一种骨科3D打印自适应控制系统的制作方法

本发明涉及骨科3d打印控制，尤其涉及一种骨科3d打印自适应控制系统。

背景技术：

1、骨科3d打印控制技术领域涉及运用先进的3d打印技术在骨科医学中的应用，主要集中于制造个性化的骨科植入物、支架或其他用于骨骼修复和重建的医疗设备。在该领域中，3d打印技术可以根据患者的具体需求和解剖结构定制骨科产品，大大提高医疗植入物的适配性和效能，可以精确控制打印过程，确保制品的质量和功能符合临床需求。

2、其中，骨科3d打印自适应控制系统是一个专为骨科3d打印设计的高级控制系统，旨在优化和自动化打印过程，目的是提高骨科植入物和支架等产品的制造质量和精度，同时考虑到患者个体的差异。通过实现自适应控制，在打印过程中实时调整参数，适应不同的打印条件和材料特性，从而达到更高的产品质量和更精确的医疗结果，对于应对复杂的骨科打印任务至关重要，尤其是在面对不同患者具有独特需求的情况下。

3、传统系统在层间温度调节方面存在不足，未能实现对层间温度的实时监控、冷却机制的动态调整和热传导效率的优化，未能有效调整声波频率、优化材料排列以及控制沉积精度，同时进行流变特性分析、动态调整打印参数以及保持材料稳定性。在喷嘴控制上，无法实现流量的精确控制、方向的动态调整以及喷嘴稳定性的提升。传统系统未能识别振动源并实施动态补偿机制，导致打印稳定性不足，同时物品的表面质量无法得以优化，导致传统系统在实际运作中无法充分发挥骨科3d打印的潜力，影响打印效果和效率。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种骨科3d打印自适应控制系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种骨科3d打印自适应控制系统包括温控调节模块、声波控制模块、材料流变调控模块、喷嘴控制模块、振动消减稳定模块、超声波后处理模块、整体协调优化模块；

3、所述温控调节模块基于层间最优温度维持需求，采用热传导模拟算法和流体动力学模型，分析材料的热响应特性和冷却介质的流动特性，进行实时反馈控制，对冷却风扇速度和冷却介质流量进行动态调整，生成层间温度调节策略；

4、所述声波控制模块基于控制材料沉积，采用声波调频算法和材料流动控制技术，通过调节声波的频率和振幅，控制材料的流动路径和沉积模式，优化材料的排列和固化过程，生成声波控制方案；

5、所述材料流变调控模块基于匹配差异材料流变特性的需求，采用流变性分析算法和动态调控模型，分析差异性材料在特定温度和压力下的流变行为，动态调整打印参数，适应流变行为，生成材料流变调控策略；

6、所述喷嘴控制模块基于提升打印精度的目标，采用微流体控制算法和喷嘴动态调节技术，对喷嘴内部的流体动力学进行模拟和控制，调节喷嘴流量和方向，优化材料的均匀和输出，生成喷嘴控制方案；

7、所述振动消减稳定模块基于消减打印过程中的振动，采用振动分析模型和动态补偿算法，分析打印机械部分产生的振动特性，实施自适应振动补偿措施，降低振动对打印过程的影响，生成振动消减方案；

8、所述超声波后处理模块基于提升打印物体表面处理质量，采用超声波优化算法和表面处理技术，通过调节超声波的频率和振幅，对打印物体表面进行处理，优化物体表面光滑度和结构密实度，生成超声波后处理优化方案；

9、所述强化材料配比模块基于最优材料性能实现目标，采用化学配比算法和材料效能评估模型，分析差异性材料成分的相互作用和性能影响，调配材料比例和成分，捕获材料特性的最优组合，生成材料配比强化方案；

10、所述整体协调优化模块基于层间温度调节策略、声波控制方案、材料流变调控策略、喷嘴控制方案、振动消减方案、超声波后处理优化方案、材料配比强化方案，采用系统工程优化方法和模块间协调策略，实施系统协调和优化措施，进行模块间的最优配合和整体性能提升，生成整体优化与协调策略。

11、作为本发明的进一步方案，所述层间温度调节策略包括层间温度实时监控、冷却机制动态调整、热传导效率优化，所述声波控制方案包括声波频率调整、材料排列优化、沉积精度控制，所述材料流变调控策略包括流变特性分析、打印参数动态调整、材料稳定性保持，所述喷嘴控制方案包括流量精确控制、方向动态调整、喷嘴稳定性提升，所述振动消减方案包括振动源识别、动态补偿机制实施、打印稳定性提升，所述超声波后处理优化方案包括超声波参数调整、表面粗糙度降低、结构密实度增强，所述材料配比强化方案包括化学成分调配、比例优化、材料性能提升，所述整体优化与协调策略包括模块间数据整合、性能优化、系统稳定性增强。

12、作为本发明的进一步方案，所述温控调节模块包括温度控制子模块、冷却效率优化子模块、热稳定性保持子模块；

13、所述温度控制子模块基于层间最优温度维持需求，采用热流场仿真算法，通过求解热传导方程模拟材料的热响应，分析差异层间的温度分布和传热特性，利用实时温度监测技术进行材料热状态的连续监控，进行材料热特性的动态评估，生成材料热特性评估数据；

14、所述冷却效率优化子模块基于材料热特性评估数据，采用流体动力学仿真算法，利用navier-stokes方程模拟冷却介质流动，分析风扇速度和冷却介质流量对材料层间温度影响，计算达到最优热交换效率的冷却参数，进行冷却过程优化，生成冷却参数优化方案；

15、所述热稳定性保持子模块基于冷却参数优化方案，采用pid控制算法，结合实时温度监测数据，动态调整冷却风扇速度和冷却介质流量，进行温度控制，确保每层材料在最优固化温度下进行打印，优化打印过程的热稳定性，生成层间温度调节策略。

16、作为本发明的进一步方案，所述声波控制模块包括声波生成与调整子模块、材料排列优化子模块、沉积控制子模块；

17、所述声波生成与调整子模块基于控制材料沉积，采用声波调频算法，结合声波物理学原理和声学模型，通过声波发生器生成特定频率和振幅的声波，对声波参数进行调节，控制声波的传播方向和强度，影响材料流动的初始状态和方向，生成声波特性调整数据；

18、所述材料排列优化子模块基于声波特性调整数据，运用声场操控算法，结合材料物理特性和声学原理，通过调整声波的波形和相位差，控制材料粒子在微观层面的排列和定位，优化材料在打印过程中的结构排列和固化效果，生成材料排列优化方案；

19、所述沉积控制子模块基于材料排列优化方案，应用沉积路径规划算法，计算材料沉积的最优路径和速率，控制材料在特定位置的沉积，确保按照设计要求进行沉积和固化，生成声波控制方案。

20、作为本发明的进一步方案，所述材料流变调控模块包括流变特性匹配子模块、动态调控子模块、稳态维持子模块；

21、所述流变特性匹配子模块基于匹配差异材料流变特性的需求，采用流变特性分析算法，结合材料的粘弹性、塑性和刚度特性，分析材料在特定温度和压力下的流变行为，包括剪切稀化和触变性，揭示材料在打印过程中的流动和固化特性，并进行参数化建模，生成流变特性分析数据；

22、所述动态调控子模块基于流变特性分析数据，运用实时参数调整模型，结合材料的流变数据和打印条件，包括打印速度和层厚，实时调整打印参数，匹配材料流变行为，优化打印过程中材料的流动性和稳定性，生成动态调控策略；

23、所述稳态维持子模块基于动态调控策略，运用自适应控制算法，通过分析打印过程中的实时数据，包括材料的流变行为和环境条件变化，自动调整打印参数，匹配材料属性的变化和打印环境的波动，生成材料流变调控策略。

24、作为本发明的进一步方案，所述喷嘴控制模块包括流动控制子模块、方向精调子模块、精度提升子模块；

25、所述流动控制子模块基于提升打印精度的目标，采用微流体动力学模拟算法，通过模拟喷嘴内部的流体行为，包括流速分布和压力场，对喷嘴流量进行调节，确保材料的均匀输出，匹配多种打印要求，生成流量控制数据；

26、所述方向精调子模块基于流量控制数据，应用喷嘴动态调节策略，根据材料的流体特性和打印模式，对喷嘴的方向进行调整，包括调整喷嘴角度和方向性，进行材料的均匀输出和定位，优化喷嘴的输出效果，生成方向调节方案；

27、所述精度提升子模块基于方向调节方案，应用多变量优化算法，根据材料输出的实时反馈数据，包括流速、流量、喷嘴角度，进行多参数优化，调整喷嘴的细微控制参数，匹配打印模型要求，进行材料的均匀输出和准确沉积，生成喷嘴控制方案。

28、作为本发明的进一步方案，所述振动消减稳定模块包括振动分析与识别子模块、稳定性增强子模块、振动消减执行子模块；

29、所述振动分析与识别子模块基于消减打印过程中的振动，采用频谱分析法，对打印机械部分的振动数据进行分析，通过分析振动数据的频率分布和振幅，识别关键振动源和模式，利用时频分析法分析时间依赖性和动态特性，生成振动特性分析数据；

30、所述稳定性增强子模块基于振动特性分析数据，应用有限元分析法，对打印机械结构进行模拟，评估振动在机械部件中的传播和放大情况，结合模态分析技术，优化机械结构设计，包括调整部件的质量分布和刚度，减少振动的产生和传播，优化打印系统的稳定性，生成稳定性增强策略；

31、所述振动消减执行子模块基于稳定性增强策略，运用自适应反馈控制算法，结合实时振动监测数据，动态调整打印机的工作参数或部署主动振动控制设备，包括可调节的阻尼器和隔振装置，实时对抗产生的振动，生成振动消减方案。

32、作为本发明的进一步方案，所述超声波后处理模块包括超声波参数调整子模块、表面细化处理子模块、结构加固子模块；

33、所述超声波参数调整子模块基于提升打印物体表面处理质量，采用超声波频率和振幅调节算法，通过控制超声波设备的输出参数，包括声波的频率、振幅和持续时间，调整超声波对差异材料表面的作用效果，匹配多类型的打印材料，确保超声波能量的均匀分布和有效穿透，生成超声波参数调整数据；

34、所述表面细化处理子模块基于超声波参数调整数据，采用声波微观作用技术，调整超声波的作用模式，进行打印物体表面处理，包括去除微小缺陷、提升表面光滑度，优化表面层的微结构，生成表面处理方案；

35、所述结构加固子模块基于表面处理方案，应用超声波强化技术，利用超声波的微振动效应，渗入材料内部，增强材料分子间的结合力，优化打印物体的结构密实度和机械强度，确保打印物体的耐久性和稳定性，生成超声波后处理优化方案。

36、作为本发明的进一步方案，所述强化材料配比模块包括成分调配子模块、材料效能提升子模块、比例优化子模块；

37、所述成分调配子模块基于最优材料性能实现目标，采用热力学平衡分析法和化学反应动力学模型，分析材料成分在特定条件下的反应动力学和热力学特性，包括反应速率和能量变化，调整材料成分优化其反应路径和产物稳定性，进行材料成分比例和组合的调整，生成材料成分调配数据；

38、所述材料效能提升子模块基于材料成分调配数据，运用材料特性模拟和效能分析技术，进行材料性能的全面测试和评估，包括力学强度和耐热性测试，通过数据分析和模型模拟优化材料配比，增强材料的适用性和性能指标，生成材料效能提升方案；

39、所述比例优化子模块基于材料效能提升方案，采用统计分析和优化算法，结合材料性能与成分比例之间的关系，优化和调整材料成分的比例，平衡性能和成本，揭示材料性能的最优组合，生成材料配比强化方案。

40、作为本发明的进一步方案，所述整体协调优化模块包括系统级调优子模块、模块间协调子模块、效能综合提升子模块；

41、所述系统级调优子模块基于层间温度调节策略、声波控制方案、材料流变调控策略、喷嘴控制方案、振动消减方案、超声波后处理优化方案、材料配比强化方案，采用多目标优化算法，通过模拟自然选择过程，优化打印速度、温度控制和材料流动关键参数，优化打印过程的整体效率和输出质量，生成系统级调优策略；

42、所述模块间协调子模块基于系统级调优策略，运用决策分析和神经网络算法，进行模块间的动态协调和优化，模拟和预测多模块参数调整的影响，以及模块间相互作用的复杂性，进行模块间参数和策略的协调，优化打印系统的协同效能，生成模块间协调方案；

43、所述效能综合提升子模块基于模块间协调方案，采用综合性能提升策略，全面提升打印系统的性能，包括增加打印速度、优化打印质量和降低能耗，进行性能分析和调整，进行整体系统性能的最优化，生成整体优化与协调策略。

44、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

45、本发明中，通过引入温控调节模块，实现层间最优温度的维持，声波控制模块采用声波调频算法和材料流动控制技术，通过调节声波的频率和振幅，实现对材料的流动路径和沉积模式的控制，材料流变调控模块通过流变性分析算法和动态调控模型，动态调整打印参数，适应差异材料流变特性，喷嘴控制模块采用微流体控制算法和喷嘴动态调节技术，模拟和控制喷嘴内部的流体动力学，调节喷嘴流量和方向，振动消减稳定模块通过振动分析模型和动态补偿算法，实施自适应振动补偿措施，降低振动对打印过程的影响，超声波后处理模块采用超声波优化算法和表面处理技术，通过调节超声波的频率和振幅，优化打印物体表面处理质量，整体协调优化模块通过系统工程优化方法和模块间协调策略，实施系统协调和优化措施，实现模块间的最优配合和整体性能提升，提高系统整体性能。