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  3D打印通過對材料的逐層堆積完成三維模型的構(gòu)建，其出眾的制造能力使3D打印廣泛地應(yīng)用于各個學(xué)科領(lǐng)域。盡管3D打印技術(shù)及其應(yīng)用取得了實質(zhì)性的進(jìn)步，目前主流的3D打印仍然采用沿單一方向堆積且無法獨(dú)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(yán)重限制了3D打印構(gòu)建復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的能力。為了進(jìn)一步釋放3D打印的制造能力，促進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展，有必要對3D打印成型方法進(jìn)行研究，尋求對傳統(tǒng)靜態(tài)逐層堆積成型方法的突破。

  針對上述科學(xué)問題，美國西北大學(xué)Cheng Sun教授課題組以光固化3D打印為研究對象，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（圖1）。通過開發(fā)動態(tài)隨形切片算法（Dynamic conformal slicing，DCS），對模型進(jìn)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。同時，采用高精度六自由度機(jī)械臂作為打印接收平臺，為打印過程中各打印層的自由變換提供了運(yùn)動能力。

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)各打印層可實現(xiàn)六自由度變換的成型方法。c)自由變換光固化3D打印物理平臺. d)選區(qū)放大圖。

  基于各打印層自由變換的打印方法，實現(xiàn)了血管支架的隨形變換打�。▓D2）。首先對支架模型和血管模型分別進(jìn)行離散化切片處理，然后將支架模型各離散層按照血管模型各切片層幾何屬性逐層進(jìn)行隨形變換，并進(jìn)行自由變換光固化3D打印，最終實現(xiàn)由簡單支架結(jié)構(gòu)直接3D打印制造出符合復(fù)雜血管的血管支架。

圖2 隨形變換打印。a)血管模型，b)支架結(jié)構(gòu)，c, d)動態(tài)隨形切片處理. 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)通過隨形變換打印的血管支架。

  進(jìn)一步地，研究了利用自由變換3D打印方法對多材料柔性執(zhí)行器的打�。▓D3）。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。

圖3 多軸多材料3D打印柔性執(zhí)行器。a)多材料執(zhí)行器設(shè)計，b）剖面圖，c) ~ e)多方向打印過程，f) ~ k)柔性執(zhí)行器功能驗證。 

  該研究成果以“Conformal Geometry and Multimaterial Additive Manufacturing through Freeform Transformation of Building Layers”為題，發(fā)表于Advanced Materials  (DOI: 10.1002/adma.202005672)。論文第一作者為美國西北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院訪問學(xué)者黃紀(jì)剛，美國西北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院Cheng Sun教授為通訊作者。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202005672