Drukowanie 3D silikonowych rodzajów biomedycznych

Proces produkcji Fused Deposition Modeling (FDM) został z powodzeniem ustanowiony w wielu gałęziach przemysłu.
Obecnie służy nie tylko do tworzenia koncepcji i prototypów, ale także do części funkcjonalnych. [1]

Rynek drukarki FDM znacznie się rozwinął w ostatnich latach. Jedną z głównych przyczyn jest powstanie społeczności open source, dzięki której dostęp do tych systemów jest przystępny, a system lepszy [2] [3].

Prawie każdego dnia możemy przeczytać o nowych osiągnięciach w dziedzinie technologii FDM [2] [4] [7]. Duża część innowacji wynika z badań i rozwoju nowych materiałów do drukowania [5]. Poza standardowymi włóknami, takimi jak Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) i Polilactic Acid (PLA) do drukowania dostępne są już egzotyczne materiały, np. Materiały podobne do drewna lub piaskowca. Również elastyczne materiały, takie jak termoplastyczny poliuretan (TPU) lub termoplastyczny elastomer (TPE) są możliwe do wydrukowania [6].

Jedna z tych istotnych innowacji została opracowana przez niemiecką firmę stamos + braun prothesenwerk gmbh we współpracy z Technische Universität (TU) Dresden. Stamos i Braun oferują różne rodzaje protez, niektóre z nich są wykonane z silikonu z realistyczną optyką (ryc. 1).

Grupa z „Instytutu Wzornictwa Elektromechanicznego i Elektronicznego” TU Dresden od kilku lat pracuje nad specjalnymi rozwiązaniami dla technologii addytywnych [8] [9] [10]. Wyniki grupy były podstawą współpracy ze stamos + braun prothesen-werk gmbh w celu stworzenia złożonych i skomplikowanych części protetycznych z silikonu.

Badania

Konieczne było przeprowadzenie wielu badań i prac rozwojowych nad zachowaniem się materiału i na polu konstrukcji, aby móc drukować w 3D kauczuk silikonowy o wysokiej konsystencji o wysokiej spójności biomedycznej.
Prototyp drukarki 3D umożliwił wykonanie pierwszych wydruków. Po dalszych testach i rozwoju możliwe było wydrukowanie bardziej złożonych kształtów (rysunek 2).

Jedną z największych zalet wysokoenergetycznej gumy silikonowej o wysokiej konsystencji w porównaniu z innymi materiałami jest to, że można nakładać na siebie wiele warstw bez żadnych problemów z połączeniem między warstwami.
Tylko ze względu na tę cechę zachowanie materiału jest mniej więcej takie samo, jeśli jest drukowane lub produkowane w tradycyjny sposób.

Na podstawie tych pierwszych wyników dalsze badania próbowały przesuwać granice możliwości technicznych. W pierwszym etapie badano różne warianty wewnętrznych struktur zadrukowanych części silikonowych w związku z zachowaniem się materiału pod obciążeniem. W tym celu przetestowano różne struktury kratowe połączone z różnymi materiałami (rysunek 3).

Szczególnym przypadkiem był problem wagi i brakującej zdolności materiału do przejmowania sił ścinających w protezie silikonowej stopy. Struktury kratowe, znane z tradycyjnego druku 3D, mogą być pierwszym pomysłem na zmniejszenie ciężaru protezy. W tym przypadku skonstruowano specjalną podkładkę do silikonowej protezy stopy (ryc. 4), a następnie wydrukowano w 3D.

Możliwe są zamknięte konstrukcje z wypełnieniem mniejszym niż 40%.
W porównaniu z oryginalnymi częściami z pełnego silikonu, ciężar wkładki mógłby zostać zredukowany o siatkę nawet o 70%.

Chociaż waga została znacznie zmniejszona, podkładka silikonowa jest nadal bardzo sztywna w kierunku Z. Aby tego uniknąć, można umieścić podkładkę w drukarce w innej pozycji. W ten sposób staje się możliwa zmiana orientacji struktury sieci.

Drugą opcją zmniejszania ciężaru jest integracja lekkich materiałów, takich jak syntetyk. Poniżej rozważamy przypadek protezy ręki. Syntetyczne elementy naśladują strukturę kości, a tym samym polepszają dotyk i sztywność. Ogólnie rzecz biorąc, zapewnia to bardziej realistyczne odczucie stawów i tkanki miękkiej.
Oprócz ulepszonego haptic można znacznie zmniejszyć ciężar protezy (ryc. 6).

Pierwsze testy łączonego drukowania materiałów silikonowych i syntetycznych zakończyły się sukcesem. Wkrótce możliwe będzie drukowanie 3D sztucznych rąk, palców i częściowych protez ręki w połączeniu ze strukturami kostnymi w jednym procesie.

Perspektywy na przyszłość

Zastosowanie termoutwardzalnego silikonowego druku 3D o wysokiej konsystencji nie będzie ograniczone do dziedziny medycyny. Może być również stosowany w przemyśle samochodowym i lotniczym lub w dziedzinie wizażystów.

Celem jest teraz optymalizacja struktur kratowych w celu uzyskania większej sztywności i większej elastyczności. Silikonowe protezki stóp, dłoni i części dłoni zostaną wydrukowane w 3D z biomedycznego gatunku silikonu w pełnym kolorze.

Kolejnym krokiem będzie optymalizacja podwójnego drukowania materiału syntetycznego połączonego z krzemem klasy biomedycznej. Po zoptymalizowaniu możliwe będzie wydrukowanie struktury kości lekkiej z połączeniami wraz z pokrywą silikonową w jednym kroku.

Kolejną gałęzią rozwoju jest drukowanie skomplikowanych części, takich jak modele serca, nerek lub żołądka w celach animacyjnych i szkoleniowych dla studentów. Częściowe epitety twarzy będą kolejnym celem drukowania 3D silikonu. Pełnokolorowy nadruk z termicznie utwardzanym silikonem o właściwościach biomedycznych jest przewidziany na najbliższą przyszłość.