3D列印通過對材料的逐層堆積完成三維模型的構建，其出眾的製造能力使3D列印廣泛地應用於各個學科領域。儘管3D列印技術及其應用取得了實質性的進步，目前主流的3D列印仍然採用沿單一方向堆積且無法獨立控制各列印層的成型方法。這種靜態逐層堆積的成型方式嚴重限制了3D列印構建複雜三維結構的能力。為了進一步釋放3D列印的製造能力，促進3D列印技術的發展，有必要對3D列印成型方法進行研究，尋求對傳統靜態逐層堆積成型方法的突破。
針對上述科學問題，美國西北大學Cheng Sun教授課題組以光固化3D列印為研究對象，設計並實現了一種各列印層可自由變換的動態隨形3D列印成型方法（圖1）。通過開發動態隨形切片算法（Dynamic conformal slicing，DCS），對模型進行隨形離散化處理，獲取各列印層在空間六自由度的幾何屬性。同時，採用高精度六自由度機械臂作為列印接收平臺，為列印過程中各列印層的自由變換提供了運動能力。
圖1 自由變換光固化3D列印系統。a)沿單一方向逐層堆積的傳統成型方法。b)各列印層可實現六自由度變換的成型方法。c)自由變換光固化3D列印物理平臺. d)選區放大圖。
基於各列印層自由變換的列印方法，實現了血管支架的隨形變換列印（圖2）。首先對支架模型和血管模型分別進行離散化切片處理，然後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行隨形變換，並進行自由變換光固化3D列印，最終實現由簡單支架結構直接3D列印製造出符合複雜血管的血管支架。
圖2 隨形變換列印。a)血管模型，b)支架結構，c, d)動態隨形切片處理. 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)通過隨形變換列印的血管支架。
進一步地，研究了利用自由變換3D列印方法對多材料柔性執行器的列印（圖3）。通過改變列印過程中對不同材料的構建方向，減少材料切換次數，大幅提高多材料模型的光固化3D列印成型效率，並驗證了柔性執行器的功能。
圖3 多軸多材料3D列印柔性執行器。a)多材料執行器設計，b）剖面圖，c) ~ e)多方向列印過程，f) ~ k)柔性執行器功能驗證。
該研究成果以「Conformal Geometry and Multimaterial Additive Manufacturing through Freeform Transformation of Building Layers」為題，發表於Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202005672)。論文第一作者為美國西北大學機械工程學院訪問學者黃紀剛，美國西北大學機械工程學院Cheng Sun教授為通訊作者。
論文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202005672
高分子科技原創文章。歡迎個人轉發和分享，刊物或媒體如需轉載，請聯繫郵箱：info@polymer.cn
歡迎專家學者提供稿件（論文、項目介紹、新技術、學術交流、單位新聞、參會信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，並請註明詳細聯繫信息。高分子科技®會及時推送，並同時發布在中國聚合物網上。
歡迎加入微信群 為滿足高分子產學研各界同仁的要求，陸續開通了包括高分子專家學者群在內的幾十個專項交流群，也包括高分子產業技術、企業家、博士、研究生、媒體期刊會展協會等群，全覆蓋高分子產業或領域。目前匯聚了國內外高校科研院所及企業研發中心的上萬名頂尖的專家學者、技術人員及企業家。
申請入群，請先加審核微信號PolymerChina （或長按下方二維碼），並請一定註明：高分子+姓名+單位+職稱（或學位）+領域（或行業），否則不予受理，資格經過審核後入相關專業群。