一种3D打印无托槽隐形矫治器的打印轨迹控制方法与流程

本发明涉及打印轨迹控制方法，具体的说涉及一种3d打印无托槽隐形矫治器的打印轨迹控制方法。

背景技术：

1、目前用于隐形矫治器的打印轨迹控制方法存在的不足包括个性化程度、打印效率、材料使用、质量控制以及成本效率等方面。虽然3d打印技术为制造个性化隐形矫治器提供了前所未有的可能性，但现有的打印轨迹控制方法仍然面临着一系列挑战和限制。首先，在个性化程度方面，虽然3d打印技术本质上支持高度个性化的矫治器生产，但现有的打印轨迹控制方法往往无法充分利用这一优势。打印轨迹的生成通常基于通用模型，而不是患者具体的口腔结构和矫正需求，这可能导致矫治器的适配度和矫正效果不尽人意。尽管通过调整打印参数可以在一定程度上解决这个问题，但这种方法往往缺乏系统性和科学性，难以保证最优的个性化效果。在打印效率方面，现有的控制方法往往未能充分考虑打印过程的动态性和复杂性。打印速度、路径和层间过渡的控制通常基于静态设置，忽视了打印过程中材料属性和机器性能的实时变化。这不仅降低了打印效率，还可能影响矫治器的质量。例如，忽视材料在不同温度下的流变性质可能导致打印缺陷，如气泡、层间分离等。材料使用方面，现有方法往往未能有效控制材料的精确沉积，导致材料浪费和成本上升。在没有精确控制打印轨迹的情况下，打印过程中可能出现过量挤出或不均匀分布，这不仅影响矫治器的结构和性能，还增加了不必要的材料消耗。质量控制是另一个重要问题。现有的打印轨迹控制方法往往缺乏有效的质量监控机制，难以保证矫治器的一致性和可靠性。由于3d打印是一个逐层构建的过程，轻微的参数偏差或打印错误都可能导致最终产品的质量问题。而在缺乏实时监测和反馈调整机制的情况下，这些问题往往难以及时发现和纠正。成本效率是现有打印轨迹控制方法面临的另一个挑战。虽然3d打印技术在理论上能够降低制造成本，提高生产效率，但现实中的应用往往由于技术和操作的复杂性导致成本居高不下。打印过程中的能耗、材料消耗、机器折旧以及维护成本都可能抵消3d打印带来的经济效益。此外，现有的打印轨迹控制方法往往未能充分优化打印参数，导致打印时间过长、效率低下，进一步增加了生产成本。

2、总之，尽管3d打印技术为隐形矫治器的制造提供了新的可能性，但现有的打印轨迹控制方法在个性化程度、打印效率、材料使用、质量控制以及成本效率等方面仍存在不足。为了克服这些限制，有必要开发更先进的打印轨迹控制技术，这些技术应该能够实现更高程度的个性化，优化打印过程，提高材料使用效率，保证矫治器的高质量，并降低生产成本。这不仅能够提升矫治器的治疗效果和患者满意度，还能够为牙科诊所和矫治器制造商带来更大的经济效益。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种3d打印无托槽隐形矫治器的打印轨迹控制方法，从而解决背景技术中所指出的部分弊端和不足。

2、本发明解决其上述的技术问题所采用以下的技术方案：首先采用基于牙齿移动预测模型的动态调整算法，实时调整打印轨迹以适应矫治器对力度和位置精度的变化需求，并通过层间过渡优化技术精确控制打印头的移动速度和加速度实现层与层之间的平滑过渡；

3、其次应用精确温控策略和实时流变性调整算法，管理打印过程中的热分布优化材料的流动性和固化时间，并根据监测数据动态调整打印参数以保证材料在复杂形状区域的优质打印；

4、最后利用人工智能技术自动生成最优的打印轨迹，结合矫治器的几何形状和功能要求实施双重优化策略，实现结构完整性及其在矫正牙齿时的力学性能。

5、进一步地，所述基于牙齿移动预测模型的动态调整算法包括：

6、s1.牙齿移动预测模型：利用机器学习算法，包括深度学习，根据大量的历史矫正案例数据训练牙齿移动预测模型；该模型基于患者当前的牙齿状态预测矫正过程中牙齿的移动轨迹和速度，从而提供个性化的矫治器设计参数；

7、s2.动态调整算法：结合牙齿移动预测模型的输出，开发动态调整算法；该算法实时调整3d打印过程中的打印轨迹，以适配矫治器在整个矫正周期内对力度和位置精度的具体需求；

8、s3.层间过渡优化技术：采用高级控制理论设计层间过渡优化算法，该算法根据打印材料的物理性质和打印头的响应特性，精确控制打印头的移动速度和加速度。

9、进一步地，所述的牙齿移动预测模型建立包括：

10、首先，收集大量口腔扫描数据和矫正治疗历史记录，并通过数据预处理确保数据的质量和一致性；在特征工程阶段，引入数学公式：

11、

12、其中fextract表示特征提取函数，d代表预处理后的数据集，g为数据到特征空间的映射函数，a和b为数据集的边界；

13、模型训练阶段使用深度学习网络，并采用自定义的损失函数：

14、

15、其中l为损失函数，θ为模型参数，yi和分别为实际和预测的牙齿移动轨迹，n为样本数量，λ为正则化系数，φ为参数的先验分布；

16、模型评估与优化通过交叉验证技术进行，最终，利用训练好的模型，根据患者当前的牙齿状态，使用动态适应设计公式：

17、

18、其中pdesign为矫治器设计参数，t为治疗时间，m为预测的牙齿移动轨迹，δ和γ为调整系数，为每位患者定制个性化的矫治器设计参数。

19、进一步地，所述的结合牙齿移动预测模型的输出开发动态调整算法：

20、通过建立实时反馈机制，将3d打印过程中收集到的数据与牙齿移动预测模型的输出相结合，利用算法：

21、vnew(t)＝vold×(1+∈(t))

22、

23、其中vnew(t)和pnew(t)分别为调整后的打印速度和路径，vold和pold为原始设定值，∈(t)为基于时间的速度调整函数，σ(s)为路径调整密度函数，t为打印时间，实现打印参数的动态调整。

24、进一步地，所述的层间过渡优化技术：通过动态调整打印头的移动速度和加速度以实现3d打印过程中层与层之间的平滑过渡；该算法利用模型预测控制或自适应控制理论，结合打印材料的熔点、粘度物理性质及打印头加热速率、移动惯性响应特性，通过自定义数学模型和公式精确控制打印过程；

25、定义打印头速度调整：

26、

27、其中，v(t)：在时间t的打印头移动速度；v0：打印头的初始速度，即在没有进行任何调整前的基线速度；κ：速度调整系数，决定了速度调整的敏感度和幅度；这是指数函数，用于根据当前温度t与目标温度topt的差异来调整打印速度；tvar表示温度的变异度，用于控制温度偏离目标值时速度调整的快慢；t：当前温度；topt：目标温度，即理想的打印温度；tvar：温度变异度，调节温度偏差对速度调整影响的参数；

28、定义打印头加速度调整：

29、

30、其中，a(t)：在时间t的打印头加速度；a0：打印头的初始加速度，即在没有进行任何调整前的基线加速度；λ：加速度调整系数，决定了加速度调整的敏感度和幅度；这是自然对数函数，用于根据当前材料流动性η与目标流动性ηopt的差异来调整打印头的加速度；ηvar表示流动性的变异度，用于控制流动性偏离目标值时加速度调整的快慢；η：当前材料流动性；ηopt：目标材料流动性，即理想的材料流动性水平；ηvar：流动性变异度，调节流动性偏差对加速度调整影响的参数。

31、进一步地，所述的精确温控策略和实时流变性调整算法包括：

32、通过实时监测打印区域温度采用温度控制模型：

33、tadj(t)＝ttarget+δ(tobs(t)-ttarget)

34、调节加热元件输出，其中，

35、tadj(t)：在时间t调整后的目标温度，即温度控制系统希望达到的温度；

36、ttarget：预设的目标温度，是根据材料性质和打印需求设定的理想温度；

37、tobs(t)：在时间t观测到的实时温度，表示当前打印区域的实际温度；

38、δ：调整系数，用于调节温度调整的敏感度和速度；该系数决定了温度调整的幅度，以便将实际温度调整到目标温度附近；

39、然后采用流变性调整算法：

40、

41、其中，vnew(t)：调整后包括挤出速度或打印头移动速度的打印参数；vold：调整前的原始打印参数；ηobs(t)：在时间t观测到的实时材料流变性，表示材料当前的流动性能；ηideal：理想的材料流变性，是根据打印需求和材料性质设定的最佳流动性能；α：调整系数，用于调节打印参数调整的敏感度和速度。

42、进一步地，所述的利用人工智能技术自动生成最优的打印轨迹包括使用卷积神经网络cnn和生成对抗网络gan，根据训练数据集：

43、

44、其中，d：训练数据集，由一系列的xi和yi对组成，其中n是数据点的总数；xi：矫治器设计参数，包括几何形状参数、材料类型；yi：对应的成功打印案例的输出，包括打印轨迹、力学性能指标；训练模型以最小化打印轨迹的力学性能偏差和材料使用效率；

45、采用损失函数：

46、

47、其中，l：损失函数，用于评估模型预测的准确性和成本效率；

48、ω1和ω2：权重系数，分别代表模型预测准确性和成本效率在优化过程中的相对重要性；yi,实际：实际的打印结果；yi,预测：模型预测的打印结果；c(xi)：材料成本函数，衡量给定设计参数xi下的材料使用成本；

49、同时，应用pareto优化处理结构完整性和力学性能的多目标优化问题，形成优化方程：

50、

51、其中，f1(x)：结构完整性评价函数，用于衡量给定设计参数下矫治器的结构完整性；f2(x)：力学性能评价函数，用于衡量矫治器在给定设计参数下的力学性能。

52、本发明有益效果，显著提升了矫治器的生产效率和治疗效果，具体包括：

53、1.个性化治疗方案的提升：通过利用牙齿移动预测模型和动态调整算法，本发明能够为每位患者定制出最适合其牙齿状况的矫治器。这种个性化的打印轨迹控制方法确保了矫治器能够更精确地适应患者的口腔结构，提供更有效的牙齿矫正治疗。

54、2.提高打印质量和矫治器性能：采用层间过渡优化技术和精确温控策略，能够在打印过程中实现层与层之间的平滑过渡，优化材料的流动性和固化时间。这不仅提高了矫治器的打印质量，还增强了其结构完整性和力学性能，使矫治器在实际使用中更加稳定耐用。

55、3.成本效率的提升：本发明中的损失函数考虑了打印轨迹的力学性能偏差和材料使用效率，通过优化这些参数，能够有效降低材料浪费，提高生产过程的成本效率。这意味着在保持高质量标准的同时，还能控制生产成本，使得矫治器更加经济实惠。

56、4.生产效率的优化：利用人工智能技术，如卷积神经网络(cnn)和生成对抗网络(gan)，自动生成最优的打印轨迹，显著减少了人工干预的需要，加速了设计到生产的整个流程。这种自动化的流程不仅提高了生产效率，还缩短了矫治器的交付时间。

57、5.优化患者体验：通过精确控制打印过程和优化矫治器的设计，本发明的矫治器在提供有效矫正治疗的同时，还能为患者带来更舒适的佩戴体验。减少了矫正过程中可能出现的不适感，提高了患者对治疗的满意度和依从性。