通過打印層的自由變換進(jìn)行保形和多材料增材制造

供稿人：王慧超 連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實驗室　

3D打印通過對材料的逐層堆積完成三維模型的構(gòu)建，目前主流的3D打印仍然采用沿單一方向堆積且無法獨(dú)立控制各打印層的成型方法。這種靜態(tài)逐層堆積的成型方式嚴(yán)重限制了3D打印構(gòu)建復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的能力。

針對上述科學(xué)問題，美國西北大學(xué)Cheng Sun等研究人員以光固化3D打印為研究對象，將六自由度及機(jī)械臂與光固化打印機(jī)相結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn)了一種各打印層可自由變換的動態(tài)隨形3D打印成型方法，通過開發(fā)動態(tài)隨形切片算法（Dynamic conformal slicing，DCS），對模型進(jìn)行隨形離散化處理，獲取各打印層在空間六自由度的幾何屬性，該過程在利用連續(xù)制造技術(shù)的同時對每個單獨(dú)的建筑層執(zhí)行了完全自由度（DOF）轉(zhuǎn)換（平移，旋轉(zhuǎn)和縮放）。同時，采用有著出色運(yùn)動能力的高精度六自由度機(jī)械臂作為打印平臺。

圖1自由變換光固化3D打印系統(tǒng)。a)沿單一方向逐層堆積的傳統(tǒng)成型方法。b)各打印層實現(xiàn)六自由度變換的成型方法。c)自由變換光固化3D打印機(jī). d)打印雙螺旋結(jié)構(gòu)示意圖。

該研究展示了利用基于離散共形變換的打印方法制作的血管支架（圖2）。首先對設(shè)計的支架模型進(jìn)行離散化切片處理，然后對血管模型進(jìn)行動態(tài)保形切片算法進(jìn)行離散化切片處理，切片的表面法線與模型的形狀有關(guān)，每個切片層均有6個參數(shù)值（x,y,z,u,v,w）。然后將支架模型的離散切片結(jié)果一一映射到血管模型的離散切片結(jié)果上，然后以一定的工藝順序進(jìn)行3D打印。圖2h顯示了3D打印的血管支架，通過最初簡單的管狀網(wǎng)狀設(shè)計（圖3b）與復(fù)雜的血管（圖3a）進(jìn)行了定制匹配。

圖2 離散共形變換。a)血管模型，b)設(shè)計的支架結(jié)構(gòu)，c, d)動態(tài)切片處理. e)血管中心線提取。f, g)血管切片層輪廓信息，h)支架離散層，i)通過離散共形變換打印的血管支架。

研究者還開展了利用自由變換3D打印方法制作了多材料柔性執(zhí)行器。通過改變打印過程中對不同材料的構(gòu)建方向，減少材料切換次數(shù)，大幅提高多材料模型的光固化3D打印成型效率，并驗證了柔性執(zhí)行器的功能。

參考文獻(xiàn)：
Huang J , Ware H O T , Hai R , et al. Conformal Geometry and Multimaterial Additive Manufacturing through Freeform Transformation of Building Layers[J]. Advanced Materials, 2021.