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Cheng Sun教授课题组AM:3D打印新方法——打印层自由可变

3D打印,即增材制造,是一种前景广阔的先进制造技术。3D打印从诞生起发展至今,普遍采用将打印材料沿单一方向且无法对各打印层进行独立控制的逐层累积成型方法。这种静态逐层堆积的成型方式实现简单,对模型处理、物理系统及控制系统等的要求较低。近年来,随着3D打印技术及其应用的快速发展,静态逐层堆积成型方式逐渐暴露出其局限性,如无法针对模型结构进行适应性随形打印、各打印层无法实现几何属性的自由变换、打印过程缺乏灵活性等。这些都对3D打印构建个性化模型以及3D打印技术在各种场景中的应用产生了明显限制。


近日,美国西北大学Cheng Sun教授课题组对上述科学问题展开了研究。该团队以投影光固化3D打印为研究对象,设计和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(图1)。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。同时,采用高精度六自由度机械臂作为打印接收平台,为打印过程中各打印层的自由变换提供运动能力。基于打印层的自由变换,能在打印过程中完成对三维结构的转换(图2),避免了繁琐的重复建模工作。

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)各打印层可实现六自由度变换的成型方法。c)自由变换光固化3D打印物理平台. d)选区放大图。


图2. 基于打印层的自由变换在打印过程中完成三维结构的实时转换。


基于各打印层自由变换的打印方法,实现了血管支架的随形变换打印(图3)。首先对支架模型和血管模型分别进行离散化切片处理,然后将支架模型各离散层按照血管模型各切片层几何属性逐层进行随形变换,并进行自由变换光固化3D打印,最终实现由简单支架结构直接3D打印制造出符合复杂血管的血管支架。

图3. 随形变换打印。a)血管模型,b)支架结构,c, d)动态随形切片处理. 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)通过随形变换打印的血管支架。


进一步地,研究了利用自由变换3D打印方法对多材料柔性执行器的打印(图4)。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。

图4. 多轴多材料3D打印柔性执行器。a)多材料执行器设计,b)剖面图,c~e)多方向打印过程,f~k)柔性执行器功能验证。


该研究成果发表于Advanced Materials,论文第一作者为美国西北大学机械工程学院访问学者黄纪刚,美国西北大学机械工程学院Cheng Sun教授为论文通讯作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Conformal Geometry and Multimaterial Additive Manufacturing through Freeform Transformation of Building Layers

Jigang Huang, Henry Oliver T. Ware, Rihan Hai, Guangbin Shao, Cheng Sun

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202005672


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