基本信息
- 项目名称：
- 人耳廓支架及其复杂零件的快速制造
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 以人耳廓及其支架的制造为例，研究了复杂零件的快速制造方法和工艺。包括：基于实体点阵的点群数据三维重建、基于多种新算法的CT图像三维重建、复杂零件的分块制造工艺、复杂零件的熔融挤压制造工艺、人耳廓及其支架的成形实验等。项目开发的制造方法和工艺适用于数控机床难以加工的复杂零件的单件小批量生产，尤其适用于新产品开发阶段的模型制造，具有制造速度快，成本低的特点。
- 详细介绍：
- 以人耳廓及其支架的制造为例，研究了复杂零件的快速制造方法和工艺。包括：基于实体点阵的点群数据三维重建、基于多种新算法的CT图像三维重建、复杂零件的分块制造工艺、复杂零件的熔融挤压制造工艺、人耳廓及其支架的成形实验等。项目开发的制造方法和工艺适用于数控机床难以加工的复杂零件的单件小批量生产，尤其适用于新产品开发阶段的模型制造，具有制造速度快，成本低的特点。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的：（1）制造人耳廓支架 （2）探索复杂零件的快速制造方法与工艺。 基本思路：研究小组采用分块制造的技术路线探索人耳廓支架制造的快速制造方法，并对关键技术问题进行了研究。 创新点：(1) 建立了从CT图像到实体模型的三维可视化系统，提出了新的重建算法，实现了CT图像的三维实体重建。 (2) 提出采用透射光生成实体点阵的新方法和成形支撑体积新的计算方法，并采用遗传算法直接对点群数据进行成形方向优化，解决了快速成形过程中支撑体积难以实时、快速计算的问题，为快速成形提供了一种优化计算成形方向的新方法。 (3) 开发了复杂零件分块制造工艺，以及采用数控机床制造人耳廓支架的方法。 (4) 设计了一种专用的螺旋挤压机构，将其安装在加工中心的刀架上，借助于加工中心的进给系统和控制系统进行了熔融挤压实验，结果表明：所设计的结构基本达到了预期效果，其成形的人耳廓支架见实物。 (5) 采用软模方式制造了不同材料配比的支架。 技术关键：(1) 人耳廓图像的三维实体重建(2) 复杂零件分块制造工艺(3) 人耳廓支架制造过程中的精度控制。 主要技术指标： 肖氏硬度：45；抗拉强度：65kg/cm2；撕裂强度：20kg/cm2；厚度：最薄处达到1mm；耳廓外形：外形（尤其是颅耳角部分）完整、与健侧耳廓相似性好。
科学性、先进性
- 目前整形用的人工假体大多需要进口，进口产业多是大批量生产，在植入人体前，医生要根据患者的具体情况对假体进行再加工，难以保证质量，因此根据需要进行个性化制造十分必要；而对于复杂零件的加工及原型制作来说，在现有机床条件下，制造出复杂零件，降低了生产成本，减少了对设备的要求。 （1）项目组通过复杂零件分块制造工艺的探索，解决了零件难加工部位的制造问题，降低了生产成本和对机床的要求。 作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料） （2）项目的研究为人耳廓支架的应用及进一步产业化开拓了市场空间，可以根据需要进行个性化制作，丰富了组织器官制造途径。
获奖情况及鉴定结果
- ① CT图像三维重建软件 ② 论文1：Xiaomin Cheng, Jianyu Shen（沈建宇） and Cao Liu，Auricle Bracket Rapid Prototyping Optimization and Process Control，Applied Mechanics and Materials Journal, Vols.34-35(2010),9：1333-1337 ③ 论文1的中文文本 ④ 论文1的EI收录证明 ⑤ 论文2：沈建宇、梅柱、张国良、周根、程晓民，基于分块思想的复杂零件制造技术研究，浙江科技学院学报，Vols.21（2009），3：258－261 ⑥ 论文3：张国良、沈建宇、周根、梅柱、程晓民，熔融挤压成形螺旋挤压机构设计，浙江科技学院学报，Vols.21（2009），3：289－292 ⑦ 实物1：采用分块方法用加工中心制造的人耳廓支架 ⑧ 实物2：采用熔融挤压成形的人耳廓支架 ⑨ 实物3：人耳廓支架硅胶软模 ⑩ 实物4：用模具翻制的人耳廓支架（包括不同材料配比的支架共5个）
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物，产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 在以人体缺损修复为主的整形外科，患者对缺损修复结果的预期已经不只是功能的恢复，而更加强调外形的修复，特别是一些需要作整复面容的病人，有时甚至对外形的要求达到十分苛求的地步。相应地，组织器官的个性化制作已经成了急待解决的问题。其中，由于人耳对人的外貌的重要性，其修复也显得极为重要和急迫。而由于人耳形状的复杂性，又给制造增加了相当的难度。因此，本项目探索了一种人耳廓支架的快速制造方法，为人耳廓支架的制作及其它复杂零件的制作提供了参考。对于医疗整形修复和美容行业来说，本项目的进一步开发将为其提供更合适的产品，降低患者的手术风险，有利于改善人们的健康状况，提高生活质量。进一步开发有望替代进口产品，节约大量的外汇。 项目投产后将增加社会就业，增强企业的市场竞争力，提高企业的知名度，使企业更容易向专业化和规模化的先进企业靠拢，将产生潜在效益。
同类课题研究水平概述
- 对耳朵缺损患者的修复治疗，临床上主要有四种方式：自体骨移植、异体骨移植、人工材料再造和组织工程方法。在采用组织工程方法治疗耳朵缺损患者方面，美国的MEATHE教授已做了大量的研究，我国的曹谊林教授处于领先地位。1996年，曹谊林成功地用大白兔的肋软骨在兔耳上再造了人耳廓；随后，又成功地在裸鼠体内再生出人耳廓形软骨，所采用的方法是：先用一种高分子化学材料聚羟基乙酸做成“人形耳”的模型支架，然后让细胞在这个支架上繁殖生长，再将裸鼠的背上割开一个口子，将已经培养好的“人形耳”植入后缝合。支架最后会自行降解消失，“人形耳”便与老鼠浑然成为一体。因为裸鼠没有免疫力，不会对那只“耳朵”产生排异反映，所以，裸鼠背上复制“人形耳”与真正的人耳的体内移植还存在着很大的差距。最近，曹谊林教授已经开始在培养箱里培养“体外再生耳朵”，但还有一些关键问题难以解决，如：单纯用组织工程方法（生物方法）培养，骨骼的生长速度相当慢，生长速度大约为1μ/24h；再如：组织工程体外培养细胞存在衰老趋向、生物相容性、生物强度与可塑性问题等。20世纪80年代中后期，羟基磷灰石、高分子硅橡胶、钛合金、多聚乙烯等生物相容性较好的材料大量涌现，为人耳的整型和修复带来了广阔的前景，但由于技术的限制，强调功能修复仍优先于外形修复，这远远满足不了人们对于美的追求。目前制约人耳整形发展的瓶颈问题主要是：具有生物相容性的人体可植入材料的研究、CT扫描数据接口转化及人耳支架的个性化制作与临床应用等。人耳支架制作的传统方法是通过临床取模、模型灌注、义耳塑形等手工制作形成人耳的外部轮廓，其形态往往不够理想。已有一些单位采用了快速成形技术制造医学模型，或者用快速成形技术制造模具再翻制成所需的人耳支架，如：第二医科大学附属第九医院张富强教授、上海交通大学王成寿教授等，在此过程中，仍存在着尺寸精度和形状的丧失，最后浇注成形的由人工材料制造的人耳结合不够紧密，一段时间后出现溃散等问题需要解决。本研究小组正是要探索人耳支架的制造问题，通过三维实体重建、分块制造、采用生物相容性材料等，来实现复杂零件的数字化、个性化快速制造。
