快速成型技术开题报告

南 京 航 空 航 天 大 学 开 题 报 告

切削/叠层混合快速成型工艺规划与仿真

姓 名 学 号 学 院 机电学院 专 业 机械工程及自动化 指导教师 职 称

2012年02月22日 一、课题依据与背景 1.1 快速成型技术简介 快速成型技术（Rapid Prototyping）是一种借助于计算机辅助设计（Computer Aided Design），或用实体反求的方法采集到有关原型或零件的几何形状、结构和材料的组合信息，从而获得目标原型的概念并以此建立数字化描述模型，之后将这些信息输出到计算机控制的机电集成制造系统，通过逐点、逐面的进行材料“三维堆砌”成型，再经过必要的处理，使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求，达到快速、准确地制造原型或实际零件、部件的现代化方法。 快速成型技术在上世纪80年代后期源于美国，是近二十年来世界制造技术领域的一次重大突破。RP技术是机械工程、CAD、NC技术及材料科学等学科的集成，以极高的柔性给制造业予全新的概念。目前RP技术已成为各国制造科学研究的前沿学科和研究焦点。[1-3] Rapid prototyping technology has the following characteristics and advantages[4]: 1. Benefits designers Application of rapid prototyping technology， designers in the initial stages of design can get a real product samples， and can be the final product toward the different stages of the market to quickly modify， redo the sample， or even make a mold of trial of labor and a small amount of product， test， judge relevant， downstream problems for designers to create an excellent environment. Without repeatedly thinking and modify， he can get optimal results as soon as possible. Therefore， the rapid prototyping technology is truly a powerful tool for concurrent design. 2. Benefits manufacturers In the initial stages of design， manufacturers can advice on design of the product as early as possible， and do a good job of raw materials， standard parts， subcontractor， processing and such as mass production and employment mold preparation， thereby reducing errors and rework， saving time， reducing costs and improving product quality through to the real product samples， and even trial employment mold and a small amount of products. Therefore， rapid prototyping can be achieved based on concurrent engineering production preparation. 3. Benefits Sellers In the initial stages of design Sellers can showcase their comments as soon as possible and really by means of the product samples， even a small amount of product， in order to accurately predict market demand. Therefore， the application of rapid prototyping technology can significantly reduce the risk and cost of sales of new products， greatly reducing time to market and improve competitiveness. 4. Benefits Users In the initial stages of design， users can see the product sample， or even a small amount of product， which allows them to early and profound understanding of products， conduct the necessary tests， and advice. Therefore， rapid prototyping technology can offer users products which meet the requirements most in the shortest possible time and the most reasonable price.

1.2课题研究意义 随着社会文明进步、经济发展和生活水平日益提高，人类对自身的医疗康复事业格外重视。然而人类的疾病、事故和局部战争导致大量人体创伤，其中人体骨骼的损伤使许多人成为残疾而失去基本生活能力，给病人及其家庭和社会都带来了极大的影响.随着制造业自动化程度的提高，高速交通工具的出现使人体骨骼创伤的发生率大幅度上升，而且多是复合多发性的，这就向医学提出了更高的要求.如何帮助患者修复缺损或缺失的硬组织，更好地恢复人体硬组织功能是医学界一直在探索的问题[5-8]。 快速成型技术是近年来倍受学术界和制造业关注的一种先进成型制造技术。同时，RP技术与医学CT技术的结合也给医学界带来了巨大的影响。功能性外科与功能性整复是目前国内外十分关注的课题和研究热点，通过对医学CT图像的三维重建将患者的病患组织重建成三维模型，进而利用RP技术加工制造患者的病患组织模型，以满足医学上不同的需要。目前，医学图像三维重建技术是快速成型技术在医学中应用领域的一个研究重点，在医学诊断、手术规划及模拟仿真、整形及假肢外科、放射治疗规划、解剖教学等方面都有重要应用。因此，对医学图像三维重建技术的研究，具有重要的学术意义和应用价值。 本课题就是适应了这一发展潮流，综合应用医学影像技术、计算机辅助设计技术、计算机辅助制造技术、数字控制技术、逆向工程技术和快速成型技术等领域的成果，以个体化人工骨成型模具设计为例，对于快速成型技术在临床医学应用中的一些关键技术问题提出了初步的解决方法。

1.3国内外研究现状 快速成型技术在生物医学领域的应用是十分引人瞩目的，许多学者对此非常感兴趣。当前RP技术已介入到有关生物制造的前沿领域，很多研究已达到非常深入的地步。RP技术在医学方面的应用研究从组织工程材料上讲可分为三个阶段：初级体外模型(用于外科手术计划)、中级植入体、高级人体器官(生物工程)。因此其应用主要有以下几个方面[9]： 1. 外科手术计划 外科手术是一项精确的具有严格时间控制的操作过程，复杂、重大的手术如能根据一个三维物理模型事先进行手术规划，对保证手术成功极为重要。快速成型的模型可满足这种要求，使医生在策划骨段置换方案时，有完善的整体看法，并且能事先准确地计量所有的置换。术前的这种演习将显著增强医生的信心，减少操练时间。 2. 可植入假体 由于疾病、衰老、事故和战争等导致的器官缺损却常见于媒体和临床病例中。解决这一问题常用的方法是对缺损器官进行人工替代。利用RP技术就可以快速地制造出需替代的器官，为手术的顺利进行做好准备。在康复工程上，采用RP技术制造人体假肢具有最快的成形速度，假肢和肌体的结合部位能够做到最大程度的吻合，减轻了假肢使用者的痛苦。 3. 生物工程 生物工程在21世纪将成为继信息产业后最重要的科学研究和经济增长热点，其中生命体的人工合成和人体器官的人工替代成为了目前全球瞩目的科学前沿。而生命体中的细胞载体框架结构是一种特殊的结构，从制造科学的角度来讲，它是由纳米级材料构成的极其精细的复杂非均质多孔结构，是传统制造技术无法完成的结构，但快速成型制造(RPM)是能很好完成此种特殊制造的技术。在快速成型技术在生物医学工程发面的应用中，国外做了很多研究。其主要研究项目之一是PHIDIAS计划。该计划由设在比利时乐文天主教大学(Catholic University of Leuven)科技园内的快速成型服务局的Materialise主持。目前正在开发CT、磁共振技术——快速成型接口软件，以及从事医学应用的快速成型的制作。英国的Zeneca公司为该项目开发新的光敏树脂材料，许多诊所、医院和大学医疗研究部门参加了该项目的研究。该计划的研究内容主要包括： （1）CT扫描数据插补软件的开发； （2）生成制作光敏树脂选择性固化模型所需要的文件； （3）变色光敏树脂的开发，以便在模型中标识患者特征和标明感兴趣区域； （4）对CT造影与快速成型的效果进行定量比较，建立测评快速原型有效性的数据库； 欧洲国家定期就快速原型医学应用举办研讨会，如两年一次的国际快速原型医学应用研讨会和每年一次的PHIDIAS光敏树脂选择性固化模型制作研讨会。澳大利亚昆士兰州(Queensland)解剖学院利用光固化RP技术制造出患者的解剖模型，用于外科手术规划。美国科罗拉多州戈尔登(Golden)医学造型公司专门制造精细的SLA模型用于辅助复杂的外科重建手术。美国乔治亚州也有类似的医学公司为内科医生和医学设备制造商提供SLA模型[10]。 在国内，许多大学和公司在快速成型在医学上的应用也做了大量的研究。清华大学采用喷射方法，将生物材料低温环境中堆积成型，制成多孔大段人工骨的细胞载体框架，并进行了动物实验，结果表面框架能有效的降解[11-12]。西安交通大学与第四军医大学合作，研制利用快速成型系统制造人工活性骨，这种使用活性材料制造的骨骼模拟生物骨微空洞结构，可以植入人体并与身体生长在一起，取代人体骨骼[13-15]。