通過打印層的自由變換進行保形和多材料增材制造

供稿人：王慧超 連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

3D打印通過對材料的逐層堆積完成三維模型的構建，目前主流的3D打印仍然采用沿單一方向堆積且無法獨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重限制了3D打印構建復雜三維結構的能力。

針對上述科學問題，美國西北大學Cheng Sun等研究人員以光固化3D打印為研究對象，將六自由度及機械臂與光固化打印機相結合，設計并實現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)制造技術的同時對每個單獨的建筑層執(zhí)行了完全自由度（DOF）轉換（平移，旋轉和縮放）。同時，采用有著出色運動能力的高精度六自由度機械臂作為打印平臺。

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)各打印層實現六自由度變換的成型方法。c)自由變換光固化3D打印機. d)打印雙螺旋結構示意圖。

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）。首先對設計的支架模型進行離散化切片處理，然后對血管模型進行動態(tài)保形切片算法進行離散化切片處理，切片的表面法線與模型的形狀有關，每個切片層均有6個參數值（x,y,z,u,v,w）。然后將支架模型的離散切片結果一一映射到血管模型的離散切片結果上，然后以一定的工藝順序進行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狀設計（圖3b）與復雜的血管（圖3a）進行了定制匹配。

圖2 離散共形變換。a)血管模型，b)設計的支架結構，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建方向，減少材料切換次數，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：
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.