پرینتر سه بعدی
۳D PRINTING یا پرینت سه بعدی این امکان را ایجاد کرده است که با استفاده از اطلاعات آناتومیکی خاص هر بیمار موفق به ساخت محصولات پزشکی پیچیده مطابق با طراحی کامپیوتری گردیم. پیشرفت کند این تکنولوژی به دلیل این که اولین کاربرد این ها به عنوان مدل های بررسی و تجسم پیش از عمل و مدل های ابزاری مطرح بوده است، تدریجا پرینت سه بعدی به عنوان نوعی ابزار خاص جهت پیوند، اسکفلد(داربست) برای مهندسی بافت، سیستم های تشخیصی و تحویل دارو به بافت هدف مطرح شده است. در حال حاضر چاپگرهای سه‌بعدی جای خود را در تهیه و تولید اندام‌های مصنوعی به خوبی باز کرده‌اند. اندام‌های تولیدی فعلی مانند دست و پا، دندان و وسایل کمک شنوایی، معمولا از پلاستیک یا فلز ساخته شده و اگرچه در تماس با بدن قرار می‌گیرند وارد جریان خون نمی‌شوند.
در گذشته روکش یک دندان باید در کارگاهی جداگانه تولید می‌شد و ساخته شدن آن حداقل به چند روز (یا حتی چند هفته) زمان نیاز داشت و بیمار نیز مجبور بود ۲نا ۳ بار به مطب دندانپزشک مراجعه کند اما امروزه با استفاده از چاپگر سه‌بعدی، دندانپزشک در همان ملاقات اولیه اسکنی سه‌بعدی از دندان مورد نظر بیمار تهیه کرده و بلافاصله روکشی دقیقا مشابه و کاملا اندازه دندان خود بیمار برای وی تولید می‌کند.
این وسیله همچنین دریچه امیدی را به سوی بیماران دچار قطع اندام گشوده است. این افراد که تا قبل از این مجبور به استفاده از پروتزهای نازیبایی بودند که به خوبی هم اندازه آنان نمی‌شد، حالا نه تنها می‌توانند اندام‌هایی کاملا اندازه و مناسب با وضعیت عضو خود داشته باشند بلکه حتی می‌توانند بنا به میل خود تغییراتی را نیز در طرح پروتز به وجود آورده و به سلیقه خود آنرا بیارایند. بیماران پس از این مجبور به پنهان کردن اندام‌های مصنوعی خود نبوده و خواهند توانست با اعتماد به نفس بیشتر در جوامع حضور یابند.
انواع پرینتر سه بعدی
پرینتر سه بعدی FDM: یکی از متداول ترین پرینترهایی که در بازار وجود دارد و به راحتی هم در دسترس کاربران است، پرینترهای FDM هستند که قیمت بسیار مناسبی داشته و مواد اولیه آنها هم به راحتی و با هزینه کم در دسترس هستند.
پرینتر سه بعدی FDM، به نسبت دیگر پرینتر‌ها از قیمت خرید کمتری برخوردار است. شاید این عامل باعث شده که سرعت، کیفیت و دقت چندان بالایی نداشته باشد. باید این نکته را بدانید که نمی‌توانید روی این پرینتر، برای پرینت قطعات با پیچیدگی بالا حساب کنید.
نحوه عملکرد پرینتر FDM 3D که به آن فیلامنت هم میگویند، به این صورت است که با ذوب کردن پلاستیک و اکسترود آن، مدل شما را به صورت لایه‌های برش خورده افقی ایجاد می‌کند. به عبارت دیگر فیلامنت بعد از ذوب شدن به صورت رشته‌ای، از نازل بیرون آمده و روی رشته قبلی که حالا سرد و خشک شده است قرار می‌گیرد. این پرینتر رزولوشنی بین ۵۰ تا ۴۰۰ میکرومتر دارد.
ابتدا یک رول از فیلامنت را روی پرینتر قرار می‌دهند و زمانی که دمای پرینتر به حد مورد نظر رسید، فیلامنت وارد نازل شده و در اثر گرما ذوب می‌شود. اکسترودر پرینتر این امکان را دارد که در سه جهت محورهای X، Y و Z حرکت کند و لایه لایه مواد را روی سطح مورد نظر خالی کند. در نهایت با وجود فن پرینتر، مواد خشک خواهند شد. البته فن تنها در برخی از مدل‌های پرینتر وجود دارد، این فن‌ها باعث می‌شوند قطعات با سرعت بیشتری خشک شده و کیفیت پرینت نیز افزایش یابد.
پرینتر سه بعدی SLA: پرینتر سه بعدی SLA که مخفف استریولیتوگرافی یا همان Stereo Lithography است، هم به صورت لایه‌ای چاپ می‌کند. در پرینتر سه بعدی SLA دو نوع مکانیزم برای ساخت قطعات وجود دارد:
- مکانیزم بالا به پایین
- مکانیزم پایین به بالا
در مکانیزم بالا به پایین، لیزر در بالای تانک قرار داشته و به همین دلیل قطعه از بالا به پایین ساخته می‌شود. در مکانیزم پایین به بالا، به دلیل قرار گرفتن لیزر، در قسمت زیرین تانک قطعه از پایین به بالا ساخته می‌شود.
پرینترهای SLA، از رزین مایع برای سخت کردن مدل ساخته شده استفاده می‌کند و با تاباندن نور فرابنفش این عمل انجام می‌شود، زیرا این متریال به نور حساس هستند. از این پرینتر برای ساخت محصولات مهندسی و نمونه سازی صنعتی استفاده می‌شود.
با توجه به اینکه در پرینتر SLA، مدل از بالا به پایین ساخته می‌شود، سینی ساخت مدل داخل مخزن رزین قرار دارد. با تابش لیزر UV به مایع رزین، مدل سخت و یک لایه تشکیل می‌شود و به دنبال آن لایه‌های بعدی هم تشکیل می‌شوند.
مواد موردنیاز برای ساخت مدل با پرینتر SLA، رزین است و قطعاتی که با آن ساخته می‌شوند مقاوت زیادی نداشته و برای کارهای سخت توصیه نمی‌شوند. یکی از مشکلاتی که اغلب کاربران، از آن شکایت کرده‌اند پیچ خوردگی، تاب و شکستگی قطعات ساخته شده است. باید این نکته را به یاد داشت که، پرینترهای sla قطعاتی با جزئیات بسیار دقیق تولید می‌کنند. همین عامل سبب می‌شود این محصولات بسیار حساس و شکننده باشند.
تنظیمات پرینتر SLA توسط شرکت سازنده انجام می‌شود و کاربر این پرینتر قادر به تغییر تنظیمات نیست. تنها متغیر‌هایی که کاربر می‌تواند آنها را تغییر دهد، جهت گیری مدل سه بعدی و ضخامت لایه است.
پرینتر سه بعدی DLP: پرینترهای سه بعدی DLP هم مانند پرینترهای سه بعدی SLA عمل می‌کنند. با این تفاوت که نور UV در پرینتر DLP، توسط ویدئو پروژکتور تابیده می‌شود و در پرینترهای SLA، نور UV توسط لیزر به مدل تابیده می‌شود. این پرینتر‌ها، از دقت و سرعت بسیار بالایی برخوردار هستند. یکی از بزرگ‌ترین مزیت‌های پرینتر DLP به نسبت سایر پرینتر‌ها این است که، اجزا و قطعات به کار رفته در آنها، ساده‌تر از مابقی مدل‌ها بوده و همین عامل باعث کاهش هزینه نگهداری و تعمیر آن می‌شود.
مواد اولیه برای ساخت مدل در این پرینتر از رزین سرامیکی و رزین قابل ریخته‌گری بوده و فناوری چاپ هم به صورت لایه‌ای عمل می‌کند. از پرینترهای DLP، بیشتر در صنعت پزشکی، دندانپزشکی و ساخت جواهرات استفاده می‌شود. برای ساخت ارتودنسی‌های شفاف، این نوع پرینتر کاربرد زیادی دارد.
پرینتر سه بعدی DMLS: پرینتر سه بعدی DMLS، برای ذوب آلیاژ از لیزر استفاده می‌کند و فرایند ساخت مدل هم به صورت لایه‌ای انجام می‌شود. فرایند ساخت مدل در این پرینتر در یک محیط بسته و خالی از اکسیژن انجام می‌شود که از گاز نجیب پر شده‌است. پودر مورد استفاده برای چاپ توسط پرینتر DMLS، پخته شده و تنها با آلیاژهای نیکل تیتانیوم ۶۵ کار می‌کند.
لازم به ذکر است که، با استفاده از این پرینتر قادر هستید قطعات بزرگی را تولید کنید و دقت بالایی هم دارد. فناوری ساخت قطعات با این پرینتر به این صورت است که ابتدا لایه‌ای پودر روی سطح قرار می‌گیرد و با تابش لیزر به آن، ذرات فلز پخته شده و به یکدیگر میچسبند و در نهایت یک لایه ساخته می‌شود. به همین ترتیب لایه‌های بعدی هم شکل می‌گیرند.
پرینتر سه بعدی SLS: فناوری ساخت مدل با استفاده از پرینتر سه بعدی SLS، به واسطه ذوب ذرات پودر پلیمر و چسبیدن آنها به یکدیگر ایجاد می‌شود. ساخت مدل با این نوع پرینتر هم به صورت لایه‌ای است و بعد از ساختن یک لایه، لایه بعدی روی آن ساخته می‌شود. قطعات تولید شده با این پرینتر، از استحکام و دوام بالایی برخوردار هستند. این پرینتر سرعت بالایی در تولید قطعات کاربردی دارد، اما باید این نکته را نیز در نظر گرفت که پرینتر SLS از دقت متوسطی برخوردار است و توانایی تولید قطعات خاصی را ندارد.
دقت ساخت این پرینتر نسبت به FDM و SLA بیشتر است و نمونه‌های دقیق‌تری تولید می‌کند. اما تعداد قطعاتی که با آن ساخته می‌شود دارای تیراژ کم است. مدل‌هایی که با این پرینتر ساخته می‌شوند، دارای پیچیدگی هندسی بوده و کاربر آزاد است که هر طرحی را با آن پیاده کند.
کاربردهای پرینتر سه بعدی
- پرینترهای سه بعدی در نمونه سازی سریع
- پرینترهای سه بعدی در زمینه تحقیقات و آموزش
- پرینترهای سه بعدی در پزشکی
- پرینترهای سه بعدی در صنعت
- پرینترهای سه بعدی در هنر و معماری
کاربرد پرینتر سه بعدی در پزشکی و مهندسی پزشکی
در عرصه ی پزشکی، پرینترهای سه بعدی به جایگاه بسیار خوبی دست پیدا کرده اند. از مدل های تولید شده از آناتومی بدن انسان استفاده های بسیار خوبی در آموزش پزشکی می توان کرد. همچنین استفاده از آزمایشگاه های چاپ سه بعدی در بیمارستان ها رو به افزایش است.
با استفاده از این نوع آزمایشگاه ها، جراحان می توانند با استفاده از یک مدل و پیاده سازی دستورالعمل های لازم و جراحی بر روی آن، دقیق تر و با کنترل بیشتری به سراغ جراحی بیمار بروند. همچنین این امر زمان عمل جراحی را کاهش می دهد.
چاپگرهای ۳d توانایی و امکانات بسیار زیادی در اختیار تولیدکنندگان و طراحان ابزار و لوازم پزشکی قرار داده اند. به طبع با سرعت و پردازش بالای پرینترهای سه بعدی توسعه ی محصولات پزشکی سرعت بیشتری پیدا می کند و هر جراح یا پزشکی حتی می تواند ابزار منحصر به فردی که به آن نیاز دارد را در زمان کمتر و کیفیت بهتری بسازد.
کاربرد های متداول
- ابزارهای یادگیری جراحی:
چاپ سه بعدی در صنعت پزشکی بیشتر روی ایمپلنت‌ها و دستگاه‌های پزشکی مرتبط با بیماران بوده است و یکی از مهم‌ترین زمینه‌های کاربرد آن سخت مدل‌های آناتومیک می‌باشد. در طول تاریخ، تمرینات بالینی با آموزش و آزمایش دستگاه‌ها در شبیه‌سازهای بالینی بر روی مدل‌های حیوانی، جسد انسان و مانکن‌ها صورت می‌گرفته است. این گزینه‌ها دارای نقایص متعددی از جمله تعداد محدود، هزینه جابه‌جایی و ذخیره سازی، عدم آسیب‌شناسی در مدل‌ها، مغایرت با آناتومی انسان و عدم توانایی در نمایش دقیق ویژگی‌های بافتی انسان‌های زنده می‌باشند.
امروزه پزشکان از مدل‌های تولید شده از داده‌های اسکن بیماران توسط چاپ سه بعدی جهت تشخیص بهتر بیماری‌ها، توضیح تصمیمات درمانی، برنامه‌ریزی و حتی در برخی موارد، انجام تداخلات انتخاب شده جراحی پیش از عمل اصلی، استفاده می‌کنند. این مدل‌ها به پزشکان کمک می‌کنند که آناتومی بدن بیمار، که تصور آن به ویژه در روش‌های کم تهاجم دشوار است، را به خوبی درک کنند. مدل‌ها همچنین می‌توانند به اندازه‌گیری دقیق دستگاه‌های پزشکی کمک کنند. علاوه بر این پزشک‌ها می‌توانند از این مدل‌ها برای جراحی‌های آینده بیماران و خانواده آنها و توضیح مراحل جراحی به تیم بالینی استفاده کنند.
برای کمک به کاهش هزینه روش‌هایی ارائه شده‌اند که جراحان می‌توانند با هزینه کم روی مانکن‌هایی که با چاپ سه بعدی مخصوص بیمار طراحی شده‌اند، تمرین و برنامه‌ریزی کنند. این موضوع نشان‌دهنده این است که فناوری چاپ سه بعدی قادر به چاپ مواد سخت و نرم در یک قسمت می‌باشد که امکان چاپ دقیق بافت انسانی، کلسیفیکاسیون و استخوان را دارد به این معنا که جراحان اکنون می‌توانند درک بهتری از روش‌هایی که لازمه آنها لمس قسمت‌های مختلف آناتومی بیمار است، داشته باشند.
-
راهنما ها و تجهیزات جراحی:
پزشکان برای بهتر انجام دادن عمل جراحی به راهنما و تجهیزاتی نیاز دارند. در طول تاریخ این تجهیزات از تیتانیوم و آلومینیوم ساخته می‌شدند. با روی کار آمدن چاپ سه بعدی، پزشکان توانستند راهنما هایی مطابق با آناتومی خاص هر بیمار داشته باشند و مته و سایر تجهیزات مورد استفاده در حین جراحی را با دقت بیشتری به کار گیرند. ابزارهای ساخته شده با استفاده از چاپ سه بعدی باعث می‌شوند که درمان‌های ترمیمی (پیچ، پلاک و ایمپلنت) با دقت بیشتری انجام شوند و نتایج بهتری حاصل شود.
جراحان ارتوپدی و کراینوفیشال (جمجمه و صورت) یکی از مصرف‌کنندگان دائمی تجهیزات و راهنماهای ساخته شده با چاپ سه بعدی هستند. در سال ۲۰۱۴، ۲۳ راهنما و قالب جراحی سفارشی برای کمک به جراحی‌های کلی و جزئی تعویض مفاصل زانو و بیش از ۱۱۲ راهنمای جراحی برای کمک به جراحی‌های مختلف جمجمه و صورت ساخته شده و ۹ نوع کاشت جمجمه و صورت با آلیاژ تیتانیوم Ti-6Al-4V تنها مصر روی بیماران اعمال شده است. راهنماهای جراحی تهیه شده از اسکن بیماران برای مطابقت دقیق با آناتومی آنها و ساخته شده از PC-ISO (پلاستیک FDM قابل ضدعفونی) برای تماس کوتاه مدت با بافت انسان مناسب هستند. این موضوع موجب شده تا برش‌های جراحی در آناتومی بیمار بسیار دقیق‌تر پیاده شوند.
مدل‌های آناتومیک (استخوانی) و راهنماهای جراحی نیز از طریق چاپ سه بعدی تولید می‌شوند و مشترکا برای برنامه‌ریزی و آزمایش بهترین نقاط برای جایگذاری پیچ‌ها و پلاک‌های متناسب با سطح استخوان بیمار، قبل از جراحی استفاده می‌شوند.
- ایمپلنت ها:
قابلیت چاپ سه بعدی در تولید ساختارهای مشبک روی سطح ایمپلنت‌های جراحی می‌تواند پیوند استخوان را بهبود بخشیده و احتمال پس زدن را کاهش دهد. مواد زیست سازگار، مانند آلیاژهای تیتانیوم و کبالت-کروم، در جراحی‌های فک و صورت و ارتوپدی قابل استفاده می‌باشند. هندسه سطح بالایی تولید شده با چاپ سه بعدی میزان بقای کاشت را در مقایسه با محصولات سنتی دو برابر بهبود می‌بخشد. تخلخل این محصولات چاپ سه بعدی همراه با سطح بالای سفارشی‌سازی و توانایی تولید با مواد سنتی پزشکی، منجر به رشد سریع ایمپلنت‌های سه بعدی در شاخه پزشکی چاپ سه بعدی شده است.
- اندام مصنوعی:
امروزه فناوری چاپ سه بعدی به طور منظم برای تولید اجزای خاص پروتز بیمار که کاملا با آناتومی کاربر تطابق دارد، استفاده می‌شود. توانایی تولید هندسه‌های پیچیده با مواد مختلف منجر به سازگاری چاپ سه بعدی در نقاط تماس پروتز با بدن بیمار شده است. از فناوری چاپ سه بعدی برای تولید همه چیز، از اتصالات پای مصنوعی که به راحتی قابل استفاده است تا پروتز پیچیده صورت و کاملا سفارشی که برای یک بیمار سرطانی طراحی شده است، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
فناوری چاپ سه بعدی در ساخت پروتزهای ارزان قیمت نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. ماهیت تعاملی چاپ سه بعدی به این معنا است که یک جستجوی سریع اینترنتی درباره پروتزهای سه بعدی، طیف گسترده‌ای از محصولات تخصصی را که توسط پرینترهای سه بعدی رومیزی با هزینه کم ساخته شده‌اند را ارائه می‌کند. این طرح‌ها به راحتی قابل تطبیق با اندازه مورد نظر کاربر می‌باشند. انجمن e-NABLE متشکل از گروهی از افراد سراسر جهان است که از پرینترهای سه بعدی خود برای تولید دست و بازوی سه بعدی رایگان برای افراد نیازمندی که دارای پروتز اندام فوقانی می‌باشند، استفاده می‌کنند. با ادامه یافتن مسیر چاپ سه بعدی، این موضوعات به امری معمولی تبدیل شده‌اند.
فناوری چاپ سه بعدی در ساخت پروتزهای ارزان قیمت نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. ماهیت تعاملی چاپ سه بعدی به این معنا است که یک جستجوی سریع اینترنتی درباره پروتزهای سه بعدی، طیف گسترده‌ای از محصولات تخصصی را که توسط پرینترهای سه بعدی رومیزی با هزینه کم ساخته شده‌اند را ارائه می‌کند. این طرح‌ها به راحتی قابل تطبیق با اندازه مورد نظر کاربر می‌باشند. انجمن e-NABLE متشکل از گروهی از افراد سراسر جهان است که از پرینترهای سه بعدی خود برای تولید دست و بازوی سه بعدی رایگان برای افراد نیازمندی که دارای پروتز اندام فوقانی می‌باشند، استفاده می‌کنند. با ادامه یافتن مسیر چاپ سه بعدی، این موضوعات به امری معمولی تبدیل شده‌اند.
