Индивидуальные силиконовые ушные вкладыши и Form 2
Краткая информация
Индивидуальные ушные вкладыши обеспечивают очень надежную и удобную посадку для таких приложений, как слуховые аппараты, музыкальные внутриканальные наушники, высококачественные наушники и средства защиты слуха, но изготовление индивидуальных деталей может стать настоящей проблемой.
Благодаря технологии цифрового сканирования и программному обеспечению упрощается сбор и изменение естественной формы уникального ушного канала человека, а изготовление с помощью трехмерной печати обеспечивает аналогичные преимущества. Цифровое производство обеспечивает больший контроль и точность по сравнению с традиционным изготовлением
Традиционно цифровые процессы производства были дорогостоящими для всех компаний, кроме нескольких крупных лабораторий по разработке и производству ушных вкладышей. Теперь, благодаря таким технологиям, как Form 2, доступному 3D-принтеру с высокой разрешающей способностью стереолитографии (SLA), лаборатории ушных вкладышей всех размеров могут перейти в изготовлении мягких силиконовых ушных вкладышей на цифровой процесс производства.
В этом информационном буклете, разработанным впартнерстве с The Listening Stack, описывается процесс изготовления индивидуальных силиконовых ушных вставок с использованием Form 2 и стандартного прозрачного полимера Formlabs. Благодаря интеграции этого цифрового процесса производства, по оценке владельца Listening Stack Джастина Стека, компания добилась 40% сокращения переделок, что привело к значительной экономии средств и времени для его компании.
Введение
Приложения для аудиологии естественны для массовой индивидуализации 3D-печати. Внутренняя часть уха каждого человека состоит из чрезвычайно уникальных органических форм и кривых. Ушные вкладыши должны идеально подходить для обеспечения оптимального уплотнения и производительности конечного устройства.
Традиционно индивидуальные ушные вкладыши изготавливаются с использованием трудоемкого процесса, который требует выполнения нескольких различных операций литья и ручной обработки. За последнее десятилетие изготовление индивидуального вкладыша в значительной степени перешло на цифровой процесс производства. Цифровое редактирование и трехмерная печать каждого отдельного вкладыша позволяют получить более постоянное качество, точность и лучшее управление продуктом.
Многие более крупные лаборатории уже используют 3D-печать в своих технологиях изготовления ушных вкладышей. Несмотря на то, что процесс относительно устоялся, стоимость высокоточных принтеров сделала аддитивную технологию недоступной для небольших лабораторий. В результате многие лаборатории по- прежнему используют традиционный подход литья под давлением, в то время как другие выбирают аутсорсинг производства.
В этом буклете описывается процесс литья индивидуального силиконового ушного вкладыша из оболочки, которая была напечатана на стереолитографическом 3D-принтере Form 2 (SLA). Этот процесс успешно используется пользователями Form 2, такими как The Listening Stack, лабораторией ушных вкладышей и центром по производству слуховых аппаратов, который предоставляет пациентам слуховые аппараты, индивидуальную защиту органов слуха и вкладные наушники.
Рис. 1: Силиконовый ушной вкладыш, отлитый из печати, выполнненой на Form 2.
Рис. 2: Мягкий и жесткий ушной вкладыш.
Переход на цифровое производство ушных вкладышей
Индивидуальные ушные вкладыши существуют в нескольких разных вариантах исполнения и материалах, в зависимости от применения, и обычно относятся либо к жесткой (обычно акриловой), либо к мягкой (обычно силиконовой) категории. 3D-печать обеспечивает эффективность для изготовления обоих типов вкладышей с помощью двух немного разных технологий печати.
Традиционно индивидуальные ушные вкладыши и оболочки изготавливаются вручную путем изменения шероховатости оттиска (удаление материала, шлифование и полировка) и добавления слоев (погружение в воск). Затем оттиск используется в качестве мастер-формы для создания негативной отливки из другого материала, который затем заполняется окончательным материалом вкладыша. Если вкладыш представляет собой твердый акриловый материал, его затем отверждают в УФ-печи для отверждения. Если вкладыш изготовлен из мягкого силикона, он подвергается пост-обработке в установке для полимеризации под давлением, а также требует специальных навыков и опыта для обеспечения неизменно высокого качества продукта. Поскольку процесс выполняется в значительной степени вручную, человеческий фактор усложняет задачу, а переделки являются обычным явлением.
При 3D-печати оттиск может сканироваться и изменяться в цифровом виде на компьютере, снижая шансы человеческой ошибки и необходимость физических усилий. Результаты сканирования могут быть сохранены и изменены, вместо того, чтобы собирать новые оттиски, чтобы исправить ошибку или создать новый вкладыш. Файлы затем распечатываются на 3D-принтере как жесткие вкладыши для непосредственного использования в ухе или в виде оболочки для инъекции более мягкого материала, который затем используется в качестве конечного продукта.
Конечный продукт является более точным и последовательным, что требует меньшее число переделок и обеспечивает большие возможности контроля для техников.
Преимущества цифрового процесса также влияют на общую эффективность компании, так как файлы могут легко сохраняться в течение многих лет и не требуют физического хранения или обслуживания. Это позволяет обеспечить оптимальное ведение учета пациентов и экономию на масштабе при создании более чем одного вкладыша.
Как использовать Form 2 для изготовления индивидуальных мягких ушных вкладышей
Form 2 предоставляет новые возможности лабораториям ушных вкладышей, которые хотят перейти от процессов ручной обработки к более точным и последовательным цифровым технологическим процессам. The Listening Stack уже использует Form 2 для изготовления практически всех своих индивидуальных вкладышей для защиты органов слуха.
В следующих разделах описывается сквозной процесс The Listening Stack для изготовления мягких полнооболочечных ушных вкладышей.
Этот процесс использует метод, который часто называют «технологией яичной скорлупы», когда компании печатают оболочечный полый вариант ушного вкладыша, который затем заполняют силиконом для производства обычного мягкого ушного вкладыша. Отпечатанная литая деталь растрескивается от введенного силиконового ушного вкладыша, подобно растрескиванию яичной скорлупы яйца, сваренного вкрутую.
Рис. 4: Ушные вкладыши, отлитые из отпечатков Form 2.
Технологический процесс
1. ПОЛУЧЕНИЕ ОТТИСКА
Неотъемлемой частью изготовления любого индивидуального ушного вкладыша является получение оттиска внутренней части уха пациента. Для этого аудиолог или специалист по слуховым аппаратам с помощью шприца вливают в ухо слепочный материал, обычно в виде жидкой / порошковой смеси или силикона.
Избыточное распространение материала в канале обычно блокируется с помощью отоблока, который представляет собой небольшой кусок пены или хлопка, который помещается в ухо до инъекции. После инъекции материал затвердевает в течение трех-пяти минут, и оттиск можно вытащить.
Рис. 5: Получение оттиска уха.
Рис. 6: Сканирование оттиска уха с помощью сканера 3Shape H600.
2. СКАНИРОВАНИЕ ОТТИСКА
Поместите оттиск в 3D-сканер, где его форма будет сканироваться в течение всего 30 секунд. Сканирование переносит физическую геометрию оттиска на компьютер в виде цифрового файла
Из-за небольшого функционального размера и органической формы оттиска лаборатории ушных вкладышей используют сканеры, разработанные для этого конкретного приложения. Цифровой файл по-прежнему будет представлять собой формат необработанных данных оттиска уха, который затем необходимо отредактировать для конкретного применения в ушном вкладыше.
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УШНОГО ВКЛАДЫША
Редактируйте цифровой файл, используя программное обеспечение, предназначенное специально для редактирования ушных вкладышей. Используйте программные инструменты для образования полых и гладких секций модели, вырезайте каналы и при необходимости добавляйте материал. Для печати оболочки для инъекции мягкого материала вкладыша, опустошите деталь и укажите толщину стенки оболочки (обычно от 0 до 0,8 мм). Для защиты слуха дополнительными деталями, такими как децибельные фильтры для наушников, смоделируйте форму фильтра в оболочке, чтобы оставить полость, когда деталь будет печататься.
Существует несколько различных пакетов программного обеспечения. Стандартным пакетом является 3Shape.EarMouldDesigner. Хотя интеграция программного обеспечения будет новым процессом для лаборатории, в которой в настоящее время используется традиционный рабочий процесс, обучение использованию программного обеспечения вполне доступно, а цифровые интерфейсы предназначены для интуитивного и параллельного осуществления шагов в традиционных процессах
Рис. 7: Редактирование файла в программном обеспечении для аудиологии 3Shape EarMouldDesigner.
Что именно нужно отредактировать в первоначальном оттиске?
Оптимально подходящая форма ушного вкладыша редко принимает точную форму первоначального оттиска. Любые несогласованные или грубые участки оттиска сглаживаются, и материал часто добавляют, чтобы увеличить общую толщину и обеспечить плотную посадку. Этот процесс служит тем же целям, что и добавление восковых слоев к оттисков в традиционном производственном процессе, что увеличивает общий объем до окончательного литья. Кроме того, если оболочка должна использоваться для инъекции другого материала, как и в этом примере процесса, форма должна быть полая, а небольшие отверстия для слива добавляются по всей оболочке, чтобы полимер мог выходить после печати, а воздух / силикон могли выходить во время инъекции. Конус для инъекций устанавливается в тщательно выбранном месте, чтобы обеспечить легкую инъекцию оболочки, а также потенциальную поддержку для печати в качестве альтернативы использованию опор, созданных PreForm. Каждая оболочка может иметь идентификационное имя и идентификаторы, добавленные для отслеживания и определения левого и правого ушного вкладыша.
Рис. 8: Редактирование файла в PreForm.
4. ПОДГОТОВКА К ПЕЧАТИ
Экспортируйте файл из программного обеспечения для ушных вкладышей в виде файла STL и загрузите его в бесплатное программное обеспечение PreForm, которое подготовит файл для печати на 3D-принтерах Formlabs. Просто выберите правильную ориентацию с помощью инструмента для выбора поверхности и создайте и отредактируйте опоры по мере необходимости. Необходимо обеспечить, чтобы выбор «Создать внутренние опоры» не был выполнен, чтобы гарантировать, что внутренние опоры не будут заполнять пустотелую оболочку.
Ориентация является ключевым фактором для успешной 3D-печати органических форм ушных вкладышей. При SLA печати важно обеспечить, чтобы каждый напечатанный слой надлежащим образом поддерживался ранее напечатанным слоем. Если слой не привязан к наконечнику опоры или ранее напечатанному слою, он не сможет быть распечатан. Это часто может быть причиной проблемы с выступами и внутренними слоями, когда неподдерживаемый слой выходит за точку соединения.
Рис. 9: Схема построения слоев и внутренний слой (показан оранжевым цветом), который не может иметь опоры.
Неподдерживаемое местоположение часто называют «островком печати», поскольку местоположение выглядит как плавающий остров, когда деталь прокручивается с помощью послойного слайдера в PreForm. Проблема островков печати, как правило, разрешается путем создания опоры ниже местоположения, которая работает для внешних слоев. Однако внутренние компоненты не должны иметь опоры, поэтому детали должны быть правильно ориентированы, чтобы избежать существования каких-либо внутренних островков печати. Это может быть проверено с помощью послойного слайдера PreForm
Рис. 10: Каждый из этих пяти отпечатков одинаковый, но ориентация может определять успех печати. Четыре отпечатка слева будут печататься без проблем, но пятый отпечаток ориентирован таким образом, что внутренняя функция создает островок печати.
В Руководстве по проектированию Formlabs Design Guide изложены общие руководящие принципы проектирования для ориентации, но ориентация органических форм, таких как вышеуказанные, часто быстро изучается благодаря получению опыта печати различных типов форм.
PreForm генерирует опору, оптимизированную для успешной печати, но Вы также можете печатать непосредственно на платформе сборки, если геометрия детали позволяет это. Инъекционный конус можно разместить на детали в месте, поддерживающем печать, аналогично опоре. Это может работать до тех пор, пока не останется островков печати (на внешних или внутренних элементах) и не будет обширных выступов, которые PreForm идентифицирует с помощью оттенков ярко-красного цвета. Также обратите внимание, что использование конуса для инъекций в качестве опоры ограничивает размещение конуса в местоположении, которое учитывает эти ограничения геометрии. Если существует конкретное место для оптимальной инъекции, оно может не совпадать с размещением для оптимальной опоры.
Рис. 11: Слева — оболочка ушного вкладыша, которая успешно печатается с помощью конуса для инъекций в качестве опоры, а справа — та же оболочка ушного вкладыша с конусом для инъекций в другом месте, поддерживаемым на опорах сгенерированных PreForm.
5. 3D-ПЕЧАТЬ
После того, как файл будет подготовлен в PreForm, загрузите в Form 2 стандартный картридж с прозрачным полимером и стандартными полимерами Formlabs, которые обеспечат высококачественные отпечатки, поскольку неотвержденный полимер имеет относительно низкую вязкость для удобства очистки внутренних полостей, а окончательный материал для печати имеет оптимальные механические свойства для удаления оболочки после введения силикона. Полная сборка платформы займет от двух до пяти часов для печати при рекомендуемой толщине слоя 50 микрон, но время печати, конечно, будет меняться в зависимости от геометрии формы и стилей оболочки.
Рис. 12: Полная сборка платформы оболочек ушных вкладышей, напечатанных за 5 часов при 50 микронных слоях.
6. ОЧИСТКА НАПЕЧАТАННЫХ 3D-ДЕТАЛЕЙ
Визуально осмотрите напечатанные детали, чтобы убедиться в отсутствии сбоев, а затем окуните их в ванну с изопропиловым спиртом (IPA) и промойте внутреннюю часть оболочки с помощью шприца. Повторите процесс промывки, встряхивая отпечаток в IPA, пока он не будет выглядеть как весь неотвержденный полимер вне каждой оболочки. В зависимости от формы печатной оболочки и расположения / размеров дренажных отверстий может потребоваться ультразвуковая ванна IPA для тщательной промывки любого неотвержденного полимера изнутри отпечатка.
Любой полимер, оставшийся на внутренней поверхности оболочки, может привести к неточной толщине оболочки после отверждения отпечатка или липким остаткам, если отпечатки не полностью отверждены, что ухудшает качество окончательной силиконовой формы. Чтобы обеспечить удаление остаточной жидкости, можно продуть печатные оболочки сжатым воздухом после промывки.
Рис. 13: Инъекция отпечатка с помощью IPA для удаления любого неотвержденного полимера.
7. ПОСЛЕДУЮЩАЯ ОБРАБОТКА НАПЕЧАТАННЫХ ДЕТАЛЕЙ
После того, как оболочки были достаточно промыты и высушены, выполните последующую обработку деталей в течение 30-40 минут. Хотя последующая обработка не требуется для стандартного полимера Formlabs, в этом процессе полезно обеспечить, чтобы любой остаточный полимер, потенциально попавший внутрь отпечатка был полностью удален, и чтобы инъекция силикона была равномерной. Последующая обработка также может увеличить хрупкость печатного материала, что выгодно в этом применении для удаления оболочки позже в ходе процесса. Из-за органической формы ушных вкладышей необходимо выполнить пост-обработку с полным вращением деталей, чтобы обеспечить полную обработку всех областей оболочки. Formlabs Form Cure автоматически поворачивает детали с помощью поворотного стола и надлежащим образом функционирует для этого приложения. Для решений статической пост-обработки Вам может понадобиться перевернуть или повернуть деталь посередине процесса, чтобы достичь равномерной пост-обработки.
8. ИНЪЕКЦИЯ ПЕЧАТНОЙ ОБОЛОЧКИ
Теперь 3D-печатные оболочки готовы для инъекции силикона. Покройте внутреннюю часть каждой оболочки спреем для удаления, который предназначен для предотвращения прилипания силикона к материалу оболочки. Введите несколько капель в оболочку и прокрутите оболочку, обеспечивая, чтобы все внутренние поверхности были покрыты. Этот шаг не является абсолютно необходимым, но может облегчить процесс удаления оболочки
Загрузите картридж с материалом в пистолет-распылитель и прикрепите к картриджу наконечник для смешивания, индивидуальный для материала. Смешивающие наконечники необходимы для обеспечения надлежащего смешивания двухкомпонентного силикона перед впрыском. Медленно введите силикон в каждую оболочку, обеспечивая заполнение всех зазоров и пустот
Рис. 15: Впрыск в печатную оболочку силикона BioPor® AB 40 Shore фирмы Dreve.
Силикон для инъекций находится в герметичном картридже, и большинство пузырьков воздуха должны выходить из оболочки во время инъекции, но микро-пузырьки воздуха, которые почти невидимы для человеческого глаза, могут попасть в форму. Для достижения самого высокого качества и большинства упругих продуктов удалите этот воздух, помещая отливку сразу же после инъекции в сосуд под давлением в течение 30 минут при 40 °C и 4 барах. Любительские варочные автоклавы обычно не могут безопасно достигать этого давления, поэтому необходимо использовать промышленное оборудование, такое как установки для полимеризации под давлением Dreve Polymax. Это такое же оборудование и технологический этап, который обычно используется для традиционного метода производства непрямой отливки силиконового ушного вкладыша под давлением. Температура и давление будут вытеснять любые захваченные пузырьки из силикона.
Если детали имеют опоры, может быть полезно удалить опоры перед инъекцией с помощью резаков, которые являются частью комплекта для финишной обработки Form 2. Это может облегчить визуальное представление о том, как заполняется печатная оболочка, и наличии любых образующихся пузырьков воздуха. Тем не менее, также может быть легче удерживать печать при инъекции с помощью опор. Время удаления опор в значительной степени зависит от личных предпочтений и от того, насколько хорошо осуществляется впрыск для данной конкретной геометрии оболочки.
Рис. 16: Удаление опоры с помощью кусачек
Что такое материал для инъекций?
Мягкие ушные вкладыши обычно изготавливаются из биосовместимого, специально предназначенного для аудиологии силикона, хотя возможно и использование других материалов. Инъекции силикона поставляются в двухкомпонентных картриджах, которые смешиваются, в то время как силикон проталкивается при впрыске. На рынке доступны различные типы силиконов, а основные отличия — твердость, цвет и непрозрачность.
Твердость силикона измеряется с точки зрения твердости по Шору. Стандартная твердость по Шору для мягких, индивидуальных ушных вкладышей колеблется от 20 до 70 баллов по Шору A. Чем меньше число, тем мягче материал, а буква представляет собой шкалу теста с использованием дюрометра (А для более мягких материалов, D для более твердых материалов).
9. РАСТРЕСКИВАНИЕ ОБОЛОЧКИ
После полного отверждения силикона оболочка готова к удалению. Растрескивание оболочки может быть выполнено с помощью различных методов и обычно производится путем сжатия отливки в тисках или с помощью плоскогубцев. Удалите кусочки вручную или с помощью пинцета. Повторите эти два шага, пока все части не будут удалены.
Примечание: Этот шаг должен быть выполнен очень осторожно, чтобы гарантировать, что мягкий силикон не будет поврежден во время удаления оболочки, так как кусочки оболочки могут проникать внутрь или разорвать силиконовую форму. Используя накопленный опыт лаборатории разрабатывают методы для наиболее эффективного удаления оболочки. Как ожидается, различные формы вкладышей представляют различные подходы к удалению оболочки и методам растрескивания. Силиконовая защита органов слуха с помощью децибелных фильтров или внутренних каналов использует уникальный подход в удалении оболочки, так как внутренние печатные компоненты необходимо осторожно извлечь из силиконовой формы.
Если печатная оболочка была тщательно очищена и обработана, а силиконовая форма все еще остается липкой, оставьте отпечаток на 8-12 часов, чтобы гарантировать, что весь силикон затвердеет, прежде чем удалять его из печатной оболочки. Обычно это не требуется в режиме тщательной очистки, но может быть необходимо, если геометрия оболочки такова, что неотвержденный полимер чрезвычайно трудно удалить из оболочки.
Рис. 17: Растрескивание и удаление оболочки с ушного вкладыша.
10. ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА ВКЛАДЫША
После удаления оболочки осмотрите вкладыш на наличие каких-либо серьезных дефектов, которые не могут быть устранены после финишной обработки. Если все визуальные признаки удовлетворительны, вкладыш готов к финишной обработке. Используйте кусачки, чтобы тщательно вырезать маленькие кусочки силикона, которые выпирают через отверстия для воздуха во время инъекции и оставшуюся силиконовую деталь из конуса для инъекций из вкладыша. Затем, как применимо для оптимальной отделки поверхности, отшлифуйте и отполируйте до тех пор, пока все поверхности не станут гладкими.
Настольный токарный станок и / или гибкий вал Dremel обычно используют для полировки формы, а переменная скорость необходима для оптимального управления. Выберите сверла, биты и резаки, которые являются специфическими для отделки мягкого, вязкого материала, такого как силикон; наждачная бумага со средним размером зерна и шлифовальные колпачки показывают хорошие результаты, в то время как крупногабаритные резаки имеют тенденцию просто перемещать силикон без удаления материала.
Рекомендуемые инструменты отделки обычно могут быть получены от производителей и поставщиков материалов для аудиологии. The Listening Stack используют все свои инструменты для отделки от US
Supplier, Warner Tech-Care Products, LLC. Из-за вязкости силикона материал относительно сложно обработать, и ошибка может легко привести к разрыву во время этого процесса, поэтому оптимальные инструменты крайне необходимы. Силикон также легко захватывает грязь и пыль, поэтому чем меньше требуется отделки, тем лучше. Благодаря высококачественной отливке требуется очень незначительная финишная обработка.
Рис. 18: Финишная обработка силиконового ушного вкладыша с использованием наждачной бумаги со средним размером зерна на гибком валу Dremel.
Рис. 19: Покрытие силикона экологически-чистым финишным лаком Lack B от Dreve.
После того, как форма станет гладкой, покройте ее финишным лаком для герметизации силикона для обеспечения долговременной чистоты и защиты от износа; существует множество различных типов лаков, доступных для различных целей и отделки поверхности. Лак может наноситься с помощью кисти, окунания или распыления с помощью автоматической машины для нанесения покрытий и служит для получения простой в очистке, прочной биосовместимой поверхности, контактирующей с кожей. В зависимости от типа покрытия, готовая форма может затвердевать в условиях окружающей среды или может потребовать дополнительной пост-обработки.
Рис. 20: Проверка посадки ушных вкладышей.
11. ПРОВЕРКА ПОСАДКИ
Осмотрите конечный продукт на наличие дефектов и протестируйте вкладыш на пациенте на предмет посадки и свойств защиты слуха. Соберите вкладыш с другими компонентами, такими как трубки или электроника, при их наличии. После проверки сборки, осмотра и подгонки пациент уходит со своими новыми, удобными ушными вкладышами.
Заключение
Изготовление индивидуальных ушных вкладышей с использованием 3D-печати произвело революцию в области аудиологии, но доступность технологии в значительной степени ограничивалась несколькими крупными лабораториями. Меньшие лаборатории и предприятия либо продолжали использовать традиционный производственный подход, либо передавали на аутсорсинг свои индивидуальные вкладыши этим более крупным игрокам.
Интеграция Form 2 в производственный процесс позволила малым предприятиям, таким как The Listening Stack, использовать преимущества цифрового рабочего процесса и 3D-печати индивидуальных ушных вкладышей. Самое главное, используя автоматизированный рабочий процесс цифровой сборки The Listening stack сократила на 40 процентов производственные издержки по сравнению с аутсорсингом и более чем вдвое сократила объем доработки, без компромиссов по качеству и с очень низкими инвестициями.
Переход к цифровому рабочему процессу требует обучения и некоторых предварительных затрат, но после полного перехода, по мнению Джастина, печать на Form 2 сократила процент переделок с 20% до менее 8%
СВОЙСТВА | СПЕЦИФИКАЦИЯ FORM 2 |
Размер платформы сборки | 57 X 57 X 69 дюймы 3 |
Вкладыши / оболочки для каждой платформы | 20 — 30 |
Время печати для полной сборки | От 2 до 6 часов |
Материал печати для одной полной спиральной оболочки | 3,3 мл ($ 0,49) |
Рис. 21: Полная платформа для сборки с различными стилями печати для силиконовой инъекции.
Малый размер Form 2 и доступная цена обеспечивают преимущества также и для лабораторий крупномасштабного производства. Несколько принтеров могут быть интегрированы в печатную ферму или Form Cell, одновременно распечатывая на множестве сборочных платформ благодаря автоматизированному процессу с высокой пропускной способностью. The Listening Stack надеется расширить свое производство до системы Form Cell в ближайшие несколько лет
«По мере роста спроса, так же будет расти и наша потребность в эффективном высококачественном производстве. Я могу купить один коммерческий 3D-принтер по той же цене, что и 10 Form 2s, но с Form Cell мне не нужно беспокоиться о всей утомительной работе. Для нас все однозначно!»
Джастин Стек
Основатель The Listening Stack