基于熔融沉积3d打印人体器官模型技术的研究

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1、基于熔融沉积3D打印人体器官模型技术的研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：刘定指导教师：郭建副教授专业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一六年五月ResearchonTechnologyof3DPrintingHumanOrgansModelBasedonFusedDepositionModelingAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByLiuDingSup

2、ervisedbyAssistantProf.GuoJianMajor:TheTheoryofMechanicalDesignCollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,China.May,2016重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要3D打印（3DPrinting）技术一经出现便引起了众多研究人员的关注。经过近三十年的快速发展，该技术在先进制造领域中扮演着重要角色。熔融沉积（FDM）成型工艺因成型设备简单、成型速度快、成本低等优点成为一种广泛应用的3D打印技术。人体器官透明硅胶实物模型能

3、够帮助医生研究手术方案，模拟手术过程，便于医患沟通和学生技能实训。人体器官透明硅胶模型由硅胶模具翻制而成。基于FDM3D打印人体器官模型是制造硅胶模具的关键步骤，其直接关系到透明硅胶模型的质量。基于FDM3D打印人体器官模型具有以下特点：①模型曲面复杂，逆向建模更易实现。②模型壁厚不均匀，厚壁实体中包围着薄壁实体部分。③原型件表面阶梯误差会复制到硅胶模具中，因此对原型件表面粗糙度有较高要求。④为方便观察器官模型内部结构，将模型分成多部分分别制造，为保证硅胶模具的质量，原型件的变形应尽可能小。本文以心血管模型制造为研究对象，对基于FDM3D打印人体器官模型的共性问

4、题进行了研究，为提高成型件的质量提供了重要参考。考虑到人体器官模型曲面的复杂性，本文提出了基于三维激光扫描技术和逆向工程技术重建三维CAD模型的方法，并进行模型STL格式转化及切片处理；基于FDM工艺桌面级打印设备进行模型制造，对原型件存在的质量缺陷进行了分析。针对原型件表面台阶误差的问题，重点分析了分层厚度和成型方向对原型件表面粗糙度的影响，并分别通过实验对影响因素进行研究，实验结果显示通过减小分层厚度和设置合理的成型方向均能有效减小表面粗糙度值；分析了影响原型件薄壁实体成型的主要因素，通过安排正交试验对各因素的显著性进行了考察，并优化了工艺参数配置，收到了良

5、好效果。FDM工艺原型件会因为成型材料的收缩变形而影响制造精度。本文分析了材料变温收缩的机理，建立了材料收缩变形的热载荷与机械载荷之间的力学模型，并提出基于有限元单元生死法对模型变形趋势进行模拟的方法；根据理论分析结果，从成型材料和成型工艺方面提出了改善原型件收缩变形的措施，改善制造后的模型在收缩变形方面得到了良好的效果。关键词：3D打印技术，熔融沉积，表面粗糙度，正交试验，变温收缩I重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACT3DPrintingtechnologyhasarousedtheattentionofmanyresearcherssinceitap

6、peared.Afternearly30yearsofrapiddevelopment,thetechnologyplaysanimportantroleinthefieldofadvancedmanufacturing.Fuseddepositionmoldingprocess(FDM)becomesakindofwidelyused3Dprintingtechnologyforsimplemoldingequipment,fastspeedandlowcost.Transparentsiliconemodelsoforganscanhelpdoctorsto

7、studyoperationscheme,simulateoperationprocedure,facilitatedoctor-patientcommunicationandstudents'skilltraining.Transparentsiliconemodelofhumanorganscanbereproducedfromasiliconecast.3DprinthumanorgansmodelbasedonFDMisthekeystepintheprocessofmanufacturingsiliconemoldsoitisdirectlyrelat

8、edtothequali