O drukowaniu 3D w medycynie słyszeliśmy od samego początku, a teraz, w dobie globalnej pandemii, technologia ta często wspiera potrzebujących lokalnych medyków. W swojej historii druk SLS wspierał trudne operacje, czy to w postaci narzędzi, czy pomocy wizualnych przygotowujących chirurgów do poważnych operacji. Jednym z najbardziej spektakularnych przykładów jest historia małego Kordiana, którego uszkodzone serce zostało zwizualizowane dzięki wydrukom na drukarce SINTERIT.
Technologia SLS ma wiele zalet, wykorzystuje materiały o właściwościach odpowiednich dla wielu gałęzi przemysłu. Najważniejszą przewagą nad innymi metodami druku 3d, jest brak generowanych dodatkowych struktur, które musiałyby zostać usunięte mechanicznie lub chemicznie (wyłamanie / odcięcie / rozpuszczenie). Dzięki proszkowi podtrzymującemu każdą warstwę, możliwe jest wykonanie najbardziej skomplikowanych modeli o zróżnicowanej strukturze i drobnych szczegółach. Do tego typu elementów należą często wydruki z branży medycznej – zwłaszcza te z tomografii lub innych metod obrazowania (rys. 2).
Która technologia nadaje się do drukowania modeli medycznych?
Jedną z często wymienianych zalet druku 3D, jest możliwość drukowania modeli o największej złożoności geometrycznej, ograniczonej jedynie wyobraźnią. Technologie druku znacznie się jednak od siebie różnią tak jak i ich ograniczenia – wynika to z zastosowanych materiałów i urządzeń o różnej konstrukcji oraz sposobu warstwowania materiału (przyrostowo – w przeciwieństwie do metod subtraktywnych). Dlatego każde zastosowanie i model geometryczny w 3D należy rozpatrywać indywidualnie, analizować pod kątem wymagań powierzchniowych, tolerancji wymiarowej czy właściwości mechanicznych.
Ważnym czynnikiem, o którym nie należy zapominać, jest to, czy model wymaga konstrukcji wsporczych – gdzie postprodukcja może zaszkodzić nie tylko aspektom estetycznym, ale także funkcjonalnym. Wiele zastosowań medycznych wymaga złożonych struktur organicznych z cechami wewnętrznymi. Na przykładzie modeli serca w różnych technologiach pokażemy, jak ważne jest, aby takie modele pomijały konstrukcje wsporcze, aby zachować odpowiednią jakość i użyteczność.
Wpływ konstrukcji wsporczych na geometrię wydruków w technologiach SLA, FDM i SLS
Na rys. 3 widać wydruki (od lewej): wykonane z żywicy (SLA), ABS (FDM), PLA (FDM) i PA12 (SLS). W przypadku technologii FDM, konstrukcje wsporcze (najczęściej generowane automatycznie w slicerze) są dość gęste i ze względu na geometrię modelu ich liczba jest znaczna. Niestety w tego typu geometrii tą technologią nie będziemy w stanie osiągnąć zamierzonego efektu. Nawet przy zastosowaniu rozpuszczalnych struktur podporowych – ingerują w powierzchnię, co pozostawia na konstrukcji artefakty. Również w przypadku serca niektóre elementy lub boki nie zostały poprawnie wydrukowane ze względu na ich małe wymiary. Warstwy są dobrze widoczne, przesłaniają drobne elementy modelu, które mogą mieć znaczenie medyczne. Ponadto użycie obróbki końcowej do wygładzenia powierzchni może spowodować utratę szczegółów na wydruku.
W technologii SLA zarówno powierzchnia, jak i odwzorowanie elementów są znacznie lepsze. Niemniej jednak konstrukcje wsporcze są w niektórych przypadkach tak duże, że nie da się ich usunąć bez uszkodzenia modelu. Ponadto usunięcie konstrukcji wsporczych pozostawiło artefakty w miejscach, do których bardzo trudno jest dotrzeć za pomocą narzędzi, które mogą uszkodzić delikatny model. W technologii SLS oczywiście te dodatkowe nadrukowane struktury nie istnieją, gdyż proszek będący podporą dla modelu po wydrukowaniu został usunięty w piaskarce. Pozwoliło to na odwzorowanie znacznie więcej szczegółów niż w przypadku modelu żywicznego.
Przetwarzanie końcowe
Usunięcie konstrukcji wsporczych wiąże się z dodatkowym czasem spędzonym na przygotowaniu modeli. W przypadku modeli ABS i PLA może to zająć dużo czasu, zwłaszcza jeśli powierzchnia modelu jest chropowata, a podstawa nie odchodzi łatwo. Tak było w przypadku dwóch modeli serc. W niektórych miejscach modelu, podpory można było łatwo usunąć, w innych było to niemożliwe pomimo dodanej dużej siły. W przypadku modelu żywicznego, obróbka była dość prosta – trzeba było odciąć struktury w przewężeniu pomiędzy powierzchnią modelu a konstrukcją. Aby jednak nie uszkodzić tak złożonego elementu, wymagało to dużo czasu i mimo wszystko pozostawiło artefakty. W przypadku modelu SLS, na szczęście nie mamy żadnych odpadów – resztki proszku z procesu drukowania można odświeżyć (lub w niektórych przypadkach nawet nie trzeba) i ponownie wykorzystać.
Powierzchnia
Najlepszą jakość powierzchni osiąga technologia SLS i SLA, w tym przypadku wykluczymy technologię FDM, która może również tworzyć modele o doskonałej powierzchni i małej widoczności warstw, ale nie przy tak skomplikowanych modelach. Nie jest możliwe uzyskanie wysokiej jakości wykończenia powierzchni na całej części. Technologie SLS i SLA są bardzo podobne, jeśli chodzi o słabą widoczność warstw, a w przypadku serca zdecydowanie widać ostrzejsze krawędzie i większą szczegółowość powierzchni. Wydaje się, że modele żywiczne są w dużym stopniu wygładzone. Wiele drobnych szczegółów modelu z żywicy stopiło się jednak ze strukturami wsporczymi i pozostawiło niestety same niekorzystne artefakty.
Powierzchnie wewnętrzne uzyskane dzięki SLS są nieco lepsze niż SLA – bez artefaktów, bez dodatkowych struktur, bez ingerencji mechanicznej. W zastosowaniach medycznych, zarówno w badaniach diagnostycznych, jak i przygotowaniach do operacji, jakość powierzchni ubytków wewnętrznych jest tak samo ważna, jak cechy zewnętrzne.
W ujęciu mikroskopowym FDM ma duże, zaokrąglone warstwy widoczne na powierzchni – nawet bez mikroskopu. W technologiach żywicznych można stosować bardzo cienkie warstwy – są one również płaskie, co sprawia, że wyglądają na gładkie. W przypadku SLS powierzchnia jest szorstka, a warstwy nie są widoczne pod mikroskopem – modele, choć matowe, są gładkie i bez widocznych gołym okiem warstw.
Precyzja
Ze względu na obecność pozostałości konstrukcji wsporczych, niektóre geometrie nie mogły mieć odpowiedniej dokładności. W niektórych wnękach było zbyt dużo dodatkowego materiału, co powodowało, że nawet pomiar nie był możliwy. W przypadku tak skomplikowanych modeli, jak przykład serca, do usunięcia takich struktur potrzeba wielu specjalistycznych i precyzyjnych narzędzi.
W przypadku modelu żywicznego okazało się również, że w głębi modelu proces utwardzania materiału nie został całkowicie zakończony, co spowodowało rozmycie geometrii. W przypadku pomiarów dokładności technologia SLS bardzo zyskuje na braku wsparcia – pomiary w większości przypadków mieściły się w zakresie +/- 0,1 mm, co można uznać za wysoką dokładność (standard wykonania wg 3D Hubs w SLS technologia +/- 0,3 mm).
SLS jako idealne rozwiązanie dla modeli medyczno-organicznych
SLS to technologia, która umożliwia tworzenie geometrii, których często nie da się w pełni zrealizować innymi technikami. Przykład serca pokazuje, że dla lekarzy, którzy pracują nad tak złożonymi modelami, najbardziej przydatna będzie część wykonana przy użyciu SLS – pokazująca najwięcej szczegółów geometrii. Ponadto nie pozostawia żadnych artefaktów, zapewniając dokładność. Po szybkiej i łatwej obróbce końcowej możliwe jest przygotowanie modelu do dalszej analizy natychmiast po wydrukowaniu. Dzięki Sinterit Lisa i nowej gamie urządzeń peryferyjnych do drukowania, łatwiej jest uzyskać wysokiej jakości części o wysokiej wierności o złożonej geometrii, poza zakresem innych technologii drukowania.
A ja mam jeszcze parę pytań
Jeśli chcielibyście poznać więcej możliwości zastosowania drukarek Sinterit w medycynie, zapraszamy do kontaktu bezpośrednio na sinterit@seb-comp.pl 790 256 525. Wszelkie pytania mile widziane, bo jest jeszcze sporo czego moglibyście się dowiedzieć 🙂
Drukarki Sinterit Lisa oraz Lisa Pro, dostępne są w ofercie SEB-COMP. Zapraszamy do odwiedzenia naszego sklepu internetowego oraz sklepów stacjonarnych:
- Warszawa, al. Jana Pawła II 43a lok. 22a, 01-001 Warszawa, e-mail: warszawa@seb-comp.pl, tel: 883 336 444
- Lublin, ul. Bociania 6/1a, 20-542 Lublin, e-mail: lublin@seb-comp.pl, tel: 696 811 833
- Łódź, ul. Mikołaja Kopernika 36A, 90-552 Łódź, e-mail: lodz@seb-comp.pl, tel: 536 954 666
- Katowice, ul. Chorzowska 108 lok 16, 40-001 Katowice, e-mail: katowice@seb-comp.pl, tel: 883 633 611
- Wrocław, al. Ludomira Różyckiego 1C lok 105, 51-608 Wrocław, e-mail: wroclaw@seb-comp.pl, tel: 790 388 308
Na podstawie artykułu zamieszczonego na:
https://www.sinterit.com/blog/
