本文關(guān)鍵詞：牙科激光選區(qū)熔化3D打印設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：3D打印被譽(yù)為第三次工業(yè)革命的代表及主要推動(dòng)因素。3D打印是數(shù)字化制造的理想模式,其具備將3D數(shù)字模型直接打印成最終產(chǎn)品的能力。從設(shè)計(jì)到制造,中間過(guò)程大幅減少。傳統(tǒng)制造工藝主要以減材制造為主,而3D打印采用增材制造的方式,有效減少材料浪費(fèi)。3D打印具有快速制造,個(gè)性化制造,綠色制造的特點(diǎn),在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,被應(yīng)用于軍事武器研發(fā),航天精工,醫(yī)療器械等諸多高端領(lǐng)域,而在我國(guó),3D打印技術(shù)發(fā)展仍處于初級(jí)階段。2015年我國(guó)國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《中國(guó)制造2025》,部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略,3D打印被列為重點(diǎn)發(fā)展的新興技術(shù)。3D打印個(gè)性化,快速化制造的特點(diǎn),在醫(yī)療應(yīng)用中倍受青睞。2015年,醫(yī)療(主要是牙科醫(yī)療)在3D打印的份額中占到了13.1%。其中主要以激光選區(qū)熔化(selective laser melting,SLM)技術(shù)制造的牙橋,義齒,種植體等為主。SLM金屬3D打印技術(shù),是3D打印在牙科醫(yī)療應(yīng)用中,最重要方向。但其中產(chǎn)值最高的,如軟件,設(shè)備,材料等大部分關(guān)鍵技術(shù)都被國(guó)外控制。其中SLM設(shè)備,是研究3D打印材料,工藝,軟件的基礎(chǔ)。國(guó)外廠商在銷售SLM設(shè)備時(shí),通常會(huì)捆綁軟件,材料和工藝,從而進(jìn)行技術(shù)封鎖。本文的研究目的,是結(jié)合牙科醫(yī)療的實(shí)際需求,研究牙科SLM設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù),最終設(shè)計(jì)研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SLM設(shè)備。本文首先對(duì)牙科SLM應(yīng)用進(jìn)行調(diào)研,按照SLM從數(shù)字模型到激光掃描路徑規(guī)劃,再到最終掃描成型的過(guò)程,先后研究了CAD數(shù)據(jù)來(lái)源,數(shù)據(jù)分層算法,激光與材料的作用過(guò)程,過(guò)程中氧氣含量控制,掃描振鏡的高精度快速校正,掃描圖形接口等關(guān)鍵問(wèn)題。其中,對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)分層算法的研究是形成激光選區(qū)掃描路徑的基礎(chǔ);對(duì)激光與材料作用過(guò)程的研究,是研究氧含量控制和掃描光路的前提;而掃描振鏡的高精度快速校正,是最終實(shí)現(xiàn)高精度激光掃描的重要條件。本文根據(jù)對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題的研究結(jié)果,形成SLM設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。并分別論述了激光傳輸系統(tǒng),粉床升降系統(tǒng),成型艙,鋪粉機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)方案與原理。最終形成設(shè)備的總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。加工范圍可達(dá)到250mm×250mm,成型高度可達(dá)200mm。并介紹了成型實(shí)驗(yàn),SLM牙科成型件的理化特性實(shí)驗(yàn)和生物相容性實(shí)驗(yàn)。在研究關(guān)鍵技術(shù)和研制設(shè)備的過(guò)程中,本文的主要研究成果為:1)對(duì)牙科金屬3D打印的應(yīng)用需求進(jìn)行了系統(tǒng)性研究,按需設(shè)計(jì)并研制完成可用于牙科的SLM設(shè)備。2)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于圖像識(shí)別的快速振鏡系統(tǒng)校正算法,解決了SLM系統(tǒng)中,振鏡工作幅面較大時(shí)的校正難題。3)研究了立體成型接口規(guī)范(stereo lithography interface specification,STL)文件的可視化程序設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種不需要建立拓?fù)潢P(guān)系的快速分層算法,及分區(qū)快速首尾連接算法。為驗(yàn)證本文算法方面的工作,設(shè)計(jì)研制了一款繪圖儀式光固化3D打印設(shè)備(stereo lithography plotter,SLP),有望成為一種新的3D打印實(shí)現(xiàn)方案。該方案使用繪圖儀式的同步帶掃描,而非使用振鏡電機(jī)掃描,大幅降低對(duì)激光光源的性能要求,從而降低固化成本。4)基于計(jì)算流體方法,建立成型艙模型,優(yōu)化氣流參數(shù)。設(shè)計(jì)研制了氣流密度均衡,氣流速度空間分布均勻的SLM成型艙�？煽焖俳档团搩�(nèi)氧氣含量,滿足SLM工藝需求。5)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套完整的,適用于牙科的SLM電控,機(jī)械,及軟件方案,采用了開(kāi)放式的圖形接口,可調(diào)聚焦光斑尺寸的SLM光路等,為后期實(shí)驗(yàn)研究提供了豐富的可能性。未來(lái)有望在該系統(tǒng)上開(kāi)展更多關(guān)于算法,控制和材料的相關(guān)研究。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP334.8

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