Pracoviště

Laboratoř Rapid Prototyping

Vedoucí:

Pracovníci:

Popis:

Technologie Rapid Prototyping, mezi které Fused Deposition Modeling patří, umožňují na základě počítačových dat vyrobit fyzický model v krátkém čase v porovnání s klasickými technologiemi. Zdrojem pro počítačový model mohou být CAD systémy, 3D scannery, vědecká a technická data nebo data z medicínských zobrazovacích systémů. Model je vytvářen vrstvu po vrstvě, tím je možné snadno zhotovit téměř libovolně složitou geometrii. Nevýhodou RP technologií je omezený výběr modelovacích materiálů.

Obr. 1 - Stratasys Prodigy Plus

Laboratoř biomechaniky na FS ČVUT v Praze je vybavena RP technologií Fused Deposition Modeling (FDM), kterou vyvíjí a dodává firma Stratasys, USA. Jedná se o zařízení Prodigy Plus (obr. 1) doplněné programem Insight pro generování řídícího kódu.

Materiál používaný v instalovaném zařízení Prodigy Plus je plast akrylonitril-butadien-styren (ABS). Tento materiál díky svým vlastnostem (pevnost v tahu 34.5 MPa, modul pružnosti v tahu 2.482 GPa, tepelná odolnost 105°C) umožňuje využívat modely jako funkční prototypy nebo pro výrobu forem. Modely z ABS je možné dále obrábět, lepit, povrchově upravovat i vakuově pokovovat. Jako podpůrný materiál je používán materiál označovaný firmou Stratasys jako WaterWorks. Jedná se o materiál rozpustný ve slabě zásadité lázni. Podpůrné struktury je tak možné po ukončení procesu výroby jednoduše odstranit i z těžko přístupných míst modelu.

Princip výroby modelu technologií FDM je následující. Jak modelovací, tak podpůrný materiál (ABS a WaterWorks soluble) ve formě vlákna je přiváděn do vytlačovacích trysek, zahřátých na teplotu 280°C a je nanášen po vrstvách 0.178 mm, 0.254 mm nebo 0.330 mm. Na stroji Prodigy Plus je možné vyrábět modely do velikosti (203 x 203 x 305) mm. Modely přesahující tyto maximální rozměry je možné vyrábět po částech. Přesnost stroje, měřená v rovině nanášení, je 0.1 mm.

Technologie FDM je v rámci laboratoře využívána při řešení výzkumných úkolů v oblasti biomedicínckého inženýrství, avšak je univerzálně použitelná. Laboratoř biomechaniky nabízí spolupráci při zhotovení prototypových modelů.

Příklad využití RP technologie při návrhu femorální komponenty kolenního kloubu

Jako příklad uvedeme postup vyhotovení modelu femorální komponenty, která je jednou z částí totální náhrady kolenního kloubu.

Nejdříve konstruktér vytvoří CAD model femorální komponenty náhrady kloubu například v CAD systému Unigraphics (obr. 2). Model je parametrický, proto je možné geometrii komponenty měnit a tak přizpůsobit model novým požadavkům.

Obr. 2 - CAD model femorální komponenty totální náhrady kolenního kloubu

Pro další zpracování je CAD model exportován ve formě STL dat. Formát STL je standardním formátem, se kterým RP technologie pracují a do kterého umí počítačový model převést většina CAD systémů. Povrch tělesa je při popisu geometrie STL formátem reprezentován trojúhelníkovou sítí. Příprava výroby modelu probíhá s pomocí programu Insight, který je dodáván firmou Stratasys společně se strojem Prodigy Plus. V programu Insight se STL model dané součásti řeže na vrstvy rovnoběžné s rovinou. Poté se generují podpory a dráhy vytlačovacích trysek. Do všech kroků může zasahovat uživatel, kontrolovat a upravovat řezy modelem, kontrolovat, upravovat nebo přímo vytvářet podpory, u drah vytlačovacích trysek volit tloušťku čáry a způsob vyplňování ploch (obr. 3).

Obr. 3 - Příprava modelu v programu Insight

Výsledkem práce s programem Insight je soubor s řídícím kódem pro stroj Prodigy Plus (SML data). Prodigy Plus podle řídícího kódu vyrobí plastový model součástky bez nutnosti zásahů obsluhy (obr. 4).

Obr. 4 - Prototypový model femorální komponenty totální náhrady kolenního kloubu

Tímto postupem zhotovený upravený model femorální komponenty se uplatnil při výrobě keramické femorální komponenty totální náhrady kolenního kloubu (obr. 5). Prototypový model z ABS byl zaformován do silikonové pryže. Vzniklá dutina pak posloužila jako forma pro výrobu keramických polotovarů metodou izostatického lisování za studena.

Obr. 5 - Keramická femorální komponenta totální náhrady kolenního kloubu

Přínos RP technologií v medicíně a biomedicínckém inženýrství

RP technologie se začleňují do procesu vývoje implantátů, např. kloubních náhrad, protetických pomůcek, dlah a výztuh, ale i technického vybavení lékařů. Návaznost RP technologií na počítačové modelování a rychlost zhotovení prototypu dovoluje konstruovat individuální náhrady. Některé technologie jsou použitelné i pro zhotovení funkčních prototypů (Fused Deposition Modeling) a vyvíjejí se i metody vhodné pro přímou výrobu individuálních implantátů.

Další oblastí, ve které se RP technologie využívají, je plánování operací. V současnosti jsou již běžně dostupná medicínská zobrazovací zařízení, která dovolují analyzovat situaci uvnitř těla pacienta neinvazivně. Jsou to počítačem podporovaná tomografie a mikrotomografie (CT), nukleární magnetická rezonance (MRI) nebo ultrazvuk. Každá z těchto metod má své přednosti i omezení. Lékař pro své rozhodování již nemusí dostat podklady pouze ve formě sady dvourozměrných řezů (v případě CT a MRI). Moderní programové prostředky umožňují data získaná ze zobrazovacích zařízení matematicky analyzovat a sestavit prostorový model objektů, které lékaře zajímají. Tento proces se nazývá 3D rekonstrukcí, protože z plošných řezů reálného prostorového objektu se rekonstruuje virtuální prostorový model. S vytvořeným 3D modelem je možné na obrazovce otáčet nebo jím procházet i v rovinách jiných než byly plošné řezy. Samozřejmostí je i barevné odlišení různých struktur. Od zrekonstruovaného počítačového prostorového modelu je pouze krok k modelu vhodnému pro zpracování některou RP technologií. Potom má lékař k dispozici prostorový model situace v těle pacienta. Prototypový model usnadní plánování operace i komunikaci mezi členy operačního týmu. Existují materiály, které lze sterilizovat ultrafialovým zářením a využít v průběhu operace. Prototypové modely mohou nalézt uplatnění jako názorná pomůcka ve výuce, při demonstracích na odborných seminářích nebo při seznámení pacienta s plánovaným chirurgickým zásahem. Zajímavé je použití prototypových modelů k prostorové vizualizaci chromozómů, molekul nebo trámčiny kostní tkáně, samozřejmě v patřičném zvětšení.

Další příklady modelů

Obr. 6: Jeden řez ze sekvence CT snímků lidského krčního obratle

Obr. 7: Prostorový počítačový model lidského obratle získaný 3D rekonstrukcí z CT snímků

Obr. 8: Plastový model, kopie krčního obratle

Obr. 9: CAD model (Unigraphics NX) součásti experimentálního zařízení pro měření akustického pole uvnitř ústní dutiny, nosohltanu a hrtanu, model dutiny vytvořen 3D rekonstrukcí z dat pořízených magnetickou rezonancí a doplněn dalšími konstrukčními prvky

Obr. 10: Plastový model ústní dutiny, nosohltanu a hrtanu vyrobený pro experimentální použití

Stratasys Prodigy Plus - technické údaje
Modelovací materiál: ABS
Podpůrný materiál: WaterWorks soluble
Velikost komory: 203 x 203 x 305 mm
Tloušťka vrstvy: 0.178 mm, 0.245 mm, 0.330 mm
Formát vstupních dat: STL, Parasolid, Unigraphics PRT, IGES, DXF

Projekty realizované, nebo v realizaci:

Vývoj keramické femorální komponenty náhrady kolenního kloubu
Vývoj modulárního systému náhrad kolenního kloubu
Centrum zpracování obrazových dat pro medicínu
Biomechanické modely v akustice vokálního traktu