基于投影式光固化的生物支架数字掩膜研究

发布时间：2020-06-30 07:19

【摘要】：组织工程生物支架作为再生医学最有前景的研究领域之一,是多学科、多领域的集成。采用快速成型技术制造组织工程支架可以实现支架结构设计与制备的集成。其中,基于数字微镜(Digital Micro-mirrors Device,简称DMD)的面曝光光固化技术,被认作最具潜力的生物支架制备技术之一。常规的基于STL文件的切片方法在处理生物支架模型数据时,往往效率低下,产生一定的精度损失,甚至出现求解失败的情况。另外,为平衡制造效率和制造精度之间的矛盾,国内外研究者提出了厚度自适应切片技术,但一方面针对生物支架模型的厚度自适应切片算法的研究工作尚未充分展开。另一方面,基于数字微镜(DMD)的面曝光快速成形系统数字掩膜生成方法也存在大量空白需要填补。针对上述缺陷或不足,本文主要开展了以下研究工作:(1)设计了一套针对生物支架三维模型的厚度自适应直接切片方法,并在Microsoft Visual Studio 2008开发环境下,基于MFC应用程序框架和SolidWorks2011 API函数库,实现了这套算法,并最终以插件的形式植入SolidWorks2011。采用相关的测试模型对算法进行评估和验证,证明该方法能够满足对生物支架三维模型进行切片生成数字掩膜的要求,所采用的厚度自适应准则参数比已报道的某些同类参数,更加有效,更具针对性。(2)设计了一套参数化的数字掩膜直接生成方法,该方法突破了常规基于三维模型切片法的局限性,可以在不建立完整的生物支架模型,不对模型进行切片的情况下,直接对数字掩膜进行参数化编辑,生成特定支架的数字掩膜集合。采用相关的测试模型对算法进行了评估和验证,证明该方法能够适用于基于DMD的生物支架面曝光快速成形系统。相比于常规方法,该数字掩膜直接生成法在处理本文采用的测试模型时效率提高约33%。(3)在Microsoft Visual Studio2012开发环境下,基于MFC应用程序框架,开发了面曝光快速成形实验平台的上位机软件,将前述的数字掩膜获取方法应用于制造实践,进一步验证了其实用价值。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318
【图文】：

生物支架,快速成形制造,典型研究,模型数据

1-1 两种生物支架的结构设计、模型数据处理、快速成形制造方法及其典型研究成于三维模型的切片技术研究进展统的快速成形领域，STL（stereo-lithography）文件接口标准已然成为通用递格式，它采用一定数量的小三角形面片逼近三维实体表面。其精度可控面片的数量越多，三维逼近精度越高，文件越大。一般的设计过程是，先进行造型设计建模，以特定的格式标准（如 STEP）存储所建立的三维模用数据处理算法对三维模型进行三角面片的逼近处理，选择特定的精度，TL 格式，国外文献中通常将三角面片化处理成为“Tessellation”，图 1-2件的三维可视化效果。最后，由切片算法对 STL 文件进行切片处理，获数据，转换成快速成形设备可识别的格式。文件简单通用，分为二进制和 ASCII 文本格式两种存储形式。ASCII 文本式具有极好的可阅读性，其结构如下：

三角面片,文件结构,和弦,几何拓扑信息

图 1-2 三维模型三角面片逼近和弦误差上述文件结构，不难发现，STL 文件的三角面片之间没有存储关联的几何角面片的存储顺序也是杂乱无章，需要依靠读取算法来判断和建立三角面拓扑关系[43, 44]。事实上，STL 文件本身具有很多的缺点和局限，即：（1）丢失带来的“孔洞”；（2）法向量反向，不满足右手定则；（3）截断误差”或“错位”；（4）精度不足，文件过于冗杂而庞大，等等。因此，在应用必须采用专门的算法对上述缺陷进行修复，相关修复算法已经得到充分得应用对象的几何复杂度比较低（如曲率变化平缓，没有跨尺度的几何特征能够满足快速成形的需要，这也是它成为快速成形工业领域文件接口标准，当把 STL 文件用于表达外部具有复杂自由曲面，内部具有三维孔系的生，往往不能满足要求，有以下 3 点原因：（1）将几何复杂度很高的 CAD STL 文件时，需要耗费相当的时间，并且会产生许多意想不到的错误[46] 1 的 STL 文件成功获得，修补其缺陷仍然是一个及其冗杂、耗时的过程，

【参考文献】