先进的义肢研发与制作：PSYONIC 使用Formlabs增材制造技术开发仿生机械手

你知道吗？全世界有 5000 多万人因外伤而截肢。对于从医疗紧急事故中恢复的病人而言，初次接触义肢可能会令他们痛苦万分。 大多数人都想回归正常的生活：开车、去健身房锻炼、打扫房间等。但许多传统的义肢都粗制滥造、价格昂贵且脆弱易碎。目前，仅有约 10% 的患者负担得起购买先进义肢的花销。 PSYONIC 是一家颠覆义肢市场的公司，也是 Ability Hand 的创造者。PSYONIC 采用包括 3D 打印、注射成型、硅胶成型以及 CNC 机器加工在内的混合制造方法在公司内部设计和制造 Ability Hand，而这款义肢将有望帮助患者恢复至正常生活和行动水平。

壹、提供更优质的义肢解决方案 2005 年，Ability Hand 的首批使用者之一中士Garrett Anderson 在伊拉克执行任务时，他乘坐的车辆被炸弹击中。随后 Anderson 被诊断为轻度创伤性脑损伤和下巴骨折，不得不将右臂肘部以下的部分切除。复员后，他被美国伊利诺伊州立大学录取，获得了本科和硕士学位，并有了两个孩子；虽然大部分的日常生活恢复了正常，但他仍然面临挑战——义肢市场落后时代发展，只能采用钩状义肢来维持日常的基本功能。

Anderson 中士最终联系上了一位年轻的博士生Aadeel Akhtar ，Aadeel一样对目前市面上可以选择的义肢不满意。“这是我从七岁起就一直想做的事情，那时我第一次见到了肢体不寻常的人。她和我一般大，但失去了右腿，用树枝当拐杖。这激发了我进入这个领域的想法，我想制造出最先进的仿生设备，并让每个人都能使用它们。” 图丨首席执行官 Aadeel Akhtar 博士，手持最新版本的 Ability Hand

但是，要将一种颠覆行业的新型义肢产品推向市场并非易事。

真正的新一代义肢需要：
1）能够对用户的输入予以快速响应；
2）足够坚固耐用以免在日常生活中受损；
3）轻便灵活以免造成使用者疲劳和抽筋，并需要提供真实的感官反馈。
Akhtar博士知道设计出能同时满足这些要求的产品并不简单！如今，经过七年的不断研发，Ability Hand经过了九款原型迭代，该产品已在 FDA 完成了注册，并已加入到医疗保险体系当中。
除了直接制造成品部件之外，作为一项与传统工艺比肩的中间工艺，3D 打印在模具、工具、模型、固定装置和夹具等“混合生产”方面也带来了很强的优势。这就是所谓的快速模具制作和制造辅助工具。

贰、3D 打印制造效果如何 目前，越来越多不同规模的公司都转为通过内部 3D 打印来帮助制造原型，并将新产品推向市场。
在医疗器械制造等前期研发成本较高的领域，3D 打印已成为工程团队“工具箱”中的重要组成。特别是选择性激光烧结 (SLS) 和立体光刻 (SLA) 打印，已在制造业中得到了广泛应用。

首席机械工程师 James Austin 告诉我们：“对初创公司来说，混合和匹配制造方法是非常重要的，如果单纯采取传统制造方式，我们无法与其他公司竞争。像 CNC 加工技术和注射成型等技术，其初始成本，对我们来说堪称天文数字。但随着 3D 打印技术和各种打印类型的问世，我们已经能够快速制造原型、更改迭代，并以低成本小规模生产产品。尤其是 Formlabs 3D 打印机，对初创公司开发过程中起到了至关重要的作用。”

经过改进的技术能够以较高的产量打印优质的成品部件，加上各种经过优化的材料，可使 3D 打印技术在制造新型医疗器械方面变得更加实用。

01、内部碳纤维模具>>
碳纤维是一种性能强大的材料，可以增加 Ability Hand 的整体耐用性和刚性，同时减轻产品重量，但价格昂贵，难以将其用于迭代以及生产。
Aadeel Akhtar 博士在碳纤维模具的早期迭代中，选择使用 High Temp Resin 来制作模具，这种材料虽然脆弱，但足够耐热，便于压制成想要的形状。迭代的时候只需在 CAD 中进行更改，然后再次使用3D打印机进行打印，即可完成对模具的迭代。
High Temp Resin 在 0.45MPa 的条件下，热变形温度 (HDT) 为 238°C，能够承受高压釜的热量和压力。

02、逆向工程>>
逆向工程是一种根据实体部件推导出数字设计方案的强大方法，也是工程师原型制造工具包中的一款极具价值的工具。技能娴熟的工程团队和 3D 打印机可以快速制作出逆向工程部件，从而减少生产延迟。
PSYONIC 再次利用内部 3D 打印加快了开发速度并降低了相关成本，对于较小的部件，能够轻松通过逆向工程来复制出形状和结构，然后就可以在内部完成部件的生产。

03、注射和硅胶成型的快速模具制作>> 在开始生产新产品时，使用快速模具制作生产小批量成品部件是一种有效且经济实惠的方法，可以弥合原型制造与使用昂贵的硬模具进行批量生产之间的差距。
PSYONIC 团队开始采用 3D 打印制作 Ability Hand 的每个部件，包括手指，但很快发现手指需要柔韧性，必须使用 3D 打印模具而非直接制作手指。 团队首先使用熔融沉积成型 (FDM) 3D 打印机来制造模具，但在注射时发现表面光洁度不佳，改为使用 Clear Resin 后，打印分辨率明显提高，也得到了更加光滑的产品表面。于是，团队采用了逆向工程，利用手指或拇指形状来生产这些模具，以块为基材进行减材，并增加流道和入口以便注入双组分硅胶。
在模具设计好并打印出来后，把 3D 打印的骨头放在里面，作为手指的骨骼，脱模后，就会得到全新的优质手指，这些模具，甚至可以使用多达几十次。
在使用 Form 3（25 微米）进行打印时，Austin 使用了尽可能高的分辨率来制作成品部件和模具，这样做是因为这些部件可以精确地组合在一起，以实现最佳贴合和功能。

04、将客户反馈转化为快速原型制造>>
首席机械工程师 Austin 告诉我们，“我们试图平衡制造方法以优化产品。我们可以选择原型是用 FDM 打印的塑料或 SLA 打印的树脂制成，或用金属通过 CNC 机器重新制作这些原型，这些丰富的选择意味着我们可以真正通过混合搭配来优化任何单独的部件，以确保我们得到最好的选择。也就是说，我们将能够以最低的制造成本，获得最高的部件性能。”

04、3D 打印成品部件>>
随着近期 3D 打印材料的不断进步，我们通常可将打印完成的部件直接用于需交付给客户的模型，甚至可将其作为终端零部件进行交付，这不仅减少了对昂贵的传统模具的需求，而且大大缩短了开发时间。

Austin 发现Tough 1500 Resin 材料制作的 3D 打印物品不仅仍然优于任何其他材料以相同分辨率制作的物品，而且要比注射成型更具成本效益。按照生产规模和对部件在强度、分辨率、物理性能、耐热性、抗冲击性方面的物理需求，Tough 1500 Resin 是目前市面上最适合PSYONIC使用的材料，Ability Hand 将继续在所有商业设备中使用这种材料。 “我们的患者期望的是重新参与日常生活。很多时候，他们仅凭目前市售的设备甚至无法完成一些简单的任务，而我们已经超越了这一点。这是因为我们在 Ability Hand 的产品设计中加入了很多创新技术。”Akhtar博士表示。Anderson中士补充说：“今年，得益于感官反馈功能，我第一次真正感觉到用义肢触摸到了我女儿的手。”

目前，PSYONIC 业务增长主要集中在北美市场，2023 年底，Ability Hand 的产量将大幅增加。接下来，PSYONIC 将继续扩大规模，把产品带给世界各地的用户。