牙科激光选区熔化3D打印设备关键技术研究

发布时间：2017-12-13 17:27

  本文关键词：牙科激光选区熔化3D打印设备关键技术研究

  更多相关文章： 3D打印 激光选取熔化 增材制造 快速成型 金属牙冠

【摘要】：3D打印被誉为第三次工业革命的代表及主要推动因素。3D打印是数字化制造的理想模式,其具备将3D数字模型直接打印成最终产品的能力。从设计到制造,中间过程大幅减少。传统制造工艺主要以减材制造为主,而3D打印采用增材制造的方式,有效减少材料浪费。3D打印具有快速制造,个性化制造,绿色制造的特点,在发达国家已经得到广泛应用,被应用于军事武器研发,航天精工,医疗器械等诸多高端领域,而在我国,3D打印技术发展仍处于初级阶段。2015年我国国务院正式印发《中国制造2025》,部署全面推进实施制造强国战略,3D打印被列为重点发展的新兴技术。3D打印个性化,快速化制造的特点,在医疗应用中倍受青睐。2015年,医疗(主要是牙科医疗)在3D打印的份额中占到了13.1%。其中主要以激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术制造的牙桥,义齿,种植体等为主。SLM金属3D打印技术,是3D打印在牙科医疗应用中,最重要方向。但其中产值最高的,如软件,设备,材料等大部分关键技术都被国外控制。其中SLM设备,是研究3D打印材料,工艺,软件的基础。国外厂商在销售SLM设备时,通常会捆绑软件,材料和工艺,从而进行技术封锁。本文的研究目的,是结合牙科医疗的实际需求,研究牙科SLM设备的关键技术,最终设计研制具有自主知识产权的SLM设备。本文首先对牙科SLM应用进行调研,按照SLM从数字模型到激光扫描路径规划,再到最终扫描成型的过程,先后研究了CAD数据来源,数据分层算法,激光与材料的作用过程,过程中氧气含量控制,扫描振镜的高精度快速校正,扫描图形接口等关键问题。其中,对数据来源及数据分层算法的研究是形成激光选区扫描路径的基础;对激光与材料作用过程的研究,是研究氧含量控制和扫描光路的前提;而扫描振镜的高精度快速校正,是最终实现高精度激光扫描的重要条件。本文根据对上述关键问题的研究结果,形成SLM设备的结构设计方案。并分别论述了激光传输系统,粉床升降系统,成型舱,铺粉机构等关键部件的设计方案与原理。最终形成设备的总体设计与实现方案。加工范围可达到250mm×250mm,成型高度可达200mm。并介绍了成型实验,SLM牙科成型件的理化特性实验和生物相容性实验。在研究关键技术和研制设备的过程中,本文的主要研究成果为:1)对牙科金属3D打印的应用需求进行了系统性研究,按需设计并研制完成可用于牙科的SLM设备。2)设计实现了一种基于图像识别的快速振镜系统校正算法,解决了SLM系统中,振镜工作幅面较大时的校正难题。3)研究了立体成型接口规范(stereo lithography interface specification,STL)文件的可视化程序设计,设计并实现了一种不需要建立拓扑关系的快速分层算法,及分区快速首尾连接算法。为验证本文算法方面的工作,设计研制了一款绘图仪式光固化3D打印设备(stereo lithography plotter,SLP),有望成为一种新的3D打印实现方案。该方案使用绘图仪式的同步带扫描,而非使用振镜电机扫描,大幅降低对激光光源的性能要求,从而降低固化成本。4)基于计算流体方法,建立成型舱模型,优化气流参数。设计研制了气流密度均衡,气流速度空间分布均匀的SLM成型舱。可快速降低舱内氧气含量,满足SLM工艺需求。5)设计并实现了一套完整的,适用于牙科的SLM电控,机械,及软件方案,采用了开放式的图形接口,可调聚焦光斑尺寸的SLM光路等,为后期实验研究提供了丰富的可能性。未来有望在该系统上开展更多关于算法,控制和材料的相关研究。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP334.8

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