發(fā)布時間：2017-12-13 17:27

  本文關鍵詞：牙科激光選區(qū)熔化3D打印設備關鍵技術(shù)研究

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【摘要】：3D打印被譽為第三次工業(yè)革命的代表及主要推動因素。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。從設計到制造,中間過程大幅減少。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。3D打印具有快速制造,個性化制造,綠色制造的特點,在發(fā)達國家已經(jīng)得到廣泛應用,被應用于軍事武器研發(fā),航天精工,醫(yī)療器械等諸多高端領域,而在我國,3D打印技術(shù)發(fā)展仍處于初級階段。2015年我國國務院正式印發(fā)《中國制造2025》,部署全面推進實施制造強國戰(zhàn)略,3D打印被列為重點發(fā)展的新興技術(shù)。3D打印個性化,快速化制造的特點,在醫(yī)療應用中倍受青睞。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)療應用中,最重要方向。但其中產(chǎn)值最高的,如軟件,設備,材料等大部分關鍵技術(shù)都被國外控制。其中SLM設備,是研究3D打印材料,工藝,軟件的基礎。國外廠商在銷售SLM設備時,通常會捆綁軟件,材料和工藝,從而進行技術(shù)封鎖。本文的研究目的,是結(jié)合牙科醫(yī)療的實際需求,研究牙科SLM設備的關鍵技術(shù),最終設計研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SLM設備。本文首先對牙科SLM應用進行調(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程,先后研究了CAD數(shù)據(jù)來源,數(shù)據(jù)分層算法,激光與材料的作用過程,過程中氧氣含量控制,掃描振鏡的高精度快速校正,掃描圖形接口等關鍵問題。其中,對數(shù)據(jù)來源及數(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;對激光與材料作用過程的研究,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,是最終實現(xiàn)高精度激光掃描的重要條件。本文根據(jù)對上述關鍵問題的研究結(jié)果,形成SLM設備的結(jié)構(gòu)設計方案。并分別論述了激光傳輸系統(tǒng),粉床升降系統(tǒng),成型艙,鋪粉機構(gòu)等關鍵部件的設計方案與原理。最終形成設備的總體設計與實現(xiàn)方案。加工范圍可達到250mm×250mm,成型高度可達200mm。并介紹了成型實驗,SLM牙科成型件的理化特性實驗和生物相容性實驗。在研究關鍵技術(shù)和研制設備的過程中,本文的主要研究成果為:1)對牙科金屬3D打印的應用需求進行了系統(tǒng)性研究,按需設計并研制完成可用于牙科的SLM設備。2)設計實現(xiàn)了一種基于圖像識別的快速振鏡系統(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計,設計并實現(xiàn)了一種不需要建立拓撲關系的快速分層算法,及分區(qū)快速首尾連接算法。為驗證本文算法方面的工作,設計研制了一款繪圖儀式光固化3D打印設備(stereo lithography plotter,SLP),有望成為一種新的3D打印實現(xiàn)方案。該方案使用繪圖儀式的同步帶掃描,而非使用振鏡電機掃描,大幅降低對激光光源的性能要求,從而降低固化成本。4)基于計算流體方法,建立成型艙模型,優(yōu)化氣流參數(shù)。設計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)設計并實現(xiàn)了一套完整的,適用于牙科的SLM電控,機械,及軟件方案,采用了開放式的圖形接口,可調(diào)聚焦光斑尺寸的SLM光路等,為后期實驗研究提供了豐富的可能性。未來有望在該系統(tǒng)上開展更多關于算法,控制和材料的相關研究。
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP334.8

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本文編號：1285977