[发明专利]三维打印同步微层析成像在线监控方法及系统

说明书

本发明公开了一种三维打印同步微层析成像在线监控方法及系统，涉及三维打印技术领域，以解决现有的三维打印在线监测无法实现成像体积扩大和全纵深成像的技术问题。本发明所述的三维打印同步微层析成像在线监控方法中，通过打印固化层的纵深分段扫描和纵向自动拼接算法实现整个打印过程的全纵深成像监测，并实时利用纵深分段扫描结果反馈指导下一个增加深度段的打印参数优化与控制，以实现打印同步微层析成像在线监控；在打印制品完成制造的同时，获得打印制品内部结构的三维模型，完成质控。

技术领域

本发明涉及三维打印技术领域，特别涉及一种三维打印同步微层析成像在线监控方法及系统。

背景技术

三维打印基于快速成型分层制造原理，可以将材料/细胞按照设计定位组装形成三维结构，为制造非均质、复杂结构的工业零件、消费制品、医疗器械和组织器官提供了新技术。但是当前的三维打印技术仍然存在许多问题，如产品内部存在的微小气孔，存在未熔化的金属粉末缺陷，面向医疗领域的生物三维打印支架的内部微观结构与设计的一致性。造成这些问题的原因有很多，如三维打印复杂的热过程，材料的不均匀，设备状态参数的不稳定，产品形状结构复杂以及工艺设计等等，例如对于生物三维打印存在的问题，是由于打印材料的形变特性和打印过程的随机误差，导致打印结构的精准性降低和批次差，难以发挥设计对打印制品机械和生物学性能的精准控制优势，不仅直接影响打印制品的几何、机械、流体、细胞活动等特性，也会对打印制品的结构和功能重建带来更大不确定性。

这样一个复杂的过程，普通的技术手段很难确保在产品内部不同区域，产品与产品之间以及不同设备生产产品的性能一致性，很难确保工艺的可重复性。工艺可重复性和质量一致性是三维打印技术普及和应用的关键，在医疗领域尤为重要。因此借助先进的科学技术手段，严密监控三维打印过程状态的变化，创建闭环控制系统，实时调节工艺参数是最好的解决方法。在三维打印过程中高分辨、全纵深在线监测打印过程，实时检测打印缺陷，量化反馈调控打印参数，降低打印与设计的偏差，提高打印结构的保真度，对于充分发挥三维打印的结构定制优势至关重要。

为实现打印过程在线监测，目前市场上的三维打印装备的监测设备都采用高清摄像方式来监测打印当前层表面的成型效果，提示流涎、断丝等打印缺陷，反馈打印参数调整；此类技术可实时无损检测打印面的形貌特征，但无法探测到打印面之下各层的结构和成型误差，并不能对成型的三维结构内部进行在线检测。在实际三维打印过程中，当前打印层的结构，再覆盖粘结一层或数层打印材料时，其结构会发生改变，尤其对于有较大形变特性和应力的材料，打印层结构的定型会出现明显的滞后性。这就要求三维打印在线监测技术必须具有一定的深度探测成像能力，因此三维高分辨无损成像技术成了优先选择。

现有的三维成像技术，如显微计算层析术(micro－computedtomography，micro－CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)技术、等曾用于工业、医疗器械和组织工程的非破坏性成像与检测，但是这些成像技术用于三维打印在线监测仍然存在问题。如micro－CT对于高含水量材料成像对比度过低，且X射线的离子效应会损伤有活性的材料；MRI分辨率有限，设备庞大，且其工作的超导磁体价格昂贵，使用成本过高；这些都不太适合三维打印过程中的在线无损监测。

三维高分辨无损成像技术，如共焦显微术(Confocal Microscopy，CM)、多光子显微技术(Multiphoton microscopy，MPM)、光学相干层析技术(optical coherencetomography，OCT)，能够无损、非接触、高分辨、纵深成像，具备适合三维打印在线监测的先天优势，但这些三维高分辨无损成像技术存在着成像体积有限的问题。如，CM对高散射样品的成像深度在0.1mm－1mm，MPM的成像深度为0.4mm－1.5mm，OCT成像深度在2mm－10mm，且五种技术的横向分辨率和横向成像范围存在耦合权衡关系。因此，将三维高分辨无损成像技术应用于三维打印在线监测，解决成像体积扩大和全纵深成像是技术的关键。

发明内容