究背景和内容研究背景论文的主要研究内容本章小结第章熔融沉积成形技术在生物支架制备中的重要性熔融沉积基本工作状况成形精度影响分析模型设计及分层处理过程中的精度误差比较常用的扫描路径方式本章小结第章熔融沉积执行机构分析与改进实验喷头结构送料勺的分析及改进实验进料槽的改进实验喷头运动过程中的误差分析运动控制系统的运行分析万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文伺服电机的运行分析丝宽误差原因分析本章小结第章步进电机速度与线宽关系实验螺杆挤出喷头特性分析巴拉斯效应不同挤出电机工作频率下轮廓线宽的直径本章小结第章基于光电编码器的工作台反馈控制方案开环与闭环反馈控制系统硬件组成部分光电编码器的选择联轴器的选择单片机的选择软件设计部分程序流程图编译工具代码实现实验结果本章小结第章总结与展望总结展望致谢参考文献附录万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文第章绪论课题背景及意义我国是人口大国，每年有大量的存。高温熔融沉积则常用于人工植入物的制造，制造材料在常温下稳定，不降解，植入人体后不易受人体内复杂的环境影响，并且有良好的弹性和生物依附性。目前系统部分机型拥有双喷头，将目前材料与支撑材料分开，便于后期的支撑材料处理，般支撑材料采用具有水溶性的材料。图为双喷嘴成形机构模型图，个喷嘴挤出模型材料，个喷嘴挤出支撑材料可去除，主要用于支撑悬空部分的模型，依靠两者交替工作来完成加工。其中，很多机构能被替换，比如，根据材料的形状不同，可以用颗粒送料装置代替丝状送料装置，根据出料的响应速度，可以用螺杆出料代替气压式出料等等。图系统机构模型图但是，的缺点是精度相对其他快速成形而言不高，般精度在左右，而且，万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文主要是靠连续粘稠液体凝固而成，因此，在整个出料过程中存在着复杂的流体力学关系，易引起支架内外和层上下的交互边缘翘曲变形，表面和内部质量整体下滑。而模型边缘翘曲和制造过程中的热胀冷缩现象是最为重要的精度影响因素。材料受到空气湿度的影响，挤压在台面上时不会马上形成固体，而是会被喷头拉起不能与下层粘在起，最终导致支架坍塌失败。所以，对成形室的温度需要精确控制，温度上下浮动不应超过。但是，不同材料的温控范围受到材料自身属性的限制，各不相同。以本课题聚氨酯材料为例，般工作温度控制在左右，当温度低于时，材料未完成融化半液体状态，堆积在料仓内，出现送料螺杆无法正常转动，动力步进电机空转的情况，长久会烧坏电机当温度高于时，材料会完成液体化甚至焦炭化，如图所示，无法用于支架的制造。正常工作温度下的丝高温焦化状丝图不同温度下的丝材成形精度影响分析般加工模型的流程与其他加工工艺的过程别无太大差异，如图所示。模型设计处理化模型分层，处理成型机加工图过程图主要分为前期的软件处理和后期的硬件加工，也就是成型机目前的种改进之处对熔融沉积设备的调整和改进对目前熔融沉积设备的工艺系统，包括前期和后期，进行软万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文件系统和参数的优化。本章主要讨论前期软件处理中所出现的精度问题，成型机加工过程所出现的精度问题作为本论文的主要研究内容，在后面章中给出，并提出了种解决方案。模型设计及分层处理过程中的精度误差是种三维立体三角网格划分的文件格式，很多设计软件诸如等都有这种文件的输出转换格式，便于三维模型的后期制作和分析。图模型三角网格划分这种文件格式能将模型全部用三角网格离散化表示，图所示，是快速成形的标准原始文件。在表示模型表面时，采用了线段逼近曲线的方法，这是的优点之处，同时，也是缺点。优点在于，用线段逼近曲线，使得之后的分层会比较方便，截面单层的形状利用三角直线网格的平面投射来得到平面信息，并以坐标的形式保存在文件之中。既然是以线段的形式，则必然需要点的存在，无论如何去选择点，线段始终是短于其所对应的曲线，所以，在模型成型的那刻起，就开始产生了失真误差。如图椭圆截面所示，此时，椭圆截面弧以直线的形式保存在文件中，而用文件重新建模时，段是以直线而不是弧线的形式出现。整个三维模型也只能做近似的构建，导致表面的精度下降，用小三角形平面来近似于三维曲面，使整个模型表面存在曲面误差。并且文件数据量庞大，不易网络传输。图线段逼近曲线第二个误差点在于三角网格处理化后的分层过程。理论上，当分层越多时，最后熔融沉积形成的三维实物模型与刚开始的设计模型就会越接近，无穷多分层时，就会与初始模型完万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文全相同。但是，实际上，受到材料厚度的限制，并考虑到需要施加适当的力才能使材料粘在下层，而力的作用会使吐出的丝状材料加大变形力度图，使得厚度无法从理论上去控制，只能由实验得出合适的层高。所以，就会产生阶梯状的误差，当分层的单层高度越高时，这种误差就越明显。对于分层过程中，就目前的分层算法而言，加工误差是必然会存在的。图单层丝放大后在台面的受力情况当所有的公差都在原始工件轮廓以外时，公差称为正公差当工差在工件轮廓内部时，公差为负公差。如上图所示，分层处理后，在内的模型，上半层内具有负公差，下半层内零件外形轮廓第层第二层第层图文件切片后的截面图则会存在正公差，图所示。在处理完后，出来的是有形状偏差的“圆”。这种分层误差的存在，也是受到文件中三角网格化立体模型的影响。分层结束后的文件用格式保存，而格式也是采用线段逼近曲线方法，因此，在每层的切片截面上又会造成次误差。这种台阶误差是快速成形技术的主要误差来源之。因此，三角网格划分后，存在着纵向和横向的双重误差。模型的摆放位置也是十分重要。摆放位置不仅影响分割层数，还影响分层厚度，者则会带来尺寸上的误差。假设分层厚度为，整体成形方向的大小尺寸为，成形方向的总叠层误差于是为当是的整数倍当不是整数倍因此，纵向分层的层数并不是越多分层就会越精确，而是取决于总体高度尺寸是否为万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文设定分层厚度的整数倍。比较常用的扫描路径方式目前快速成形技术中比较常用的填充方式主要有直线式和偏置式填充种。直线式填充图，也称平行填充方式，算法相对而言比较简单，而且速度快，运用十分广泛。工作方式是在个方向上来回直线运动，可以在几层之后改变扫描方向，使之与上层的工作方向垂直，能让材料十字交叉形成网状，且与待做模型的轮廓无关，只需在每层做完后添加轮廓即可。直线式的不足之处在于，每层的起点固定，每做完层，需要将喷头从终点移回起点。在这个过程中，喷头残余半液态的材料会在截面上留下丝状痕迹，也是就是所谓的“拉丝”现象。因为是个连续过程，有时候甚至会将未完全凝固粘牢的材料重新拉起，导致模型局部坍塌或制作失败。而且表面存在的“拉丝”现象，会使下层的构造局部凸起，周而复始，加工完的模型表面就会显得不平整，些比较严重的，会引起模型变形。并且，直线式填充存在大量的直角路径，需要频繁的变向，对轴的动力电机要求比较高，在追求精度的时候，需要用动态性能较好的伺服电机来代替步进电机做驱动电机，个直角路径之间的过渡路径距离过于小，即使是加减速性能良好的伺服电机也未必能完全满足，消除精度误差。这部分将在第三章中结合实验数据进行详细分析。图直线扫描图偏置扫描图常用填充方式偏置式的填充图轨迹则与模型每层的轮廓有关，扫描的运动轨迹主要平行当前切片轮廓的边界，按照制件的轮廓由外向内或由内向外逐渐偏置移动扫描。偏置式算法比较复杂，涉及到多边形求交点的运算，和不同角度内偏置距离的算法，虽然整体精度比起直线式填充提高很多，但是加工时间也增加了不少。在每次做完圈后，喷头需要向内圈移动段距离。当在做不规则模型时，尤其像生物支架，制作的人体组织或者器官的形状，十分复杂，每做完圈向内偏移的角度都不同，偏置距离和方向都需要重新计算。如图所示，在层中既有直线又有横线，需要喷头分次来完成这些路径。通常情况下，喷头在做直线运动时的误差是最小的，因为此时的轴或者轴，或者和电机处于匀速状态，万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文图耳支架分层后的其中层路径能配合出料电机使得出料量定。而偏置式填充或者其他非直线式填充的运行方式需要轴电机不断的加减速，在改变方向的同时改变速度，容易出现喷头移动速度跟不上出料速度的情况，增加大了误差。本论文研究的生物成型机是清华大学与北京殷华公司研制的高温熔融沉积成型机Ⅱ，由加工材料的机型改造而来，因此，其中些参数和机械构造在制造生物材料时不太合适，容易引起制造过程不稳定的情况，精度误差跳跃范围较大，需要做进步的改进。本章小结本章对目前主要的熔融沉积技术的工作结构做了详细的介绍，通过对熔融沉积技术软件系统分析，主要是对模型三角网格划分模型分层等详细分析，说明了当前熔融沉积精度在软件系统中所受到的限制影响，造成模型上的精度丢失，模型只能逼近原型，而不能完全相同。并对主要的几种扫描路径方式进行了比较，各有优缺点，适用于各自造型领域。对工作台机械部分做了初步的分析。万方数据硕士学位论文题目颗粒式进料生物打印的线宽检测与控制研究研究生何自立专业精密仪器及机械指导教师史廷春教授完成日期年月万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文颗粒式进料生物打印的线宽检测与控制研究研究生何自立指导教师史廷春教授年月万方数据，万方数据杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。论文作者签名日期年月日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印缩印或其它复制手段保存论文。保密论文在解密后遵守此规定论文作者签名日期年月日指导教师签名日期年月日万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文摘要组织工程和生