快速成形与快速模具技术是近20年来制造领域的突破性进展，它在成形原理上与传统方法迥然不同，可以显著地缩短产品开发周期，降低成本，提高企业的竞争力，因此在许多行业中获得了广泛的应用。按照应用的领域，可将这些应用归纳为工业领域和生物医学领域两大方面（见图1）。

2.3 产品的性能分析与测试

许多重要产品在其研发阶段必须进行性能分析与测试，如有限元分析、应力测试、空气动力学测试等。图8是可用于风洞中进行空气动力学试验的快速成形飞机模型。据报道，如果用cnc机床或手工来制作风洞试验的飞机模型，需要几周的时间，而且精度也不如快速成形件理想。图7a中箭头所指的是汽车空调，其中安装了用于测试的快速成形叶轮原型件。

2.4 模具/工具的快速制作

（1）铸造模具的快速制作

在传统的铸造生产中，铸造模具（如模板、芯盒、蜡模压型）等一般是用机加工和手工完成的，不仅加工周期长，费用高，而且精度不易保证。对于一些形状复杂的铸件，模具的制造一直是老大难问题。快速成形与快速模具技术为使铸造工艺缩短周期、降低费用、提高精度提供了一条捷径，例如：

1）快速成形木模的替代模。砂型铸造中广泛采用木模（包括木芯盒），这种模具用木材经干燥防腐处理及切削加工而成。各种快速成形的原型件都可以替代木模，其优点是：无需高水平的木模工和相应的木工机械，根据铸件的设计图纸，就能在很短的时间内，用快速成形机制作出高精度的“木模”，特别是形状复杂、难于加工和需要多块组合的木模，其优势更为突出。用快速成形件做母模浇注而成的铝填充环环氧树脂模，可以替代木模，用于重复制作50～100件砂型。

2）直接成形砂型(无木模铸造)。采用激光烧结快速成形机可以直接烧结树脂砂得到砂型，而无需制作产生砂型的木模(或金属模)。

3）成形失蜡铸造用蜡模。失蜡铸造是一种常见的精密铸造方法，它使用的蜡模通常用机加工的金属压型注射蜡而成。为避免制作金属压型，可以用激光烧结快速成形机烧结蜡粉，直接得到蜡模；或者用快速成形件做母模浇注而成硅橡胶压型，这种压型可以在真空浇注机上浇注蜡模；或者用快速成形件做母模浇注而成铝填充环氧树脂模压型，这种压型可重复注射1000～10000件蜡模。

（2）塑料件与塑料成形模具的快速制作

塑料成形包括注射成形（又称注塑成形）、真空成形与中空成形等几种成形工艺。快速成形与快速模具技术在塑料成形中的应用如下：

1）用快速成形机直接制作塑料件

熔融挤压、激光固化和激光烧结快速成形机能直接制作塑料件。

2）用快速成形件做母模浇注而成的硅橡胶模或环氧树脂模，借助双组分聚氨酯的反应成形得到塑料件。

3）用快速成形件做母模浇注而成的铝填充环氧树脂模，或电铸而成的expresstool模，通过热注射成形或中空成形工艺制作塑料件。

4）用快速成形件做母模浇注而成的铝填充环氧树脂模，通过真空成形工艺制作塑料件。

（3）板金成形模具的快速制作

快速模具在板金成形中的典型应用有拉深模与液压成形模，这两种模具都用于金属板材的拉深成形。

可用于板材拉深成形的快速模具有：低熔点合金模、聚氨酯模、电铸镍壳－陶瓷背衬(ncc)模和气相沉积镍壳－背衬(nvd)模。

（4）电火花成形电极的快速制作

电火花成形最适合成形难加工的金属及特征(如不规则的孔)，常用于制作复杂的注射成形模与锻模。其中，电极应有良好的热导率、电导率、机加工性与高熔点，通常用铜及其合金、石墨经机加工而成，其制造周期长，成本高。快速制作电极的方法主要有如下几种：

1）用快速成形母模浇注碳化硅研磨模，再用此模研磨石墨块，逐步切出与其形状相反的精密轮廓，构成所需的石墨电极。

2）用快速成形件做母模，通过电铸得到电极的镍壳，再浇注铜或锡背衬构成电极。

3．烧结金属电极。采用激光烧结快速成形机烧结青铜合金粉，能直接成形电极，用于制作注射成形模或锻模。

3  快速成成形与快速模具技术在生物医学领域的应用

快速成形与快速模具技术的应用起源于工业领域，但是，近年来在生物医学领域的应用发展得非常快，主要有以下四个方面。

3.1 手术策划   

医生诊断病情和确定手术方案的一个重要手段是ct / mri（磁共振）扫描， 这些扫描的结果是人体器官的一组二维截面（切片）照片。由于病人缺乏人体解剖和病理知识，难于根据器官的二维扫描照片想象出三维实体的形貌，因此，医生要想通过ct / mri扫描照片向病人解释病情并非易事。对于经验不足的年轻医生，要根据ct / mri扫描照片准确判断病情也有一些困难。

显然，借助快速成形技术，能将ct / mri扫描的结果变成实体模型，无疑对于医生判断病情，以及向病人解释病情都有很大的帮助，所以，快速成形是ct / mri扫描的延伸与发展，一些专家预言，如同x光、ct一样，快速成形机即将成为医院的一种必备设备。

利用快速成形的病人器官的实体模型，医生可以直观地讨论手术方案，并在模型上预先模拟手术的操作过程，从而为完善和最终确定手术方案提供依据。例如，图9a是根据一位盆骨损伤导致严重畸形病人的ct扫描转换而成的stl格式图形，图9b是用熔融挤压快速成形机制作的实体模型，医生借助此模型能准确地判断骨折的类型、部位和严重程度，从而能制定切实可行的手术方案。

3.2 植入性假体的制作

医疗用植入性假体用金属、塑料、陶瓷等材料，经过铸造、锻造、冲压、切削加工或模压、烧结而成，并且，一般为制造厂的标准系列产品，很少有针对特定病人的个性化植入假体。手术时，医生只能从这些批量生产的标准系列产品中选择比较接近的植入假体，如果出现植入假体与病人的骨头或其它器官不协调的情况（如形状、尺寸），则由医生用手工对植入假体临时进行修改。显然，这种做法既耗费时间，也会增加病人的痛苦，效果还不一定理想。

快速成形工艺适合制作形状复杂且不规则的物件，因此，这种新工艺非常适用于植入假体的制作，主要有以下优点：（1）可以根据特定病人需要的几何参数（如形状、尺寸），专门定制精确的个性化植入假体，因此，不受标准系列植入假体产品的局限。（2）工艺环节少，无需传统的模具，制作周期短，成本低廉，有利于新型植入假体的研制。

图10a和b是为切除病人头部的巨型脑膜瘤，根据其ct扫描数据，预先用快速成形机制作病人头颅的两个模型，从此模型上可清除地看见肿瘤的部位并可用记号笔描绘出肿瘤的边界线，然后，在1个模型上切除病变部位（见图10b），并用丙烯酸材料预先制作植入假体（图10c）。手术时，首先按照模型上描绘的肿瘤边界线，切除病人的肿瘤（图10d），然后准确地固定植入假体（位置误差小于1.5mm，见图10e），因此，可以尽可能地减少正常组织的切除量，缩短手术时间，增强医生与病人的信心。

3.3 控制释放给药系统的制作

口服药是最常见的一种药剂，传统口服药是将粉状药物与赋形剂混合后压成的片剂，或用聚合物构成的胶囊包裹药物而成，这种口服药在咽下之后短时间内会释放，缺乏灵活性，不能按某种控制方式，持续或脉冲地释放。为克服口服药的上述问题，20世纪90年代以来，出现了控制释放给药系统，它能控制药物释放的时间、位置和速率，改善药物在体内的释放、吸收、分布代谢和排泄过程，从而达到延长药物作用、减少药物不良反应。

制作控制释放给药系统的一种方法是，将生物兼容、可水解的基质（赋形剂）做成由许多微小蜂窝构成的片状物，在蜂窝中放置不同剂量（甚至不同种类）的药物（或生物活性剂等），这种药片可以是口服式或植入式。当病人吞咽这种药片或将其植入病灶附近后，在一段时间内，在体液的作用下，各个小蜂窝的壁部逐步水解，蜂窝中的药物逐步释放而发挥药效。由于蜂窝的数量、孔隙、几何结构、容积和壁厚可以不同，还可嵌入障碍物（如多重壁）；蜂窝在药片中的排列位置可以有许多变化，蜂窝中放置的药物剂量和品种也可有许多变化，因此，借助这些不同因素的组合，能够构成各种各样复杂的药物释放规律 — 药物释放速率与时间及空间的关系曲线（见图11），即：在一段期限内，按照预定的时间，向不同的方位，逐步可控地释放一定浓度（甚至不同品种）的药物。控制释放药物的优点是：（1）有助于病人顺从、准确地服药；（2）疗效好；（3）安全性高，能尽可能低地减少药物的副作用，缩小药物对正常组织的损伤。

采用三维打印式快速成形机能方便地制作控制释放给药系统，这是因为：

（1）能按照预定的药物剂型设计，形成非常复杂的三维精细微孔结构。

（2）能按照预定的空间规律，在药物中准确地分布一种或多种药物。

（3）在药物成形的过程中，可以不发生任何化学反应与热反应，因此，不会对药物的性能产生不良的影响。

因此，用快速成形机制作这种控制释放给药系统时，能有效地使其在结构与成分等两个方面形成三维梯度特征。采用上海富奇凡机电科技有限公司生产的三维打印快速成形机，华中科技大学药物研究所创造性地制作了具有复杂微孔和梯度的控制释放药片，图12是这种药片的扫描电镜照片。

3.4 组织工程用支架的制作

组织工程（tissue engineering，见图13）可直接制作生物活性植入物，特别是骨骼，用于置换因疾病造成的骨骼缺损或畸形。其中一个方法是，将种子细胞/生长因子播种至多孔隙、生物所能分解的支架(scaffold)中，然后，对它进行栽培与移植，以便诱导新而健康组织的生长。

三维打印快速成形机最适合成形上述支架，并可在成形过程中均匀、安全地播种种子细胞/生长因子，因此，这种快速成形机受到了有关组织工程研究单位的高度重视。

the  series  lecture  of  “ the  status and foreground for technology of rapid prototyping  and  rapid tooling”－the application of rp & rt technology

                                          by wang yungan

abstract: the paper introduced the application of rp & rt technology especially for industrial and biomedical fields.