，以便于废料不会影响后续骨模型的打印，同时提高骨模型打印的效率。为了使得第一推料板、第二推料板和第三推料板分别对操作台上的废料进行清理，并且清理时彼此之间不会影响，因此在第一推料板、第二推料板和第三推料板相邻的侧壁之间设置有连接块，以便使得彼此之间保持有一定的距离。所述第一推料板上表面的前后两侧固定连接有一对支撑板，一对所述支撑板上均安装有轴承，所述轴承内安装有螺纹杆，所述螺纹杆螺纹连接于驱动板上，所述轴承的一端安装有驱动电机。由于第一推料板、第二推料板和第三推料板对废料的清理是通过移动实现，因此为了实现第一推料板、第二推料板和第三推料板的移动，在第一推料板上固定连接有一对驱动板，通过一对驱动板的移动带动第一推料板的移动。为了驱动板的移动，通过驱动电机带动螺纹杆转动，从而便可以带动驱动板移动。同时设置有一对驱动板，通过一对驱动电机驱动移动，使得第一推料板、第二推料板和第三推料板移动时稳定，以便于对操作台上废料的清理效果好。第一推料板、第二推料板和第三推料板对废料清理后，需要回到原位置，以便于对后续骨模型打印后的废料清理，驱动电机通过正反的转动带动来回移动，同时设置有用于控制驱动电机启停的限位开关。

11、在本发明的一个或多个实施例中，所述第一推料板的下端与操作台的上表面之间有一定的距离，所述第二推料板的下端设置有橡胶层，所述橡胶层的下端与操作台的上表面贴合，所述第三推料板的下端设置有刷扫层，所述刷扫层的下端与操作台的上表面过盈配合。对操作台上的废料进行清理时，第一推料板用于对较大废料的推送，因此将第一推料板的下端设置为与操作台的上表面之间有一定的距离，使得第一推料板对废料推送时将较大的杂质进行推送。第二推料板用于对细小的废料进行推送，通过将第二推料板下端设置的橡胶层的下端设置为与操作台的上表面贴合，使得第二推料板便可以将操作台上细小的废料推送，并且橡胶层的弹性使得对细小废料的推送更加彻底。第三推料板用于对操作台的再次清理，确保将操作台的表面清理干净，从而使得废料不会影响后续骨模型的制作；在第三推料板的下端设置有刷扫层，并且刷扫层与操作台的过盈配合，使得对操作台上废料的清理干净，同时刷扫层应选用便于对废料进行清扫的材料制成。

12、在本发明的一个或多个实施例中，所述操作台在废料筛分区开设有通孔，所述废料筛分组件安装于通孔上，所述废料筛分组件包括第一筛分板和第二筛分板，所述第一筛分板和第二筛分板均安装于通孔的右侧，所述第一筛分板安装于第二筛分板的上方，所述第一筛分板左侧的通孔设置为进料口，所述操作台的下端安装有废料收集箱，所述废料收集箱安装于通孔的下方，所述废料收集箱的底部内侧壁和第一筛分板的左侧壁之间安装有第三筛分板。第一筛分板和第二筛分板用于对废料进行筛分，以便将废料按照粒径的大小进行分类，废料清理组件推送的废料输送至第一筛分板上，通过第一筛分板对废料进行过滤，第一筛分板过滤后的废料通过第二筛分板进行再次过滤，以便于将小粒径的废料筛出，大粒径的废料被废料清理组件推送至进料口，进入到进料口内的废料会落在第三筛分板上流动，以便通过第三筛分板对废料进行再次过滤，使得废料的筛分彻底。由于第三筛分板安装于废料收集箱内，便可以将废料收集箱分隔为两室，其中位于进料口下的一室用于对较大颗粒的废料进行存放，位于第一筛分板下的一室用于对较小颗粒的废料进行存放。

13、在本发明的一个或多个实施例中，所述第一筛分板和第二筛分板上均设置有过滤孔，所述第一筛分板上的过滤孔的孔径大于第二筛分板上的过滤孔的孔径，所述第一筛分板上的过滤孔和第二筛分板上的过滤孔重叠，所述第二筛分板以固定的方式安装于通孔上，所述第一筛分板以可左右滑动的方式安装于通孔上，所述第三筛分板以倾斜的方式设置。通过第一筛分板和第二筛分板的双重过滤对废料中的小颗粒进行过滤，因此将第一筛分板和第二筛分板上的过滤孔设置重叠，以便第一筛分板过滤后的废料会通过第二筛分板进行再次过滤，同时过滤时过滤孔内时堵塞有废料，为了便于对过滤孔内的废料进行清理，将第一筛分板设置为可以滑动，通过第一筛分板的左右滑动带动过滤孔内的废料移动，实现对过滤孔的疏通。将第三筛分板倾斜设置，使得废料清理组件推送至进料口内的废料会落在第三筛分板上流动，以便第三筛分板对废料进行再次过滤。

14、在本发明的一个或多个实施例中，所述信息采集装置与三维建模系统和仿真测试系统均信号连接，所述信息处理设备与坯料处理装置、生物材料3d打印设备和废料清理组件信号连接。信息采集装置将关节处的影像采集后传输于三维建模系统，以便于三维建模系统依据影像进行骨模型的建模，同时信息采集装置将影像传输于仿真测试系统，仿真测试系统依据影像对人体关节进行建模，得到骨模型置换关节处的整体影像，以便于进行仿真测试。通过信息处理设备对坯料处理装置、生物材料3d打印设备和废料清理组件进行控制，以便于骨模型的制作时设备的运行。

15、一次性使用定制式d打印骨模型制作设备的制作方法，包括如下步骤：

16、步骤一、将信息采集装置绑定在患者需要进行关节置换的部位，通过信息采集装置对关节影像信息进行采集，采集后的影像输送至三维建模系统，通过三维建模系统建模得到患者所需的骨模型；通过魔术贴和环形扣的配合便可以将束带本体固定于患者的关节处，以便于通过检测装置对关节处的影像进行采集，使得准确的获取患者关节处的影像。检测装置将影像传输于三维建模系统，三维建模系统通过建模得到患者需要置换的骨模型。由于骨模型通过内部的坯料本体和外部的生物材料层组成，因此骨模型的建立时设置有内部的坯料本体和外部的生物材料层组成的骨模型，以便于仿真测试时骨模型的强度等匹配。

17、步骤二、仿真测试系统依据信息采集装置采集的信息，建模得到患者关节的整体形态，并将建模得到的骨模型置换到患者关节处，对置换骨模型的关节进行仿真测试；对骨模型进行制作前，首先需要对建模得到的骨模型进行仿真测试，确保制作的骨模型与患者匹配的同时确保患者可以长期稳定使用。

18、步骤三、仿真测试合格后，依据仿真测试的骨模型，在坯料本体制作区通过信息处理设备控制坯料处理装置对原材料进行切割，得到与骨模型等比例缩小的坯料本体；信息处理设备依据骨模型的形状，控制坯料处理装置对原材料进行切割，以便于获得骨模型等比例缩小的坯料本体，同时坯料本体的表面经过粗糙处理，使得表面粗糙。

19、步骤四、将坯料本体输送至生物材料层制作区，信息处理设备控制生物材料3d打印设备对坯料本体进行3d打印。通过生物材料3d打印设备将生物材料通过3d打印设备制作在坯料本体的外表面上，从而通过坯料本体和生物材料层组成骨模型，同时3d打印时可以采用熔覆的方式将生物材料熔覆在坯料本体的外表面上。

20、在本发明的一个或多个实施例中，所述步骤二中仿真测试包括如下步骤：

21、s1、置换关节的建模；仿真测试时，应先获得患者置换关节部位的影像，模拟建立患者的关节，同时依据步骤一中的骨模型将原有的骨头置换，使得患者关节中安装的是建模得到的骨模型。

22、s2、患者数据的建立；获取患者自身的相关数据，主要包括患者的年龄、体重、职业和关节活动情况，掌握患者关节活动承载的负荷，同时以及关节的活动角度等参数。

23、s3、分阶段进行仿真测试；为了使得仿真测试的结果准确，将仿真测试分为低负荷测试、正常负荷测试和超负荷测试三个阶段，通过三个阶段的测试获取置换后的骨模型在与人体中使用时的状况，以便测试骨模型是否与人体相匹配，同时能够安全的长时间使用。

24、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

25、1、骨模型通过设置在内部的坯料本体和外侧生物材料层制作而成，坯料本体使得骨模型具备较好的强度，同时骨模型置换后，生物材料层与人体接触彼此之间可以很好的适应，从而避免骨模型与人体排异并延长了骨模型使用的寿命；

26、2、通过坯料本体上进行生物材料层的打印，极大的缩短了3d打印的时间，同时坯料本体的制作时间短，因此极大的缩短了骨模型制作的时间，从而缩短了患者骨模型置换手术等待的时间，便于患者康复，同时降低了骨模型的制作成本；

27、3、通过废料清理和筛分组件对废料进行回收处理，以便于废料可以被合理进行回收利用，降低了骨模型的制作成本的同时有利于环保。

28、4、骨模型制作成本的降低不仅减轻了患者经济压力，并且具有很好的推广价值，具有显著的意义。