Advanced Materials:动态随形3D打印

3D打印,即增材制造,是一种前景广阔的现代先进制造技术。3D打印至诞生起,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静态逐层累积成型方法。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、打印层无法实现几何属性的自由变换、成型过程缺乏灵活性等。这些都对3D打印构建能力以及3D打印技术在各种场景中的应用产生了明显限制。

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。利用动态随形3D打印成型方式,该工作实现了在打印过程中对三维结构的实时转换(图2)。

进一步地,团队实现了血管支架的随形变换打印(图3)。该工作通过对支架模型和血管模型分别进行离散化切片处理,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,进行自由变换光固化3D打印,实现了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。

该研究成果以“Conformal Geometry and Multimaterial Additive Manufacturing through Freeform Transformation of Building Layers”为题,发表于Advanced Materials  (DOI: 10.1002/adma.202005672)。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。

图1 动态随形光固化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。

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。