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3D打印医疗领域——内冷骨科钻头

魔猴君  科技前沿   2375天前

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在骨科手术中有时会需要骨钻预选钻孔后再用螺钉固定,或用钻孔制造微骨折进行关节融合术。钻孔过程中所产生的热量会对钻头旋转期间周边骨质产生重要影响,还有可能引起热源性骨坏死。为了避免此种现象的发生,3D打印最新制造技术——带内冷系统的顾客钻头,降低手术中的热量。



骨科钻头与制造业或工程中所使用的钻头不同。骨是复杂的各向异性、多孔和粘弹性复合材料,在材料性质及几何形状来说也是非均匀的。钻孔时约60%的热能由骨的碎屑耗散掉。如果钻孔内温度在50℃以上,就会导致骨坏死(骨死亡)。但温度升高许多因素,包括钻头的几何形状,直径,转速等。在手术进行的过程中要想保持低温,就要不断中断钻孔过程。


为了开发能够切割骨骼而不引起骨坏死的外科手术钻头,德国汉诺威莱比尼斯大学的生产工程和机床研究所(IFW)向Toolcraft公司寻求帮助,该公司是专注于精密零件、组件、模具和注塑件生产的服务型企业。


Toolcraft公司建议用选择性激光熔化的3D打印方法来创建骨科钻头的内部冷却通道,来使冷却剂沿着螺旋线流入钻头,并返回到刀夹,不进入伤口。虽然钻头发生破损机会很小,但并不能排除这种可能。为妥善起见,冷却介质选择了水,以确保在钻头发生破损的情况下不会造成伤害。




Toolcraft公司开发了一种具有冷却液流入和流出功能的非旋转预主轴附件。从而使连接的冷却液罐和泵确保连续供应冷却液。Toolcraft公司设计了一个直径为6mm的常规骨科钻头。手术中用到的骨科麻花钻具有各种配置和尺寸,直径通常在0.5毫米至几毫米之间。


Toolcraft公司和IFW在外观上采用了常规钻头的几何形状,在钻头内部设计了直径为1.2 mm的内部圆形冷却通道,使热能远离切削刃,而回流管道则确保了冷却液的连续流动。


项目开始时,工程师根据冷却液的体积流量、温度变化和热容量来计算冷却能力,开发出一种将封闭的冷却回路,以确保钻头在操作过程中的稳定性。此外,工程师还进行了增材制造的研究,来确保设计的钻头能够通过选择性激光熔化工艺加工出来。


钻头由生物相容性材料1.4404(耐腐蚀奥氏体不锈钢(ASTM 316 / 316L))制成。钻头外表和内部冷却通道的几何形状由SolidWorks建模软件来设计,使用Siemens NX软件进行模拟仿真。随后通过Concept Laser的M2增材制造设备,加工出了带内部冷却通道的钻头。


使用直径6 mm的钻头以及水作为冷却液,IFW进行了各种各样的钻孔测试,并测量人造骨和牛骨中的钻孔操作。在测试过程中,工程师们以更高和更低的进给速率循序渐进的测量温度变化情况,并尝试测试将冷却系统打开和关闭两种不同场景情况下的温度变化情况。大量的测试结果表明,增加进给速率可以降低钻头的最高温度。



以0.35mm / rev的高进给速度和2m / min的切割速度来加工Nylacast Polyactal(POM-C)工程塑料材料制成的人造骨,测试表明新钻可以显着降低温度。在冷却功能关闭的情况下,钻头由于进给速率高而没有超过临界温度为50°C(122°F),但使用内部冷却功能,温度可以保持在最高35°C(95°F)的水平以下。



当进给速率降低到0.07mm / rev时,对于开启内部冷却功能的钻头,测试结果相同。对于关闭内部冷却功能的钻头,温度在不到100秒内升高到高于50℃(122°F)。测试表明由于内部冷却系统补偿温度升高的能力,即使在低进给速度的加工情况下也不再导致更高的温度,从而消除了温度过高的风险,避免骨骼发生坏死意外。


这项通过3D打印制造带内冷的钻头技术还可以推广到其他各种各样的应用领域,包括锯的制造。



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