通过打印层的自由变换进行保形和多材料增材制造

供稿人：王慧超 连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

3D打印通过对材料的逐层堆积完成三维模型的构建，目前主流的3D打印仍然采用沿单一方向堆积且无法独立控制各打印层的成型方法。这种静态逐层堆积的成型方式严重限制了3D打印构建复杂三维结构的能力。

针对上述科学问题，美国西北大学Cheng Sun等研究人员以光固化3D打印为研究对象，将六自由度及机械臂与光固化打印机相结合，设计并实现了一种各打印层可自由变换的动态随形3D打印成型方法，通过开发动态随形切片算法（Dynamic conformal slicing，DCS），对模型进行随形离散化处理，获取各打印层在空间六自由度的几何属性，该过程在利用连续制造技术的同时对每个单独的建筑层执行了完全自由度（DOF）转换（平移，旋转和缩放）。同时，采用有着出色运动能力的高精度六自由度机械臂作为打印平台。

图1自由变换光固化3D打印系统。a)沿单一方向逐层堆积的传统成型方法。b)各打印层实现六自由度变换的成型方法。c)自由变换光固化3D打印机. d)打印双螺旋结构示意图。

该研究展示了利用基于离散共形变换的打印方法制作的血管支架（图2）。首先对设计的支架模型进行离散化切片处理，然后对血管模型进行动态保形切片算法进行离散化切片处理，切片的表面法线与模型的形状有关，每个切片层均有6个参数值（x,y,z,u,v,w）。然后将支架模型的离散切片结果一一映射到血管模型的离散切片结果上，然后以一定的工艺顺序进行3D打印。图2h显示了3D打印的血管支架，通过最初简单的管状网状设计（图3b）与复杂的血管（图3a）进行了定制匹配。

图2 离散共形变换。a)血管模型，b)设计的支架结构，c, d)动态切片处理. e)血管中心线提取。f, g)血管切片层轮廓信息，h)支架离散层，i)通过离散共形变换打印的血管支架。

研究者还开展了利用自由变换3D打印方法制作了多材料柔性执行器。通过改变打印过程中对不同材料的构建方向，减少材料切换次数，大幅提高多材料模型的光固化3D打印成型效率，并验证了柔性执行器的功能。

参考文献：
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.