一种高分子复合生物材料3D打印优化控制系统的制作方法

本发明涉及3d打印优化控制，尤其涉及一种高分子复合生物材料3d打印优化控制系统。

背景技术：

1、3d打印优化控制技术领域专注于提升3d打印过程中的效率、准度和材料性能。通过对打印过程中的各种参数进行控制，包括打印速度、温度、材料流动性及层间粘合力等，能够确保最终打印产品的结构完整性和功能性。包括在使用高分子复合生物材料时，参数的优化至关重要，因为材料通常具有特定的生物相容性和力学性能要求，适用于生物医药、组织工程等领域。

2、其中，高分子复合生物材料3d打印优化控制系统是一套专为高分子复合生物材料设计的3d打印过程控制和优化技术。其主要目的是通过精确控制3d打印过程中的各种参数，如温度、压力、打印速度等，来保证高分子复合生物材料在打印过程中能够达到预期的物理和化学性能，进而实现高质量、高性能的打印产品。旨在实现对复杂生物材料打印过程的细致调控，以满足特定应用需求，如提高生物相容性、力学性能和几何精度，从而扩大3d打印技术在生物医学和其他高技术领域的应用范围。

3、传统3d打印技术缺少针对打印过程微观变化的响应机制，尤其在处理高分子复合生物材料时，难以实现对特殊性能要求的满足。这种局限性在于固定参数设置无法适应复杂模型的需求，导致材料性能无法充分发挥，影响产品的应用价值。缺乏准确控制意味着增加了材料浪费和生产成本。未能优化的打印路径和参数设置也影响了打印效率，增加了生产时间，制约了3d打印技术的应用。

技术实现思路

1、本技术通过提供了一种高分子复合生物材料3d打印优化控制系统，解决了传统3d打印技术缺少针对打印过程微观变化的响应机制，尤其在处理高分子复合生物材料时，难以实现对特殊性能要求的满足。这种局限性在于固定参数设置无法适应复杂模型的需求，导致材料性能无法充分发挥，影响产品的应用价值。缺乏准确控制意味着增加了材料浪费和生产成本。未能优化的打印路径和参数设置也影响了打印效率，增加了生产时间，制约了3d打印技术的应用的问题。

2、鉴于上述问题，本技术提供了一种高分子复合生物材料3d打印优化控制系统，其中，所述系统包括模型处理模块、多尺度模拟模块、路径规划模块、层解析度调整模块、打印参数优化模块、实时监控模块、质量评估模块、后处理模块；

3、所述模型处理模块基于输入的三维模型数据，对模型表面进行平滑处理，优化三维模型的表面粗糙度，填充模型中的孔洞并移除重叠表面，得到处理的模型数据；

4、所述多尺度模拟模块根据处理的模型数据，对材料的分子结构进行模拟，解析分子间的相互作用，并在宏观层面模拟材料的力学行为，对打印过程中的材料选择和路径规划进行指导，获取多层次模拟反馈信息；

5、所述路径规划模块基于多层次模拟反馈信息，进行打印路径设计，包括计算每层的最优路径，进行打印时间和材料消耗优化，并保持打印质量，得到优化的设计路径；

6、所述层解析度调整模块根据优化的设计路径，分析模型的几何特性和细节需求，动态调整打印过程中的层解析度，对细节关键区域增加解析度，对细节次要区域减少解析度，建立层解析度优化策略；

7、所述打印参数优化模块依据层解析度优化策略，对打印速度、挤出头温度和冷却速率进行调整，匹配差异区域的打印需求，并验证打印过程中的材料流动性和固化速度匹配模型要求，获得细化的打印参数配置；

8、所述实时监控模块基于细化的打印参数配置，收集挤出头的温度、打印速度和层间粘合的状态数据，对打印过程进行实时调整，应对潜在问题，包括温度异常或速度偏差，生成实时调整反馈信息；

9、所述质量评估模块利用实时调整反馈信息，对打印的产品进行质量评估，包括检测层间粘合质量、表面平滑度和尺寸准度，通过评估确定是否满足预定的质量标准，建立产品质量评估数据；

10、所述后处理模块根据产品质量评估数据，对打印产品进行后处理，包括去除支撑结构、进行表面打磨和处理，优化产品的外观和物理性能，获取处理的模型产品。

11、优选的，所述处理的模型数据包括平滑后的模型表面、填充后的模型内部结构、移除的重叠表面区域，所述多层次模拟反馈信息包括分子结构交互数据、材料力学行为数据、材料选择提议，所述优化的设计路径包括层间最优移动距离、优化的支撑结构布局、材料消耗最优措施，所述细化的打印参数配置包括调整后的打印速度、挤出头温度设定、冷却速率调整值，所述实时调整反馈信息包括温度调整数据、速度调整数据、层间粘合调整措施，所述产品质量评估数据包括层间粘合质量指标、表面平滑度评分、尺寸准确度测量值。

12、优选的，所述模型处理模块包括表面平滑子模块、孔洞填充子模块、重叠表面移除子模块；

13、所述表面平滑子模块基于输入的三维模型数据，对模型表面的不规则区域进行逐点分析，调整每个表面点的位置，进行表面粗糙度优化处理，获取平滑后的模型表面；

14、所述孔洞填充子模块基于平滑后的模型表面，识别模型中的孔洞区域，并定位孔洞边缘，通过生成与周围表面平滑连接的填充几何体，进行孔洞封闭，得到孔洞填充后的模型；

15、所述重叠表面移除子模块基于孔洞填充后的模型，识别模型中的重叠表面，并通过比较重叠区域的位置信息，保留符合要求的表面，并将重叠表面删除，获得处理的模型数据。

16、优选的，所述多尺度模拟模块包括分子结构模拟子模块、分子相互作用解析子模块、宏观力学模拟子模块；

17、所述分子结构模拟子模块利用处理的模型数据，模拟材料的分子结构，分析其在模拟环境下的稳定性和排列方式，通过调整分子间距离参数，模拟差异条件下的分子结构变化，生成模拟的分子结构数据；

18、所述分子相互作用解析子模块基于模拟的分子结构数据，分析差异分子之间的相互作用力，包括静电力和范德华力，通过模拟差异环境因素下的分子相互作用，得到分子作用分析数据；

19、所述宏观力学模拟子模块根据分子作用分析数据，在宏观层面上模拟材料的力学行为，包括弹性、塑性和断裂行为，通过调整宏观力学参数，预测材料在打印过程中的表现，获得多层次模拟反馈信息。

20、优选的，所述路径规划模块包括层间策略子模块、路径细化子模块、效率评估子模块；

21、所述层间策略子模块基于多层次模拟反馈信息，采用切片算法，对每层的几何形状和材料分布进行评估，识别关键区域，增加打印精细度，对非关键区域采取简化路径，平衡打印准度与速度，生成层间策略优化数据；

22、所述路径细化子模块基于层间策略优化数据，使用a星算法，对每层的打印路径进行细化处理，调整路径走向规避材料浪费，保持关键区域的打印质量，并优化打印时间，获取细化后的打印路径；

23、所述效率评估子模块基于细化后的打印路径，应用多目标优化算法，评估路径设计对打印效率和材料消耗的影响，若路径优化可得到最优效率或减少材料使用，则进行路径调整，并确认满足效率和质量要求的打印路径，得到优化的设计路径。

24、优选的，所述层解析度调整模块包括细节识别子模块、解析度调整子模块、策略确认子模块；

25、所述细节识别子模块基于优化的设计路径，分析模型层的几何特性和细节需求，识别需要高解析度打印的关键区域和可降低解析度的非关键区域，得到细节区域识别结果；

26、所述解析度调整子模块基于细节区域识别结果，为关键细节区域设置高的层解析度，优化打印质量，对非关键区域降低解析度，优化打印速度和降低材料消耗，获取调整后的层解析度设置；

27、所述策略确认子模块基于调整后的层解析度设置，评估打印过程的效率和打印质量，确认解析度调整策略是否满足模型的质量要求，若满足，则确定调整策略，得到层解析度优化策略。

28、优选的，所述打印参数优化模块包括参数分析子模块、参数调整子模块、层验证与确认子模块；

29、所述参数分析子模块基于层解析度优化策略，分析模型区域对挤出头温度、打印速度和冷却速率的需求，根据区域的细节密集度和大小，使用自适应网格法确定关键区域和非关键区域，得到参数分析记录；

30、所述参数调整子模块根据参数分析记录，采用路径规划算法优化打印路径，若关键区域的材料流动性不足，则增加挤出头温度，若非关键区域的材料消耗过高，则降低打印速度，并调整冷却速率以匹配固化速度，获取调整后的打印参数；

31、所述层验证与确认子模块基于调整后的打印参数，进行打印过程模拟，验证材料流动性和固化速度是否满足模型要求，若满足，则确认参数设置，否则回到所述参数调整子模块进行再调整，得到细化的打印参数配置；

32、所述层验证与确认子模块的执行式为：

33、式一；

34、其中，为调整后的reynolds数，为调整后的材料密度，为优化后的材料流动速度，为有效特征长度，为温度依赖的动态粘度；

35、固化，式二；

36、其中，固化，adj为调整后的固化速度，为有效固化深度，为优化后的固化时间。

37、优选的，所述实时监控模块包括数据采集子模块、问题诊断子模块、调整执行子模块；

38、所述数据采集子模块基于细化的打印参数配置，连续监测挤出头温度、打印速度和层间粘合状态，利用传感器收集关键性能指标数据，覆盖打印过程中的多个阶段，得到实时监控数据；

39、所述问题诊断子模块基于实时监控数据，分析温度波动、速度变化和层间粘合状态，识别偏离正常范围的参数，标定影响打印质量的问题区域，获取问题诊断结果；

40、所述调整执行子模块基于问题诊断结果，动态调整挤出头温度、打印速度和层间冷却策略，进行打印过程优化，减少异常影响，构建实时调整反馈信息。

41、优选的，所述质量评估模块包括质量检测子模块、标准对比子模块、结果汇总子模块；

42、所述质量检测子模块基于实时调整反馈信息，对层间粘合质量、表面平滑度、尺寸准度进行检查，评估打印产品的关键质量指标，生成初步质量检测信息；

43、所述标准对比子模块基于初步质量检测信息，与预设的质量标准进行对比分析，识别质量偏差，为过程改善提供依据，得到标准对比分析结果；

44、所述结果汇总子模块基于标准对比分析结果，汇总打印过程和产品的质量表现，评估是否达到或超过预设的质量标准，建立产品质量评估数据。

45、优选的，所述后处理模块包括支撑去除子模块、表面处理子模块、性能优化子模块；

46、所述支撑去除子模块根据产品质量评估数据，识别打印产品中的支撑结构，并根据识别结果去除打印产品的支撑结构，生成支撑去除后产品；

47、所述表面处理子模块基于支撑去除后产品，进行表面打磨和平滑处理，应用砂纸、抛光剂或化学溶剂改善产品表面粗糙度，获取表面处理完成产品；

48、所述性能优化子模块基于表面处理完成产品，进行物理或化学处理，包括热处理或涂层应用，优化产品的机械强度或物理性能，得到处理的模型产品。

49、本技术中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

50、本发明通过引入自适应网格法与路径规划算法，为3d打印过程带来改进。系统自动识别模型的关键与非关键区域，依据区域需求调整打印参数，确保材料在打印过程中达到预期性能，进一步提升打印产品的质量。特别针对高分子复合生物材料，该系统实现细致调控，满足生物相容性与力学性能标准。动态调整打印参数的能力，优化了打印效率与产品质量，扩展了3d打印在各种领域应用范围。

51、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。