生物功能梯度材料人工义齿修复体设计与快速原型制造关键技术研究

为了解决烤瓷冠修复体中金属和陶瓷之间热膨胀系数不匹配以及金属与陶瓷结合界面残余应力和界面破坏等关键技术，项目提出将生物功能梯度材料应用于人工义齿修复体，模仿天然牙连续变化的梯度结构，替代传统烤瓷修复体层次结构，最大限度获得人体天然牙的生物性能与物理性能。建模技术采用有限元法离散化思想，并引入"梯度源"，描述修复体内部材料信息，建立复杂和符合功能要求的材料分布，材料建模过程记录网格节点的材料信息，实体内部任意点的材料信息通过插值计算得到，以减少数据存储量且不损失任何材料信息；制造技术方面，针对功能梯度材料实体的性能要求和材料特点，以材料信息为主导，兼顾几何信息，研究生物功能梯度材料实体快速原型制造技术中数据交换格式、定向优化算法、自适应切片算法和扫描路径生成等关键技术，使具有复杂性能的生物功能梯度材料人工义齿修复体的直接制造得以实现。

为实现功能梯度材料义齿模型几何信息的精确表示和材料信息的复杂分布，提出了基于B样条的功能梯度义齿建模技术。该技术通过对牙齿三维实体模型离散化处理将牙齿实体离散为点云切片模型。采用多个梯度源和相应的材料分布方程计算各切片上点的材料信息，并应用B样条张量积构造B样条实体表述义齿几何信息和材料信息。该方法结合解析法和离散法的特点实现义齿模型几何信息的精确表示和材料信息的复杂分布，提高了解析法表述材料信息的能力和离散法表示几何信息的精度，提供了一种可构建具有良好力学特性和生物相容性义齿的方法。.为提高STL模型切片效率，节省系统资源，项目提出STL模型分层邻接排序快速切片算法，采用邻接插入法建立三角形邻接关系，根据三角形各点坐标在切片方向上投影的最大值和最小值反求与此三角形相交的切片平面，并通过分析相邻两个三角形公共边与切片平面的位置关系，按邻接顺序建立交点链表。与已有的基于STL模型拓扑信息提取的切片算法以及分组矩阵切片算法相比，算法不进行整体拓扑信息的提取和三角形的分组排序, 而是将三角形顺序关系融合于交点链表中, 从而达到节省系统资源、提高切片效率的目的。.快速原型制造技术采用分层和材料逐点或逐线堆积加工零件，适合加工每层内或每层间材料有变化的非均质材料零件。分层切片是快速原型制造技术重要组成部分，尤其自适应切片是保证零件成型质量和提高快速原型制造效率的有效手段。项目综合考虑几何信息和材料分布信息，以相邻两层面面积的变化率，材料变化梯度及材料分辨率为计算层片厚度的依据，对功能梯度材料零件快速原型制造中的自适应切片算法进行了研究。切片后通过材料成分方程和材料分辨率将零件中的材料信息离散存储。.项目申请国家专利2项，在SCI、EI期刊发表学术论文3篇。