毕业设计开题报告光固化医用3D打印设备原型机设计与试制.doc

本科毕业论文（设计）开题报告题 目 光固化医用3D打印设备原型机设计与试制 学 院 制造科学与工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 冯金丽 学 号 1143021352 年级 2011级 指导教师 方辉 教务处制表二四 年 4 月 1 日选题意义3D 打印（3D printing，又称三维打印）是近几年来发展迅猛的快速成形技术中的一种，受到了社会范围内的广泛关注。目前，人类已经利用3D打印技术成功研制出多种产品。3D打印依托多个学科领域的尖端技术，在航天，政府，医疗设备，高科技，教育业，制造业，汽车摩托车，家电等领域得到了一定应用，有人将之誉为“第三次工业革命”，会给我们未来的生活和工业带来巨大的变革与改善，它与生物技术结合，可以进行仿真打印与个性化定制。特别是在制造有生命的人体组织、骨骼、血管、器官和皮肤等，成为支撑生命科学材料与生物医疗产业颠覆性变革的关键技术。3D打印技术一是可以用于医学教学、病例讨论，用3D打印技术短时间内打印出立体逼真的教学模具和学习工具，不必再为紧张的解剖资源和有限的器官数量担忧；二是3D打印医疗器材，比如精确打印人体假肢，根据每个人不同的需要和特殊情况，个性制定适合自己，使用方便的假肢；三是3D打印组织功能产品，如人体的下颌骨、器官支架、颅骨，有些在临床中已经得到应用，其中的一部分还是可降解材料，也有不可降解的部分，大多数发挥的是一个支架的作用。四方是3D打印活体组织和器官，应用3D打印技术能够打印出具有生命的组织器官，这对于器官移植等医学难题具有重大意义。光固化3D打印技术的原理主要是：液态光敏材料在特定光谱的照射下能够快速固化成形，利用这个特点，光固化3D打印机将光敏材料按照预先设计的造型结构分层打印出来，产生物体的剖面层，同时用激光照射使之快速固化，将每一个剖面层堆积并且黏合在一起，组成想要的成品，得到我们所需要的化学和物理性能。它的主要特点是高精度，成型速度较快，具有高度柔性，表面质量好，复杂程度高，可以做精细零件。 目前常用于SLA 技术制备生物组织的光敏材料包括聚富马酸二羟丙酯( PPF) 、聚( -己内酯) ( PCL) 、聚碳酸酯，以及蛋白质、多糖等天然高分子，为了降低液态树脂原料的黏度，使之具有较好的流动性和平滑度，打印过程中还需要加入小分子的溶剂或稀释剂，常用的如富马酸二乙酯( DEF) 和N-乙烯基吡咯烷酮( NVP) ，以及不参与聚合反应的乳酸乙酯，利用这些光敏材料打印出来的组织支架具有可调控的孔尺寸、孔隙率、贯通性和孔分布等特点，而研究表明，支架的几何形态( 如孔径)对于材料的细胞黏附性有非常明显的影响，支架材料的物理参数( 如力学硬度、孔径、通道形状等) 能对细胞的信号表达和分化产生显著影响.本课题内所研究的用于光固化打印出的是具有高精度，高度的生物相容性，以及能提高表面或内部细胞的存活率等特点的成品。光固化打印机大致有三种类型：SLA，立体平版印刷技术；PolyJet聚合物喷射技术；DLP激光成型技术，DigitalLightProcessing其中SLA成型法是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高，加工速度快，产品生产周期短，使CAD数字模型直观化，错误修复的成本低。国内外研究现状概述1993年,美国麻省理工学院发明了基于喷墨打印原理的三维打印自由成形和三维打印机(3D Printer)，发展到今天，3D打印技术已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。国际上较先进的产品甚至可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。美国Solidscape公司打印的单层最小层厚可以达到6.3m，表面精度为0.81m，分辨率达到5000*5000*8000dpi。Solidscape还是全球仅有的几款喷蜡3D打印机之一，国内之前尚无该款技术的产品。目前，广为人知的3D打印应用，大多属于FDM技术(Fused Deposition Modeling)，其实，光固化技术比FDM技术的出现还要早许多。在1980年代，总部位于美国南卡罗来纳州的3D Systems公司，就曾经采用光固化式的3D打印技术，并且是该公司的基础技术，3Dsystems公司至今仍是3 D打印界的龙头之一，地位无人能及该公司制定的“stl”模型文件格式，一直被现今3D打印界广泛使用。起初，3D打印技术的原理是打印出一个二维剖面层，使它们堆叠起来，形成实体，但由于打印的厚度不均匀，导致剖面层之间粘合度不高，3D Systems公司利用肥皂泡有规律的扩张，能够形成薄而均一的肥皂溶层，这恰好就是3D打印所需要的均匀且薄的工作层。但在这个加工过程中发现这个方法所需要的过程十分冗长，加工的速度也难以提升，没有竞争力和实用价值，最后3D Systems公司在机器上增加了“刮刀”(Blade)，它的作用就是把每一层剖面上的光敏树脂涂层在能量光源使用前刮得平整均匀，以此增加生产速度。SLA技术成形速度较快，精度较高，可以做到微米级别，比如0.025mm，无需切削工具与模具。可以加工结构外形复杂或使用传统手段、手工加工难于成型的精细组织器官、组织支架等，为医学实验提供试制与样品，可以直观地高效地对计算机仿真计算的结果进行验证与校核。3D打印机与电脑连通，可联机操作，实现远程控制，将来还可以实现生产的自动化，节约人工与时间成本。但不得不提的是SLA系统造价高昂，使用和维护成本相对较高，对液体进行操作的精密设备对工作环境要求苛刻。软件系统操作复杂，对操作人员的专业性要求高。成型件多为树脂类，强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存。所以，光固化打印的材料是关键，光固化技术的推广与发展需要性能更佳的材料，加强各剖面层间的结合力、抗变型、耐温、强度等都是光固化3D打印目前需要研究的方向。主要研究内容本次课题“光固化医用3D打印原型机设计与试制”的工作内容包括：（1） 从网上查阅国内外相关文献，翻译国外文献；（2） 了解关于光固化医用3D打印技术方面的资料，了解3D打印技术的历史演变与国内外当代的发展；（3） 掌握目前世界上3D打印机分类和主要工作原理；（4） 学会3D打印机及其配套软件的操作和使用；（5） 根据课题中的具体技术要求进行相应的结构设计，绘制全套零件加工图，绘制全套部件及整机工程装配图；（6） 机构的数据运算，机构数据的参数校核；（7） 进行控制系统的设计和调试，完成原型机试制；（8） 撰写设计说明书；拟采用的研究思路（方法、技术路线、可行性论证等）参考现有的光固化3D打印机确定本次设计参数以及设计尺寸：CTCSLA光固化3D打印机的具体规格：成型技术：SLA 耗材：液态光敏树脂打印尺寸：12.512.516.5cm 最高精度：0.025mm打印尺寸：125125165mm 最高精度层厚：25微米文件格式：输入STL格式 机器尺寸302845cm选定光固化3D打印机的工作原理：光固化打印机大致分为三种类型：SLA，立体平版印刷技术；PolyJet聚合物喷射技术；DLP激光成型技术.而SLA技术成形最早，技术也最成熟，所以，本次课题选用的光固化3D打印机类型确定为SLA，立体平版印刷技术StereoLithographyAppearance，大致原理如下：确定光固化3D打印机初步三维结构设计：画出光固化3D打印机系统框架,输入设备、存储外设、上位机、温度传感器的测量值、温度控制回路、XYZ各方向电机控制、喷出量控制、显示设备,带动喷头在X、Y、Z三个方向上运动的三根轴的放置和固定，打印托盘的固定，打印机与计算机之间的接口设计，使得打印机可以由计算机软件控制。并考虑光固化3D打印机控制结构的细节，加工可行性，对模型不断进行修改完善，得到最终三维模型；XYZ三方向控制电机和传动方式的设计选用滚珠丝杆传动，Z方向采用丝杆和步进电机带动, 由步进电机固定的进给量算出所需的步进角, 用这种方式将三维打印先转化为每一平面内的二维打印, 再由Y 方向也为步进电机带动, 则每一平面内的二维打印又转化为很多条直线上的一维打印。研究工作安排及进度工作安排序 号设计（论文）各阶段内容起止日期1开题调研, 搜集相关资料，阅读并翻译外文文献，了解关于光固化医用3D打印技术方面的资料，掌握目前世界上3D打印机分类和主要工作原理；2月28日3月15日2熟悉3D打印机使用方法，绘制3D打印机结构设计草图，编写开题报告；3月16日4月2日3完成3D打印机三维结构初步绘制；4月3日4月16日4对绘制好的三维结构图进行测试与修改，完成部分零件加工图的绘制；4月164月30日5完成总装图，绘制全套部件及整机工程装配图；进行控制系统的设计、计算与调试，选择电机，计算确定打印速度等具体参数；5月1日5月15日6完成设计说明书编写，提交全部毕业设计资料，准备答辩，设计审阅、评阅、答辩；5月16日5月31日参考文献目录 1 刘海涛 光固化三维打印成形材料的研究与应用D 武汉: 华中科技大学，20092 陈新伟 三维喷绘机器人喷墨机理研究D 南京: 南开大学，20093Leong K F，Cheah C M，Chua C K Biomaterials，2 003，24: 2363 23784Yeong W Y，Chua C K，Leong K F Chanfrasekaran，Trends in Biotechnology，2 004，22: 643 6525Seol Y J，Jang，T Y，Cho D W Soft Matter，2012，8: 1730 17356 Melchels F P W，Feijen J，Grijpma D W Biomaterials，2010，31: 6121 61307Zein I，Hutmacher D W，Tan K C，Teoh S H Biomaterials，2 002，23: 1169 11858Gartner Inc，上海市科学学研究所新兴技术的炒作周期曲线R20119 古丽萍蓄势待发的3D 打印机及其发展J数码印刷，2011 ，（10 ）10 刘厚才，莫健华，刘海涛三维打印快速成形技术及其应用J机械科学与技术，2008，（9）11 陈步庆，林柳兰，陆