随着3D打印技术和数字医学技术的发展,医用3D打印已成为新型交叉研究领域的一个研究热点。目前,市面上熔融沉积成型(Fused Deposition Molding,FDM)工艺3D打印机成型精度不高、成型速度较慢、流涎/滴料严重、界面操作复杂,不宜直接在医疗领域应用。为此,本文自主研发一种基于FDM工艺的骨科专用3D打印机,实现高精度人骨模型、手术导板的个性化制作,以辅助医生完成骨科外科手术,从而为骨科临床手术精准化提供重要的技术支撑。第一,深入剖析了FDM工艺骨科3D打印机关键技术难点,结合骨科模型及其3D打印路径特点,确定了FDM工艺骨科3D打印机功能及其性能指标,并在此基础上制定了ZYX串联机构为主体结构、PC机+运动控制卡为核心的总体设计方案。第二,分别对机械、控制系统进行了详细设计。所设计的传动机构、送料机构等,能够有效缓解打印机振动、提高喷头的涂料均匀性;设计摆动机构,为解决非工作喷头流涎影响模型质量的问题奠定基础。另外,选择C#语言为软件开发工具,对打印轨迹四轴运动、温度控制、断堵料检测以及人机交互等功能模块进行了详细设计。第三,提出以轮廓误差作为误差评价标准,并对轮廓误差估计方法做出修正;建立了XY传动机构动力学模型,并利用Matlab/Simulink模拟骨科模型打印工况进行动态误差仿真,确定了XY传动机构的理论误差。同时,基于Ansys对打印温度下双喷头结构的热应力和热变形进行仿真分析,确定了双喷头结构误差范围。第四,分析各因素对跟踪误差和轮廓误差的影响,进而确定了XY传动机构动态误差的显著影响因素;针对XY传动机构误差的特点,提出了应用闭环PID控制和交叉耦合控制的补偿方法,并设计了误差补偿控制系统。仿真结果表明,补偿策略能够极大提高XY传动机构动态性能,大幅度降低跟踪误差和轮廓误差,并能将误差降低到10um以下。另外,基于双喷头摆动机构,提出了刮喷头与降温相结合的辅助控制方法,解决了非工作喷头的流涎/滴料现象影响模型质量的难题。第五,基于所研制的FDM工艺骨科3D打印机样机,设计了相关实验,验证了双喷头摆动机构的合理性以及误差补偿策略的正确性,样机性能满足设计要求。本文研制的基于FDM工艺的骨科3D打印机已在北京积水潭医院等机构得到应用,研究成果为医用3D打印机的产业化奠定了基础,并提供理论指导。