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通過打印層的自由變換進行保形和多材料增材制造

科研前沿
2021
05/14
17:28
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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(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(gòu)建復雜三維結(jié)構(gòu)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(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(xiàn)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(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(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(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:
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.


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